純化水庫防滲方案的優(yōu)化研究

燕峒勝

(勝利石油管理局供水公司，山東 東營 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.由于壩基深厚軟弱，且地質(zhì)條件復(fù)雜，該區(qū)域修建的平原水庫一般控制蓄水深度在4～5m以下，圍壩長度一般8～10km，最長的達(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，致使多座水庫圍壩下游出現(xiàn)滲透破壞［1－3］.如孤河水庫壩長10.48km，累計有2km長壩段下游地面隆起、小泉眼翻水冒沙;孤北水庫［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，直徑2～40cm.另外孤東、廣南等水庫也出現(xiàn)嚴(yán)重滲透破壞.純化水庫為了減少占地，提高了圍壩高度，水庫蓄水深度達(dá)8.5m，水庫蓄水深度相對于該區(qū)域以往修建的平原水庫有較大幅度的提高，壩體壩基防滲安全問題必須高度重視［5－8］.

1 工程概況

1.1 圍 壩 簡 況

純化水庫圍壩總長約7.67km，東西壩長1.98km，南、北壩長約1.85km.進(jìn)出庫水閘穿壩設(shè)置.水庫設(shè)計蓄水位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，計入沉降后最大壩高約12.0m.典型壩體剖面見圖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以上淺土層特征見表1.由表1可見，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)能夠接近實際情況，在現(xiàn)場開挖探井進(jìn)行了滲水試驗.①層粉土層進(jìn)行了4組試驗，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，k=7.02×10－5cm/s.參照孤北水庫南壩注水試驗成果［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)場試驗結(jié)果，對壩基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，筑壩土料均取自庫區(qū)內(nèi)表層①層粉土和①夾層粉質(zhì)黏土.根據(jù)擊實試驗結(jié)果確定壩體填筑設(shè)計干密度ρd=1.55 g/cm3.壩體土滲透試驗時，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，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)行滲透破壞試驗得到的臨界坡降Jcr=0.94，①層粉土原狀土樣滲透破壞試驗得到的臨界坡降Jcr=0.98.山東省水利科學(xué)研究院曾對該區(qū)域孤北和孤東水庫進(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］對孤北水庫南壩段的測壓管觀測資料和滲透破壞現(xiàn)象進(jìn)行對照，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)定是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題，相對而言，原型調(diào)查成果應(yīng)比較符合實際，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對比了壩體采用防滲和不做防滲兩種情況.對于防滲方案，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)驗和國內(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，黏土層在建壩和運行過程中能否保持良好狀態(tài)對壩基防滲系統(tǒng)的可靠性非常重要.文獻(xiàn)［11－14］研究表明，該土層在水庫施工和運行過程中，剪應(yīng)力小于抗剪強度，不會發(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壩體壩基應(yīng)力變形的影響，從而確定合理的開槽位置.垂直鋪塑距上游壩腳的距離按照如下幾個原則確定:

(1)滿足施工過程中上游壩坡穩(wěn)定要求，槽內(nèi)護(hù)壁泥漿重度按11.0 kN/m3計，用瑞典圓弧法對上游壩坡壩基進(jìn)行抗滑穩(wěn)定安全驗算，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)定安全驗算，要求Fs≥1.2;(3)對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.

計算結(jié)果表明，鋪塑深度為5m的情況下，垂直鋪塑開槽槽壁距上游壩腳為4.0m時，上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全滿足要求，即該位置實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，開槽槽壁距上游壩趾15.0m時，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，對下列2種防滲方案進(jìn)行優(yōu)選:方案1為只對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)行滲流計算分析，上游水位采用設(shè)計庫水位，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.

計算成果顯示:方案1和方案2的出逸點高度分別為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，浸潤線在下游壩坡出逸，出逸坡降較大，超過允許坡降;采用壩體與壩基聯(lián)合防滲時，浸潤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，且滲流量僅有壩基防滲方案的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 研究成果驗證

3.1 安全監(jiān)測分析

純化水庫已蓄水運行10余年，運行中未出現(xiàn)滲流異?，F(xiàn)象.為了監(jiān)測圍壩的運行性狀，圍壩布置有20個滲流壓力監(jiān)測斷面和3個滲流量觀測斷面，每個斷面布置2個振弦式傳感器，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)測結(jié)果，其中測點75B位于壩軸線處，76A位于下游壩腳處.圖3為西壩滲流量觀測結(jié)果，圖中數(shù)值突然增大系受降雨影響所致.監(jiān)測資料表明:20個監(jiān)測斷面的滲壓水位隨庫水位而變動，有一定滯后性，越接近下游的測點滯后越明顯;壩軸線處監(jiān)測點的剩余位勢平均為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斷面滲流壓力過程線Fig.2 Hydrographs of seepage pressure at section 6+185

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

3.2 滲流反演分析

根據(jù)滲流監(jiān)測結(jié)果對土工膜的滲透系數(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)，對東南西北壩的4個典型剖面進(jìn)行設(shè)計蓄水位情況下的滲流數(shù)值計算，得到滲流要素見表2，典型斷面流場見圖4.由計算結(jié)果可見，滲流穩(wěn)定安全，全年滲流量約為165×104m3，占總庫容的4.8%，純化水庫圍壩滲流狀態(tài)正常.

圖4 設(shè)計蓄水位情況下浸潤線和等勢線Fig.4 Saturation and equipotential lines at the designed water level

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

4 結(jié)語

(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)計算分析垂直鋪塑開槽對壩體壩基穩(wěn)定及應(yīng)力應(yīng)變的影響，確定合適的開槽位置.

(3)垂直鋪塑的開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)純化水庫圍壩防滲方案的優(yōu)化研究成果，經(jīng)施工過程和監(jiān)測結(jié)果證明是成功的.

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