周攀峰ZHOU Pan-feng

（寧夏水利水電勘測設計研究院有限公司，銀川 750000）

0 引言

水利工程建設是我國經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的重要組成部分。水庫是綜合利用水資源的重要基礎設施之一，對于保障國家的水資源安全和可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用。在水庫建設過程中，壩基處理和水庫排水設計是其中至關重要的一環(huán)。關于特殊地質，壩基斷裂構造較發(fā)育的礫巖壩基，目前的處理方式首先是將斷層破碎帶開挖，然后混凝土回填，最后加強固結灌漿處理。借助模型試驗和數(shù)值模擬，通過超載方法對拱壩左、右岸壩肩抗力體內存在的地質缺陷進行研究，研究表明密集節(jié)理對拱壩1210m 高程壩肩穩(wěn)定的影響不大，并以此指導工程施工[1]。采用Hype Mesh 軟件可模擬河谷地形特征和壩區(qū)地質構造，通過對特殊地質模擬可驗證壩體特殊地質的穩(wěn)定性。關于褥墊式排水體的研究，目前有不同結構形式的方案[2]，但是適用于寧夏南部山區(qū)的褥墊排水體還有待研究。褥墊排水體布置后，壩體的滲流問題還需驗證，多位大師專家采用fluent、autobank 等軟件進行滲流分析[3]。針對黃土高原地區(qū)自上而下依次為壤土、角礫和強分化巖層的地質條件，壩基的處理、褥墊排水的設計以及該條件下的壩體滲流問題還需進一步研究。

1 工程概況

為緩解隆德縣城鄉(xiāng)居民用水緊缺的問題，在渝河流域甜水河支流新建余家峽水庫，水庫集水面積10.7km2，水庫建成后可以與已建地灣水庫連通，將地灣水庫富裕水量通過已建隆德縣城鄉(xiāng)引水管道調入某水庫，實現(xiàn)余家峽水庫與地灣水庫聯(lián)合調度，向隆德縣城供水，以解決城鎮(zhèn)居民生活及工業(yè)用水緊缺問題。余家峽水庫調水規(guī)模170 萬m3。水庫總庫容452.07 萬m3，屬小（1）型水庫。

2 水庫特殊地質條件的壩基處理

2.1 壩基特殊地質條件

根據(jù)地質勘察成果，水庫壩基主要存在以下問題：①主溝道頂部土層（粉質粘土及壤土），厚度1.0-8.3m，軟塑-可塑狀，屬于Ⅰ級（輕微）非自重濕陷性（河床左側）-Ⅱ級（中等）自重濕陷性場地。頂部土層以下分布碎石及角礫，樁號范圍0+137～0+408，層深0.5-3.6m，具有液化性，屬強透水層。②左岸臺地上部土層存在濕陷，最大厚度達11m，平均厚度為4-5m，屬于Ⅰ級（輕微）非自重濕陷性，右岸不濕陷，但其壓縮系數(shù)為0.59MPa-1，屬于高壓縮性土，壓縮變形量較大。③角礫層下部基巖表層2m 為強風化層，屬中等透水層，透水率10～100Lu，這以下為弱、微風化巖層，透水呂容1～10Lu。

2.2 壩基處理方案

2.2.1 兩岸臺地粉質粘土、壤土層處理

兩岸臺地土層飽和度大部分在60%以上，依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑地基處理規(guī)范》，不適宜采用強夯法、擠密法處理。當土層作為壩基使用時，經(jīng)過沉降計算，最大厚度11.0m 處（左岸）沉降量達1.7m，一般斷面沉降量為0.8m左右，不能滿足總沉降量小于壩高1%的要求，因此，也不宜作為持力層。因此，對于兩岸臺地土層，可行的處理方案是全部挖除，土方用于壩體填筑。

2.2.2 主溝道土層、液化角礫層處理

對于主溝道土層及下部液化角礫層，壩基處理方案有兩種，方案一：土層及下部液化角礫層全部挖除；方案二：挖除上部土層+下部液化角礫采用振動壓密法處理。從經(jīng)濟、安全和可靠性三方面進行比選，工程采用方案一。

2.2.3 壩基防滲

2m 厚的強風化層全部挖除成本過高，故設計截水槽，使其深度以開挖至相對不透水層下1.0m 為準（10LU），截水槽布置于壩軸線處，梯形斷面，開挖邊坡1∶1，截水槽底寬5.0m，截水槽采用粘土回填，回填土分層夯實與主壩銜接，填筑土壓實度不小于0.97，滲透系數(shù)小于1×10-5cm/s。具體設計詳見圖1 截水槽斷面圖，設計巧妙借助截水槽，同時為降低浸潤線針對性布置褥墊排水，解決了2m 厚強風化層的滲水問題，該處理方法可實現(xiàn)壩體防滲和節(jié)約投資成本的效果。

圖1 截水槽斷面圖

3 壩基褥墊排水體設計

根據(jù)筑壩土料顆分表（表1），判定被保護土均小于4號篩（4.75mm）的顆粒，不需要對土顆粒大小級配曲線進行調整。以通過200 號篩（0.075）顆粒的百分數(shù)為標準，確定被保護土的類別。顆粒粒徑為0.075mm 時，小于0.075mm 粒徑的土所占的百分數(shù)＞85%，被保護土的類別為1 類，即細粉土和粘土。

3) 在特征上，主權和契約權源的縱向競合包含兩種不同屬性的協(xié)調權，兩者產(chǎn)生的法律和理論的依據(jù)都有差別，故而會存在明顯的順位。這表明在特定的情況下，契約權源下的協(xié)調權應該讓位并遵從于主權權源下的協(xié)調權，只是在何種情形或程度下才能體現(xiàn)并運用這一順位，需要進一步探討與分析。

表1 余家峽水庫筑壩土料顆分曲線表

3.1 反濾層應滿足濾土要求

由于土料小于0.075mm 顆粒含量＞85%，為1 類，因此反濾層最大粒徑D15≤9d85，取D15=9d85=9×0.055=0.50mm。式中：D15—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%；d85—被保護土的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的85%。

3.2 反濾層應滿足排水要求

以透水性作為控制的必要條件，應使D15≥4d15，且不小于0.1mm。d15=0.007mm，4d15=4×0.007=0.028mm＜0.1mm。式中：d15—被保護土的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%。

防止采用間斷級配的反濾料：設計反濾料應滿足過篩率為60%粒徑中任一粒徑的最大與最小值的比率不大于5。反濾料級配范圍：不均勻系數(shù)小于等于6。

3.3 其他反濾料粒徑的計算

主要計算內容如下：最大D10=最大D15/1.2=0.5/1.2=0.42mm；最大D60=最大D10×6=0.42×6=2.52mm；最小D60=最大D60/5=2.52/5=0.50mm；最大粒徑D100＜75mm，取D100=50mm；最小粒徑D5=0.075mm；最小D10=最小D15/1.2=0.1/1.2=0.08mm；當最小D10＜0.5 時根據(jù)防分離準則，最大D90=20mm；最小D90=20/5=4mm。

式中：D5—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的5%；D10—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的10%；D60—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的60%；D90—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的90%；D100—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的100%。

3.4 壩基褥墊式排水體設計

圖2 為褥墊排水體詳圖。設計壩基褥墊排水體厚2.4m，上、下兩層反濾的結構均為0.4 厚細反濾料（D=0.3-2mm）+0.4m 厚粗濾料（D=2-10mm），中間層為0.8m 厚的排水層（D=20-40mm）。水庫抗震烈度屬于8 度區(qū)，地震動峰值加速度0.2g，峰值加速度較高。依據(jù)抗震設計規(guī)范，從防止液化的角度出發(fā)，褥墊排水壓實相對密度要求不小于0.8。

圖2 褥墊排水體詳圖

4 褥墊排水體布置后壩體滲流計算

為更好地評估水平褥墊排水的布置以后水庫的滲流情況，本文借助autobank 軟件對含褥墊排水的壩體進行滲流計算。

4.1 選擇計算斷面

選擇壩體樁號K0+300（河谷段最大壩高斷面，壩高37.8m）、K0+200（河岸階地斷面，壩高36.0m），共兩個計算斷面。

4.2 建立有限元計算模型

土壩垂直于溝道布置，壩頂高程2201.6m，最大壩高37.8m，壩頂長603.0m，壩頂寬5.0m，壩頂為瀝青砼路面，上、下游壩坡自上而下依次為1∶2.5、1∶2.75、1∶3.0。上、下游壩坡在高程2191.6m、2181.6m 處設馬道，馬道寬2.0m。壩體排水采用壩基水平褥墊+壩后貼坡排水相結合的方式，從大壩截滲槽位置至壩坡腳范圍內整體設褥墊排水。依據(jù)壩體結構與壩體尺寸建立有限元模型。繪制計算斷面材料分區(qū)圖，模型采用三角形和四邊形混合單元對其進行剖分，計算斷面相應的材料分區(qū)及離散的有限元網(wǎng)格見圖3。

圖3 計算斷面有限元網(wǎng)格圖

4.3 計算參數(shù)

大壩各分區(qū)材料滲透系數(shù)通過地勘報告中建議值確定，具體選取情況見表2。

表2 大壩各分區(qū)材料計算指標表

4.4 計算工況

按《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL274—2001）的規(guī)定，滲流計算需要計算下列4 種水位組合，具體見表3。

表3 大壩滲流場計算工況表

4.5 滲流有限元計算成果

根據(jù)大壩滲流計算成果表（表4），按平均水位計算水庫年滲漏約為16.5 萬m3/a，出溢點位于溝底壤土層上，允許滲透比降0.5。

表4 不同斷面各工況大壩滲流計算成果表

5 結語

本研究依托余家峽水庫設計施工中遇到的特殊地質問題，旨在探究特殊地質條件下土壩壩基的處理和褥墊排水方案。①本文通過對水庫特殊地質條件的分析，依據(jù)規(guī)范設計了合理有效的壩基處理方案，將兩岸臺地土層、主溝道土層及下部液化角礫層全部挖除，同時巧妙借助截水槽，成功解決2m 厚強風化層的滲水問題。②本文通過對被保護土的粒徑分析和計算，確定了反濾層的最大粒徑和級配范圍，以及反濾料的其他粒徑計算。在此基礎上設計2.4m 厚的壩基褥墊式排水體，包括0.4m 厚細反濾料+0.4m厚粗濾料和0.8m 厚的排水層，以滿足濾土和防滲要求。為確保褥墊排水的效果，采用了autobank 軟件進行含褥墊排水的壩體滲流計算，計算結果滿足規(guī)范要求。本研究為土壩壩基處理和褥墊排水方案設計提供了一個可借鑒的案例，并對相關領域的研究提供了一定的啟示。