燕峒勝

(勝利石油管理局供水公司，山東 東營(yíng) 257099)

在黃河三角洲沖積平原，土地鹽堿化嚴(yán)重，生產(chǎn)生活用水均依賴黃河淡水，因而修建了多座引黃供水的平原水庫(kù).由于壩基深厚軟弱，且地質(zhì)條件復(fù)雜，該區(qū)域修建的平原水庫(kù)一般控制蓄水深度在4～5m以下，圍壩長(zhǎng)度一般8～10km，最長(zhǎng)的達(dá)25km.圍壩擋水水頭雖低，由于壩基表層多為粉土，滲透性等級(jí)大都屬于中等透水，滲漏量大，尤其是抗?jié)B透變形能力甚差，致使多座水庫(kù)圍壩下游出現(xiàn)滲透破壞［1－3］.如孤河水庫(kù)壩長(zhǎng)10.48km，累計(jì)有2km長(zhǎng)壩段下游地面隆起、小泉眼翻水冒沙;孤北水庫(kù)［4］1994年12月建成蓄水，1996年11月調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在南壩東段和東壩南段壩腳集滲溝內(nèi)多處出現(xiàn)管涌，此后逐漸發(fā)展至大量冒出渾水.壓浸處理后滲透破壞向下游延伸10m以上，泡泉群數(shù)量約有40個(gè)，直徑2～40cm.另外孤東、廣南等水庫(kù)也出現(xiàn)嚴(yán)重滲透破壞.純化水庫(kù)為了減少占地，提高了圍壩高度，水庫(kù)蓄水深度達(dá)8.5m，水庫(kù)蓄水深度相對(duì)于該區(qū)域以往修建的平原水庫(kù)有較大幅度的提高，壩體壩基防滲安全問(wèn)題必須高度重視［5－8］.

1 工程概況

1.1 圍 壩 簡(jiǎn) 況

純化水庫(kù)圍壩總長(zhǎng)約7.67km，東西壩長(zhǎng)1.98km，南、北壩長(zhǎng)約1.85km.進(jìn)出庫(kù)水閘穿壩設(shè)置.水庫(kù)設(shè)計(jì)蓄水位16.5m，壩頂高程18.0m，壩頂寬7.0m，上游壩坡1∶3，下游壩坡高程13.0m 以下為1∶3，以上為1∶2.5.原地面高程7.4～8.9 m，計(jì)入沉降后最大壩高約12.0m.典型壩體剖面見(jiàn)圖1.

圖1 圍壩典型斷面(單位:m)Fig.1 Typical cross-section of Chunhua reservoir dam(unit:m)

1.2 壩基地質(zhì)條件

壩基為巨厚第四紀(jì)沖積層，鉆探最大深度26m，分為9層，15m以上淺土層特征見(jiàn)表1.由表1可見(jiàn)，壩基②淤泥質(zhì)黏土層是良好的隔水層.

為使關(guān)鍵土層的滲透系數(shù)能夠接近實(shí)際情況，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖探井進(jìn)行了滲水試驗(yàn).①層粉土層進(jìn)行了4組試驗(yàn)，滲透系數(shù)均值 k=1.32×10－3cm/s;①夾層粉質(zhì)黏土層進(jìn)行了1組試驗(yàn)，k=7.02×10－5cm/s.參照孤北水庫(kù)南壩注水試驗(yàn)成果［4］，粉土的 k=(6.18 ～8.62)×10－4cm/s，粉質(zhì)黏土 k=8.7 ×10－5cm/s，兩者較為相近.根據(jù)滲透系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)壩基①層粉土層進(jìn)行截滲處理是必要的.

表1 壩基土層特性Tab.1 Soil characteristics of Chunhua dam foundation

1.3 筑 壩 土 料

當(dāng)?shù)責(zé)o防滲土料，筑壩土料均取自庫(kù)區(qū)內(nèi)表層①層粉土和①夾層粉質(zhì)黏土.根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果確定壩體填筑設(shè)計(jì)干密度ρd=1.55 g/cm3.壩體土滲透試驗(yàn)時(shí)，土樣按80%粉土和20%粉質(zhì)黏土混合制備，分別進(jìn)行了干密度 ρd=1.55 g/cm3和 ρd=1.58 g/cm3兩種試驗(yàn)，所得滲透系數(shù)分別為 2.1×10－4cm/s和 1.58×10－4cm/s.提高干密度，能使?jié)B透系數(shù)有所降低，但并不顯著，因此，以k=2.1×10－4cm/s作為壩體滲透系數(shù).

1.4 允許水力坡降

壩體土樣進(jìn)行滲透破壞試驗(yàn)得到的臨界坡降Jcr=0.94，①層粉土原狀土樣滲透破壞試驗(yàn)得到的臨界坡降Jcr=0.98.山東省水利科學(xué)研究院曾對(duì)該區(qū)域孤北和孤東水庫(kù)進(jìn)行調(diào)查分析，建議粉土允許坡降為0.08～0.20.南京水利科學(xué)研究院［4］對(duì)孤北水庫(kù)南壩段的測(cè)壓管觀測(cè)資料和滲透破壞現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)照，判斷粉土的臨界坡降 Jcr=0.115 ～0.152，取安全系數(shù)為1.5，則允許坡降為0.077 ～0.101.滲透穩(wěn)定是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，相對(duì)而言，原型調(diào)查成果應(yīng)比較符合實(shí)際，綜合考慮，確定滲流允許坡降［J］=0.1.

2 防滲方案研究

2.1 壩 體 防 滲

筑壩土料滲透試驗(yàn)結(jié)果顯示，其滲透系數(shù)k=2.1×10－4cm/s，不滿足規(guī)范［9］對(duì)均質(zhì)土壩土料滲透系數(shù)k≤1.0×10－4cm/s的要求，但其值較為相近，因此在防滲方案確定時(shí)對(duì)比了壩體采用防滲和不做防滲兩種情況.對(duì)于防滲方案，采用壩坡上游鋪設(shè)復(fù)合土工膜的方法.

2.2 壩 基 防 滲

根據(jù)工程地質(zhì)條件，壩基①層粉土層滲透系數(shù)較大，必須進(jìn)行防滲處理.由于工程區(qū)缺乏黏土料，壩基防滲采用垂直防滲，可選方案包括地下連續(xù)墻、土工膜等.鑒于壩基軟弱土層深厚，壩基沉降和水平位移較大，防滲體考慮采用柔性材料，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況［10］，采用土工膜防滲，即壩基垂直鋪塑.

壩基垂直防滲要取得好的效果就必須將垂直防滲體與基巖或壩基中的隔水層連接，形成封閉體系.由勘察資料可知，壩基②層黏土層基本連續(xù)分布，局部改性為粉質(zhì)黏土，是良好的隔水層，壩基垂直鋪塑與其相接，可形成壩基防滲系統(tǒng).

壩基中②層淤泥質(zhì)黏土層厚度不大，最薄處僅0.8 m，由于壩基軟弱、變形大，黏土層在建壩和運(yùn)行過(guò)程中能否保持良好狀態(tài)對(duì)壩基防滲系統(tǒng)的可靠性非常重要.文獻(xiàn)［11－14］研究表明，該土層在水庫(kù)施工和運(yùn)行過(guò)程中，剪應(yīng)力小于抗剪強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生破壞，即使遭遇Ⅶ度地震作用，仍是安全的.因此，壩基②淤泥質(zhì)黏土層作為隔水層是可靠的.

2.3 垂直鋪塑位置

垂直鋪塑的深度根據(jù)地基②層土的埋深確定，地勘資料表明，北壩埋深11 m，東、西、南三面圍壩的埋深為5m.垂直鋪塑的施工工藝基本為:開(kāi)槽、槽內(nèi)泥漿護(hù)壁、下膜、回填等.根據(jù)工程施工順序安排，壩基塑膜的鋪設(shè)在壩體填筑基本完成后進(jìn)行，因此需要研究垂直鋪塑對(duì)壩體壩基應(yīng)力變形的影響，從而確定合理的開(kāi)槽位置.垂直鋪塑距上游壩腳的距離按照如下幾個(gè)原則確定:

(1)滿足施工過(guò)程中上游壩坡穩(wěn)定要求，槽內(nèi)護(hù)壁泥漿重度按11.0 kN/m3計(jì)，用瑞典圓弧法對(duì)上游壩坡壩基進(jìn)行抗滑穩(wěn)定安全驗(yàn)算，以安全系數(shù)Fs=1.1作為限值，確定塑膜鋪設(shè)位置;

(2)對(duì)鋪設(shè)塑膜完工的情況，按槽內(nèi)回填土重度13.0 kN/m3進(jìn)行抗滑穩(wěn)定安全驗(yàn)算，要求Fs≥1.2;(3)對(duì)上述選定的垂直鋪塑位置，采用非線性有限元模擬施工、蓄水全過(guò)程，進(jìn)行壩體壩基應(yīng)力變形分析，論證壩體壩基的安全性.

計(jì)算結(jié)果表明，鋪塑深度為5m的情況下，垂直鋪塑開(kāi)槽槽壁距上游壩腳為4.0m時(shí)，上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全滿足要求，即該位置實(shí)施垂直鋪塑施工不影響上游壩坡和壩基的穩(wěn)定性.有限元分析顯示，槽壁靠壩一側(cè)向槽內(nèi)最大水平位移2.9cm，槽壁附近小范圍應(yīng)力水平達(dá)到0.8，蓄水后降低至0.6，鋪塑施工不影響壩體和壩基安全;塑膜埋深11.0m的情況下，開(kāi)槽槽壁距上游壩趾15.0m時(shí)，各種工況下壩體和壩基的抗滑穩(wěn)定安全滿足要求.有限元分析顯示，靠壩一側(cè)槽壁向槽內(nèi)最大水平位移為2.3cm，壩體、壩基的應(yīng)力狀態(tài)安全.

2.4 防滲方案優(yōu)選

根據(jù)壩體是否采用防滲措施，對(duì)下列2種防滲方案進(jìn)行優(yōu)選:方案1為只對(duì)壩基做垂直鋪塑防滲，壩體不做防滲處理;方案2為壩體上游壩坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜，與壩基垂直防滲一起形成封閉防滲系統(tǒng).選擇北壩典型剖面采用平面有限元進(jìn)行滲流計(jì)算分析，上游水位采用設(shè)計(jì)庫(kù)水位，壩基滲透系數(shù)k=1.32×10－3cm/s，壩體滲透系數(shù)k=2.1×10－4cm/s，塑膜k=1.0×10－11cm/s，壩體、壩基水平向與垂直向滲透系數(shù)之比均取2.0.

計(jì)算成果顯示:方案1和方案2的出逸點(diǎn)高度分別為2.94 m和0，出逸坡降分別為0.175和0.030，單寬滲流量分別為2.730×10－6和0.104×10－6m2/s.這表明僅有壩基防滲時(shí)，浸潤(rùn)線在下游壩坡出逸，出逸坡降較大，超過(guò)允許坡降;采用壩體與壩基聯(lián)合防滲時(shí)，浸潤(rùn)線基本從下游壩腳出逸，出逸坡降很小，滿足滲透穩(wěn)定要求，且滲流量?jī)H有壩基防滲方案的1/27.

基于上述分析研究，選擇壩坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜與壩基垂直鋪塑聯(lián)合防滲，具有良好的防滲效果，是一種經(jīng)濟(jì)合理的方案.

3 研究成果驗(yàn)證

3.1 安全監(jiān)測(cè)分析

純化水庫(kù)已蓄水運(yùn)行10余年，運(yùn)行中未出現(xiàn)滲流異常現(xiàn)象.為了監(jiān)測(cè)圍壩的運(yùn)行性狀，圍壩布置有20個(gè)滲流壓力監(jiān)測(cè)斷面和3個(gè)滲流量觀測(cè)斷面，每個(gè)斷面布置2個(gè)振弦式傳感器，分別位于壩軸線和下游壩腳處.圖2為西壩6+185斷面滲壓監(jiān)測(cè)結(jié)果，其中測(cè)點(diǎn)75B位于壩軸線處，76A位于下游壩腳處.圖3為西壩滲流量觀測(cè)結(jié)果，圖中數(shù)值突然增大系受降雨影響所致.監(jiān)測(cè)資料表明:20個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的滲壓水位隨庫(kù)水位而變動(dòng)，有一定滯后性，越接近下游的測(cè)點(diǎn)滯后越明顯;壩軸線處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的剩余位勢(shì)平均為39%，壩腳處為14%，截滲效果較好，滲流狀態(tài)正常;大壩滲流量較小，且滲流量與庫(kù)水位相關(guān)性不明顯，進(jìn)一步反映壩體、壩基的防滲效果較好.

圖2 西壩6+185斷面滲流壓力過(guò)程線Fig.2 Hydrographs of seepage pressure at section 6+185

圖3 西壩滲流量過(guò)程線Fig.3 Hydrographs of seepage discharge at west dam

3.2 滲流反演分析

根據(jù)滲流監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)土工膜的滲透系數(shù)進(jìn)行了反演分析，得到土工膜滲透系數(shù)值在(1.05 ～3.00)×10－9cm/s，較設(shè)計(jì)取用值1.0×10－11cm/s大，可能與施工中土工膜損傷或缺陷有關(guān).采用反演分析的滲透系數(shù)，對(duì)東南西北壩的4個(gè)典型剖面進(jìn)行設(shè)計(jì)蓄水位情況下的滲流數(shù)值計(jì)算，得到滲流要素見(jiàn)表2，典型斷面流場(chǎng)見(jiàn)圖4.由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，滲流穩(wěn)定安全，全年滲流量約為165×104m3，占總庫(kù)容的4.8%，純化水庫(kù)圍壩滲流狀態(tài)正常.

圖4 設(shè)計(jì)蓄水位情況下浸潤(rùn)線和等勢(shì)線Fig.4 Saturation and equipotential lines at the designed water level

表2 設(shè)計(jì)蓄水位下的滲流計(jì)算結(jié)果Tab.2 The calculated results of seepage flow at the designed water level

4 結(jié)語(yǔ)

(1)在壩基軟弱的近代黃河三角洲沖積平原上建壩，采用土工膜作為防滲體，形成封閉防滲系統(tǒng)，可以減少壩體、壩基滲漏，保證土壩的滲透穩(wěn)定要求，且其工程造價(jià)低，是一種安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的防滲措施.

(2)土工膜截滲措施應(yīng)用于新建土壩應(yīng)考慮施工過(guò)程中的保護(hù)，一般應(yīng)在壩基填筑基本完成后進(jìn)行.應(yīng)計(jì)算分析垂直鋪塑開(kāi)槽對(duì)壩體壩基穩(wěn)定及應(yīng)力應(yīng)變的影響，確定合適的開(kāi)槽位置.

(3)垂直鋪塑的開(kāi)槽回填及其與穿壩建筑物的連接直接關(guān)系到防滲效果，有必要作進(jìn)一步深入研究.

(4)純化水庫(kù)圍壩防滲方案的優(yōu)化研究成果，經(jīng)施工過(guò)程和監(jiān)測(cè)結(jié)果證明是成功的.

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