論土石圍堰和基坑滲流場(chǎng)調(diào)控

張家發(fā)，林水生，吳德緒，張 偉，李少龍

（1．長(zhǎng)江科學(xué)院a．水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b．國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢430010；2．長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010）

論土石圍堰和基坑滲流場(chǎng)調(diào)控

張家發(fā)1a，1b，林水生1a，吳德緒1b，2，張 偉1a，1b，李少龍1a，1b

（1．長(zhǎng)江科學(xué)院a．水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b．國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢430010；2．長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010）

分析了圍堰和基坑工程的特點(diǎn)；提出了滲流場(chǎng)調(diào)控的概念及調(diào)控的總體目標(biāo)；強(qiáng)調(diào)保障調(diào)控效果就必須做到時(shí)機(jī)恰當(dāng)、措施得當(dāng)，按照實(shí)施的時(shí)機(jī)將調(diào)控措施分為預(yù)設(shè)措施和應(yīng)急措施；歸納概括了針對(duì)性的調(diào)控措施及其適用條件；結(jié)合工程實(shí)例說明了預(yù)設(shè)措施失效時(shí)及時(shí)采取應(yīng)急調(diào)控措施的重要性。滲流場(chǎng)調(diào)控理論充分考慮了滲流場(chǎng)在各種因素影響下的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，可以指導(dǎo)在工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的全過程中布置和實(shí)施及時(shí)、有效的調(diào)控措施，以達(dá)到保障工程安全、控制工期和成本、減輕環(huán)境負(fù)效應(yīng)的總體目標(biāo)。滲流場(chǎng)調(diào)控理論對(duì)于所有涉水工程及與地下水有關(guān)的工程都具有重要意義。

圍堰；基坑；滲流場(chǎng)；調(diào)控；安全

1 問題的提出

在水域或者臨近水域范圍內(nèi)開挖基坑進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，都需要通過設(shè)置圍堰來維護(hù)工程施工場(chǎng)地，這包括攔河大壩、水電站廠房、水閘、船閘等水利水電工程［1］，航運(yùn)工程，湖區(qū)水閘工程，跨河橋梁橋墩、錨碇等基礎(chǔ)工程，穿越河流（交通、輸水、輸電、輸油、輸氣及通訊光纜等）隧洞及其進(jìn)出口豎井工程，等等。世人矚目的港珠澳大橋采用橋隧結(jié)合方案，需要在海底隧道兩端各設(shè)置海中人工島，借助圍堰才能開始隧道工程開挖，這是海上圍堰和基坑工程的一例。這些工程都是涉水工程，圍堰是借以開挖和保護(hù)基坑的手段，圍堰和基坑的安全是工程建設(shè)安全的重要前提。圍堰上游水位和工程場(chǎng)地地下水作用下的滲流場(chǎng)是影響圍堰和基坑工程安全的主要因素之一，滲流場(chǎng)的控制是保障和促進(jìn)圍堰與基坑工程安全的重要手段和途徑。

水利水電工程建設(shè)中，土石圍堰是常見的設(shè)計(jì)方案，這是因?yàn)橥浠右?guī)模龐大，運(yùn)用周期長(zhǎng)，經(jīng)歷洪水考驗(yàn)的幾率高，對(duì)圍堰工程的可靠性有著很高的要求，而且其它建筑物施工產(chǎn)生的大量開挖棄渣料可供利用。一些平原水利工程的基坑，也可以借用已有的堤防工程擋水，例如漢江興隆水利樞紐工程就借助漢江兩岸的堤防，免去了河道兩岸縱向圍堰的建設(shè)；南水北調(diào)中線引江濟(jì)漢工程進(jìn)口段基坑就完全借助荊江大堤和龍州垸圍堤的作用，省去了新建圍堰工程。小規(guī)?；訃叩慕Y(jié)構(gòu)形式可以大大簡(jiǎn)化，橋梁工程就常常采用鋼圍堰作為橋墩基坑的保護(hù)措施。

葛洲壩水利樞紐和三峽水利樞紐工程建設(shè)，先后對(duì)長(zhǎng)江干流實(shí)行了截流，滲流控制的研究是其圍堰和基坑工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容［2－4］，也為后續(xù)的大型圍堰和基坑工程滲流研究提供了范例。但是圍堰和基坑工程的滲流控制也面臨著新的挑戰(zhàn)。一方面，我國(guó)水利水電工程建設(shè)的重心已經(jīng)向西南地區(qū)轉(zhuǎn)移，在金沙江、雅礱江、大渡河、烏江、怒江等流域建設(shè)的大型水電工程，不僅面臨著高山峽谷洪水的考驗(yàn)，而且大都建在厚達(dá)幾十米到幾百米深厚覆蓋層上［5］；另一方面，隨著我國(guó)對(duì)于涉及民生的水利和交通工程的進(jìn)一步重視，在平原和丘陵區(qū)的涉水工程也越來越多，雖然其圍堰擋水水頭不高，但是基坑規(guī)模大，基礎(chǔ)條件差，地下水位高，施工干擾和生態(tài)環(huán)境制約因素多，正在建設(shè)的南水北調(diào)中線工程中地下水問題就是影響施工進(jìn)度和建設(shè)成本的主要因素之一。這些新的條件使得圍堰及其基坑的滲流場(chǎng)更復(fù)雜，對(duì)滲流控制的要求更高，有效地實(shí)行滲流控制的意義也更大。

本文擬結(jié)合已經(jīng)和正在開展的圍堰和基坑滲流控制研究工作，針對(duì)滲流場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，提出滲流調(diào)控的概念，論述滲流調(diào)控的目標(biāo)和任務(wù)，討論保障滲流調(diào)控效果的途徑，包括滲流調(diào)控的時(shí)機(jī)與措施。

2 滲流調(diào)控思想與目標(biāo)

2．1 土石圍堰與基坑特點(diǎn)

文獻(xiàn)［5］對(duì)深厚覆蓋層上土石圍堰的填筑施工、材料和運(yùn)行條件進(jìn)行了初步概括，其中一個(gè)突出的特點(diǎn)就是圍堰和基坑滲流場(chǎng)的邊界在不斷地變化。與一般工程的滲流控制不同，圍堰和基坑滲流場(chǎng)更需要建立動(dòng)態(tài)調(diào)控的概念。為了能體現(xiàn)一般性，對(duì)于土石圍堰和基坑工程的特點(diǎn)進(jìn)一步概括如下。

（1）圍堰基礎(chǔ)的復(fù)雜性。在水域范圍內(nèi)修筑的圍堰工程無法清基，往往以天然松散覆蓋層為基礎(chǔ)。由于物質(zhì)來源、形成條件和歷史的原因，覆蓋層的物質(zhì)組成和密度差異很大，而且在基坑開挖前的勘探取樣和試驗(yàn)難度很大，這決定了覆蓋層力學(xué)和水力特性研究的難度。甚至在圍堰施工過程中，由于水流條件的重大改變，還可能對(duì)天然覆蓋層造成擾動(dòng)和級(jí)配的變化。在基坑開挖過程中，如果滲流調(diào)控不力，還可能由于管涌、基坑隆起、開挖面垮塌和滑坡的發(fā)生而造成覆蓋層的結(jié)構(gòu)破壞。

（2）水下拋填施工的復(fù)雜性。圍堰截流戧堤和部分堰體需要在水下施工，為應(yīng)對(duì)深水和急流的施工條件，截流戧堤往往通過拋投塊石、鋼架石籠，甚至預(yù)制混凝土四面體形成，存在架空現(xiàn)象和大孔隙；為了形成圍堰工程的防滲體，或者需要在水下拋填防滲土料，或者需要拋填控制最大粒徑的土料以便于防滲墻施工，拋填過程中可能發(fā)生顆粒分選和分離現(xiàn)象，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)拋填體的顆粒組成與密度及力學(xué)和水力特性的難度很大。

（3）圍堰填料的復(fù)雜性。大多數(shù)圍堰工程，尤其是西部高山峽谷地區(qū)的圍堰工程，一般是采用河床砂礫石料、崩塌堆積體、殘積土、巖石風(fēng)化料填筑；水利水電工程建設(shè)會(huì)產(chǎn)生大量的開挖棄料，為了減少環(huán)境影響和提高土方利用效率，這些開挖棄料往往被大量用于圍堰工程，這也使得填筑體的物質(zhì)組成、密度、力學(xué)和水力特性的非均勻性和離散性增強(qiáng)。

（4）施工周期的緊迫性。盡快為主體工程提供可靠的建設(shè)條件是圍堰填筑和基坑開挖工程的首要任務(wù)，這迫使圍堰工程要在短期內(nèi)完工，使得圍堰填筑質(zhì)量更難以嚴(yán)格控制。

（5）施工進(jìn)程中運(yùn)行條件的復(fù)雜性。圍堰工程建成后要經(jīng)歷基坑開挖和運(yùn)用過程?；娱_挖揭穿各層覆蓋層，甚至是承壓含水層，堰體和基坑開挖坡一起形成復(fù)合邊坡。不僅如此，水利水電工程往往有水電站、泄水閘、船閘等多個(gè)建筑物，其總體布置和施工順序使得基坑的形態(tài)、深度和開挖進(jìn)程都很復(fù)雜。這些因素加上圍堰上游水位的變化，使得基坑開挖和運(yùn)用過程中堰體和堰基的滲流場(chǎng)經(jīng)歷復(fù)雜的變化，堰體和基坑的滲透穩(wěn)定、堰基變形和與之緊密相關(guān)的圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、防滲體安全也要經(jīng)受相應(yīng)的考驗(yàn)。

2．2 滲流調(diào)控思想

當(dāng)圍堰已經(jīng)建成以后，上游河道水位、下游基坑開挖、基坑排水，甚至大氣降雨、施工用水、施工動(dòng)荷載等動(dòng)態(tài)因素時(shí)刻在影響著圍堰和基坑運(yùn)行狀態(tài)和安全性，其根本原因是不僅邊界條件在變，而且邊界本身也在變，導(dǎo)致滲流場(chǎng)處于不斷的變動(dòng)過程中。正是由于水的流動(dòng)性，可以及時(shí)采取簡(jiǎn)便有效的措施改變滲流場(chǎng)的分布，以應(yīng)對(duì)未來洪水過程和施工進(jìn)度計(jì)劃中圍堰和基坑安全的需要，或者扭轉(zhuǎn)圍堰和基坑工程已經(jīng)出現(xiàn)的不利于安全的趨勢(shì)。這些措施一般包括：基坑超前排水及其調(diào)度（包括降水井啟用數(shù)量、井水位和流量的調(diào)整，甚至新增排水井）、基坑內(nèi)明排水位的控制，基坑內(nèi)關(guān)鍵部位的反濾料回填（搶險(xiǎn)）、上游防滲鋪蓋的延展和加固、防滲墻的延伸和加固等。這些措施的靈活運(yùn)用，就是對(duì)復(fù)雜變化條件下滲流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，也是非穩(wěn)定滲流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)控制，所以稱作滲流場(chǎng)的調(diào)控（Regulation）。它不同于目前水利水電工程設(shè)計(jì)中通常考慮的滲流場(chǎng)控制（Control）。如果用水頭函數(shù)H表示滲流場(chǎng)分布，H＝F（x，y，z，t），區(qū)別在于前者包含時(shí)間變量t，而后者不包括，屬于穩(wěn)定（恒定）滲流場(chǎng)。

滲流調(diào)控理論對(duì)如下工程具有指導(dǎo)意義：本文重點(diǎn)討論的基坑和圍堰工程，上游水位變化及地震、土壩灌漿加固期間的大壩、堤防工程，渠道水位及水文、氣候、地下水位變化條件下的渠道工程，地下水封油庫工程，尾礦壩工程，等等。我國(guó)正在實(shí)施的石油儲(chǔ)備戰(zhàn)略中，地下水封油庫則是通過滲流場(chǎng)的調(diào)控來保證石油存、取和水文氣候變化條件下石油在地下空間的有效存放，并避免對(duì)周圍地下水環(huán)境的不利影響。尾礦壩往往是在初期壩基礎(chǔ)上不斷擴(kuò)建，隨著尾礦渣在庫內(nèi)的不斷沉積，庫內(nèi)水位不斷上升。為保障尾礦壩安全、控制對(duì)水環(huán)境造成的污染，滲流控制措施必須隨著工程的擴(kuò)建而跟進(jìn)，并且根據(jù)礦渣排放的調(diào)度、洪水預(yù)報(bào)而進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)度。因此，尾礦壩的擴(kuò)建和運(yùn)用過程就伴隨著滲流場(chǎng)的調(diào)控。

2．3 滲流調(diào)控目標(biāo)

針對(duì)土石圍堰和基坑工程特點(diǎn)，可以將滲流調(diào)控的總體目標(biāo)設(shè)定為：①有效調(diào)控堰體、堰基滲流場(chǎng)，保障堰體滲透穩(wěn)定和堰體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以保證基坑開挖施工和永久建筑物施工的安全；②有效調(diào)控基坑內(nèi)的水位和地下水位，盡力提高排水效率，以保障工程工期，降低工程建設(shè)成本；③在確保工程安全、有效控制工期和成本的同時(shí)，合理控制對(duì)周圍環(huán)境、地面設(shè)施和永久建筑物基礎(chǔ)的不利影響。

上述3個(gè)目標(biāo)可以簡(jiǎn)單稱為安全目標(biāo)、工期和成本控制目標(biāo)及環(huán)境保護(hù)目標(biāo)。安全是首要目標(biāo)，是剛性要求；工期和成本控制目標(biāo)是權(quán)衡工程效益和成本后所確定的，因而是相對(duì)的，可以調(diào)整的。環(huán)境保護(hù)目標(biāo)與工程所在地及下游的環(huán)境承載能力有關(guān)，必須在遵從法律法規(guī)，聽取當(dāng)?shù)卣?、機(jī)構(gòu)、居民社區(qū)的訴求基礎(chǔ)上合理確定。針對(duì)具體的圍堰和基坑工程，必須詳細(xì)研究確定體現(xiàn)滲流調(diào)控目標(biāo)要求的具體指標(biāo)和控制標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)以設(shè)計(jì)圍堰工程和基坑開挖施工方案，尤其是包含在其中的滲流調(diào)控措施。

基于上述討論，可以初步將滲流調(diào)控一般性地定義為：為保障工程建設(shè)和運(yùn)行安全，控制工程建設(shè)工期，降低工程建設(shè)和運(yùn)行成本，減輕工程建設(shè)環(huán)境負(fù)效應(yīng)，針對(duì)工程及其基礎(chǔ)滲流場(chǎng)采取的所有控制、調(diào)度和應(yīng)急調(diào)控措施。這些措施包括：在設(shè)計(jì)階段布置的滲流控制體系和制定的調(diào)度預(yù)案，應(yīng)對(duì)工程建設(shè)實(shí)際進(jìn)程需要、水文氣候條件變化、工程特殊運(yùn)行和檢修工況實(shí)行的滲流控制體系調(diào)度操作，以及發(fā)現(xiàn)工程安全隱患或不利趨勢(shì)后采取的滲流場(chǎng)應(yīng)急調(diào)控措施。

3 滲流調(diào)控時(shí)機(jī)

圍堰和基坑滲流場(chǎng)及時(shí)、有效的調(diào)控對(duì)于圍堰工程的運(yùn)行、甚至成敗起著重要的作用，是主體工程順利建設(shè)的重要保障。調(diào)控效果取決于2個(gè)方面：①時(shí)機(jī)恰當(dāng)；②措施得當(dāng)。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，工程規(guī)模和施工強(qiáng)度大，干擾因素多，為提高調(diào)控效果的可靠性，時(shí)機(jī)恰當(dāng)還應(yīng)該體現(xiàn)出有一定的超前，措施得當(dāng)則應(yīng)該體現(xiàn)出足夠充分。

3．1 滲流調(diào)控不力的后果

如果錯(cuò)失時(shí)機(jī)，或者措施不當(dāng)，圍堰和基坑滲流調(diào)控就可能失效，可能導(dǎo)致的后果有以下方面：

（1）危及圍堰工程和基坑的安全。這可以是由滲透水流造成的土體滲透破壞，逐漸擴(kuò)展至堰基或者堰體，引起圍堰的坍塌、潰決；也可以是滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的共同作用，引起堰體邊坡或者基坑邊坡的滑坡、垮塌。

（2）降低圍堰工程的擋水效率。使圍堰工程的擋水功能降低甚至喪失，使得基坑排水需要的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期，甚至使排水難以實(shí)現(xiàn)，這將嚴(yán)重影響工程工期和成本，甚至迫使大幅度變更滲流調(diào)控措施或者工程施工方案。圍堰工程擋水功能突然性的變化還可能使基坑水位快速上漲，危及基坑內(nèi)作業(yè)人員和設(shè)備的安全。

（3）改變永久工程的地基條件。有些情況下，滲透水流造成的土體滲透破壞雖然沒有擴(kuò)展至圍堰及其基礎(chǔ)，但是可能造成永久建筑物基礎(chǔ)的擾動(dòng)、甚至塌陷，當(dāng)沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)而按原設(shè)計(jì)建設(shè)永久建筑物后，將嚴(yán)重影響其安全和有效運(yùn)行；及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行有效處理，雖然可以避免后續(xù)問題，但必須以補(bǔ)充勘探、變更設(shè)計(jì)方案、延緩工期和增加建設(shè)成本為代價(jià)。

（4）環(huán)境影響。基坑排水形成大范圍的降落漏斗，大幅度的地下水位降落不僅使得附近水塘和供水井水位下降，影響水資源的利用條件，也使得地層的孔隙水壓力消散，一定程度的地面沉降難以避免。當(dāng)?shù)貙咏Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、水平方向的相變?cè)斐擅黠@的土性差異，或者地面荷載不均勻分布時(shí)，就會(huì)形成差異沉降，進(jìn)而引起道路、防洪工程（堤防）、管道、樓房及其它建筑物的破壞或傾斜。當(dāng)排水的反濾失效時(shí)，地下水位大幅度下降與滲透變形的共同作用，還會(huì)造成地面塌陷，使得環(huán)境影響更加顯著，后果更嚴(yán)重。

圍堰工程作為臨時(shí)工程，其工程等級(jí)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要低于主體工程，甚至一些施工方出于僥幸心理將調(diào)控措施打了折扣，或者使其實(shí)施過度地讓位于基坑開挖總體進(jìn)度的需要，這在很大程度上增加了上述風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)的可能性，這使得把握好滲流調(diào)控的時(shí)機(jī)更加重要。

3．2 滲流調(diào)控時(shí)機(jī)分類

圍堰和基坑滲流場(chǎng)的調(diào)控從時(shí)機(jī)上可以歸為3類：

（1）與圍堰工程設(shè)計(jì)及基坑開挖施工設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)的滲流控制措施及其調(diào)度預(yù)案。

（2）適應(yīng)施工進(jìn)度計(jì)劃和預(yù)測(cè)水文氣象條件變化而實(shí)施的滲流場(chǎng)控制措施具體調(diào)度方案。

（3）根據(jù)工程監(jiān)測(cè)和預(yù)警采取的應(yīng)急調(diào)度和搶險(xiǎn)、補(bǔ)救措施。

上述第（1）類措施可以通過滲流場(chǎng)的分析論證確定；第（2）類措施，在施工過程中根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃和水文氣象信息預(yù)測(cè)滲流場(chǎng)的變化，分析判斷圍堰和基坑的安全狀態(tài)，根據(jù)需要研究確定并實(shí)施；第（3）類措施需要根據(jù)工程運(yùn)行情況和監(jiān)測(cè)信息分析判斷其必要性，并研究確定具體的措施。第（1）、第（2）類屬于設(shè)計(jì)階段預(yù)設(shè)或者預(yù)測(cè)工程進(jìn)度和水文氣候條件變化后相應(yīng)采取的必要措施，統(tǒng)稱為預(yù)設(shè)措施。第（3）類措施不是每個(gè)工程都需要，只是在預(yù)設(shè)滲流調(diào)控措施出現(xiàn)失效跡象時(shí)，為遏制失效的進(jìn)一步發(fā)展而采取的應(yīng)急調(diào)控措施。所以，第（3）類措施的合理確定與及時(shí)有效實(shí)施，有賴于預(yù)設(shè)滲流調(diào)控措施失效跡象的早期判別。

3．3 滲流調(diào)控失效跡象

預(yù)設(shè)滲流調(diào)控措施失效跡象可以初步歸納如下：

（1）圍堰防滲體前后滲流場(chǎng)水力聯(lián)系緊密，表現(xiàn)為防滲體兩側(cè)測(cè)壓水位或者滲透壓力監(jiān)測(cè)值相近，對(duì)圍堰上游水位變動(dòng)反應(yīng)速度相近。

（2）圍堰下游坡面或者基坑開挖坡面出逸段突然升高，且可以排除圍堰上游水位變化、大氣降雨等的影響。

（3）基坑排水量突然增加，且可以排除圍堰上游水位變化、基坑挖深增加和施工用水回灌等因素的影響。

（4）基坑排水含沙量高，尤其是含沙量突然增加。

（5）堰體變形和周圍地面沉降測(cè)值出現(xiàn)快速變化，周圍出現(xiàn)水井和地表水體水位明顯下降、地面裂縫和塌陷、建筑物裂縫或傾斜等現(xiàn)象。

（6）周圍輸水、輸氣管道斷裂、泄露，通訊和輸電線路損壞等現(xiàn)象。

一旦出現(xiàn)上述跡象，必須及時(shí)研究采取合適的應(yīng)急調(diào)度或搶險(xiǎn)、補(bǔ)救措施，即應(yīng)急調(diào)控措施，防止圍堰和基坑安全狀態(tài)的進(jìn)一步惡化。

4 滲流調(diào)控措施

如上所述，有效的滲流調(diào)控必須做到時(shí)機(jī)恰當(dāng)和措施得當(dāng)，二者缺一不可。本節(jié)按照預(yù)設(shè)調(diào)控措施和應(yīng)急調(diào)控措施分類，有針對(duì)性地介紹圍堰和基坑滲流調(diào)控措施。

4．1 預(yù)設(shè)措施

預(yù)設(shè)調(diào)控措施包括工程設(shè)計(jì)中的滲流控制措施及其調(diào)度方案。與一般工程一樣，圍堰和基坑的滲流控制措施也包括防滲、排水和反濾3個(gè)大的方面，但具體內(nèi)容有其自身的特點(diǎn)。

4．1．1 防 滲

防滲措施包括堰體防滲和堰基防滲。

有條件的情況下，堰體可以設(shè)計(jì)為均質(zhì)土壩或者混凝土壩，自身就具有防滲功能。三峽工程縱向圍堰、三期圍堰都是碾壓混凝土圍堰。

平原地區(qū)的水利水電工程常常借用已有的堤防工程作為圍堰的一部分。例如，前面已經(jīng)提及的漢江興隆樞紐工程，以及南水北調(diào)中線引江濟(jì)漢進(jìn)口段工程。均質(zhì)黏土堤自身具有防滲功能。

大多數(shù)圍堰工程，尤其是西部高山峽谷地區(qū)的圍堰工程，可能是采用河床砂礫石料、崩塌堆積體、殘積土、巖石風(fēng)化料，或硐室等開挖棄料，或者專門爆破開采的碎石料填筑，需要專門設(shè)計(jì)防滲體才能起到擋水作用。防滲體可以是防滲斜墻或者防滲心墻。

由于施工條件的限制，水下填筑的堰體通常采用防滲墻方案，在堰體填筑到水面以上一定高程后作為施工平臺(tái)開始水上部分防滲體的施工。

水上部分的堰體可以設(shè)置斜墻或者心墻。材料可以采用黏土或者土工膜。斜墻或者心墻與下部防滲墻的有效銜接是確保圍堰運(yùn)行過程中防滲體完好的關(guān)鍵一環(huán)。

堰基防滲方案可以采用水平鋪蓋和垂直防滲2種。葛洲壩大江截流時(shí)，上游圍堰采用的是堰體、堰基聯(lián)合混凝土防滲墻方案。針對(duì)下游圍堰深入研究了黏土斜墻接水平鋪蓋及黏土斜墻接混凝土防滲墻方案，研究結(jié)果表明55m寬的鋪蓋就可以滿足基礎(chǔ)防滲的要求。下游圍堰實(shí)際施工的是寬體斜墻壩，其成功運(yùn)行也在一定程度上驗(yàn)證了鋪蓋方案的可行性［2－3］。

大多數(shù)圍堰基礎(chǔ)防滲采用的是垂直防滲方案。堰基防滲墻可以與堰體防滲墻聯(lián)合設(shè)計(jì)為一體，一次建造完成，從而減少防滲體的銜接，有利于提高工程的可靠性，也減少施工工序和成本。根據(jù)基礎(chǔ)防滲標(biāo)準(zhǔn)確定基巖垂直防滲體的底線。當(dāng)?shù)拙€較深，或者底線以上巖體較堅(jiān)硬，無法施工防滲墻時(shí)，常常針對(duì)基巖進(jìn)行帷幕灌漿，與上部防滲墻銜接形成整體。

水利水電工程垂直防滲的大多數(shù)施工方法［6］都可以用于圍堰及其基礎(chǔ)防滲墻的施工。只是由于第2節(jié)所述圍堰和基坑工程的特點(diǎn)決定了防滲墻可能會(huì)承受復(fù)雜應(yīng)力，也可能發(fā)生較大的變形，一般不適合采用薄墻方案。為了控制防滲墻的結(jié)構(gòu)變形，保障結(jié)構(gòu)安全，深入研究防滲墻材料和結(jié)構(gòu)形式是防滲墻合理設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)［5，7］。

4．1．2 排 水

圍堰防滲體下游側(cè)堰體選用透水性較強(qiáng)的材料，可以加強(qiáng)堰體的排水，降低堰體內(nèi)的自由面和下游坡的出逸段，提高堰體邊坡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；同時(shí)降低堰體和堰基的出逸比降，保障滲透穩(wěn)定。

基坑降水有明排和井排2種方式。明排適用于排水量不大、滲透穩(wěn)定性較好的基坑地層結(jié)構(gòu)和土性條件，或者以防滲為主要滲控措施，防滲體沿圍堰軸線形成圈體，并在深度方向?yàn)槿忾]結(jié)構(gòu)的基坑。

在有些地層結(jié)構(gòu)和土性條件下，開挖面容易發(fā)生滲透變形。如，粉細(xì)砂容易發(fā)生流土變形；級(jí)配不連續(xù)的砂礫石容易發(fā)生管涌變形；多層結(jié)構(gòu)覆蓋層中承壓含水層，在開挖削弱含水層頂板至一定程度后，可能發(fā)生抗浮穩(wěn)定問題，表現(xiàn)為基坑突涌。這些條件下，需要采用井排方案實(shí)行超前排水，使基坑開挖得以在干地施工。

由于現(xiàn)行工程概算制度的原因，水利工程基坑排水的費(fèi)用被籠統(tǒng)地歸為臨時(shí)工程費(fèi)用計(jì)列，這往往使得基坑排水費(fèi)用難以滿足純降水方案實(shí)施的需要，迫使工程設(shè)計(jì)和施工企業(yè)偏向于采用垂直防滲方案。漢江興隆樞紐工程基坑、南水北調(diào)中線穿黃隧洞豎井基坑、穿漳工程基坑都曾經(jīng)研究采用降水方案，但最后實(shí)施時(shí)都轉(zhuǎn)而采用了垂直防滲方案。南水北調(diào)中線補(bǔ)償工程——引江濟(jì)漢進(jìn)口段基坑工程設(shè)計(jì)階段對(duì)純降水方案進(jìn)行了深入研究，包括基坑總降水量、基坑降水井布置、不同施工階段降水井的調(diào)度運(yùn)用方案，并與垂直防滲方案進(jìn)行對(duì)比，說明了降水方案的可行性及其對(duì)比優(yōu)勢(shì)。工程各方人員經(jīng)過深入討論后最終選擇實(shí)施了純降水方案，在委托長(zhǎng)江科學(xué)院進(jìn)行第三方監(jiān)測(cè)、監(jiān)控后，通過靈活調(diào)度既保證了降水效果，又有效地控制了降水工程費(fèi)用。目前，該基坑工程已經(jīng)順利經(jīng)過一個(gè)汛期的考驗(yàn)，正在安全運(yùn)行，這是旁河超大型基坑采用純降水方案的一個(gè)成功實(shí)例，也在一定程度上促成了該工程出、口段基坑，以及其通航工程進(jìn)出口段基坑選擇并實(shí)施了純降水方案。

降水井是最利于實(shí)現(xiàn)調(diào)度的滲流調(diào)控措施。不僅通過已布置降水井的啟、停用，以及抽水量和水位降深的調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滲流場(chǎng)的調(diào)控，而且因?yàn)榻邓┕こ杀据^低、施工周期短、占用場(chǎng)地小、調(diào)度運(yùn)用便利，可以隨時(shí)增補(bǔ)降水井，完善降水井的布置，從而達(dá)到調(diào)控目的。隨著基坑開挖深度的增加，在基坑內(nèi)增補(bǔ)實(shí)施少量淺井就能達(dá)到良好的調(diào)控效果。

4．1．3 反 濾

圍堰的截流戧堤部分是通過拋投塊石、鋼架石籠，甚至預(yù)制混凝土四面體形成，往往存在架空現(xiàn)象和大孔隙。為了便于防滲墻的施工，其上游堰體需要采用控制最大粒徑的土料填筑。堰體與截流戧堤之間孔隙性和水力特性上存在明顯的差異，需要設(shè)置反濾區(qū)實(shí)現(xiàn)水力過渡，并對(duì)堰體起反濾保護(hù)作用。如果堰體采用黏土心墻或者斜墻防滲，更需要在其下游側(cè)設(shè)置反濾保護(hù)層。

當(dāng)堰體下游坡腳或基坑開挖坡有滲透水流出逸時(shí)，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置反濾防護(hù)層，可以防止?jié)B透變形，維護(hù)堰體和開挖坡的滲透穩(wěn)定。

當(dāng)采用明排方案進(jìn)行基坑排水時(shí)，需要對(duì)集水溝、井進(jìn)行適當(dāng)反濾，防止排水帶砂，引起地層的滲透變形。

當(dāng)采用井排方案進(jìn)行基坑排水時(shí)，需合理設(shè)計(jì)排水井結(jié)構(gòu)，通過有效的反濾防止排水帶砂和地層中土顆粒的大量流失。

4．2 應(yīng)急措施

當(dāng)預(yù)設(shè)調(diào)控措施出現(xiàn)第3節(jié)所述失效跡象時(shí)，必須及時(shí)采取應(yīng)急調(diào)控措施遏制其進(jìn)一步發(fā)展，維護(hù)圍堰和基坑工程的安全。

根據(jù)滲流調(diào)控失效跡象的不同，可采取的應(yīng)急調(diào)控措施包括：

（1）在確保排水井反濾結(jié)構(gòu)合理有效的前提下，加大排水井抽水流量，增加啟用排水井，甚至增設(shè)排水井，以更大的群井排水能力降低堰體和基坑坡面的出逸段、出逸比降，以及基坑底的出逸比降或者坑底弱透水層承受的水壓力。

（2）減少、甚至停止基坑明排排水，基坑水位上升后可以起到反壓作用，如果有管涌則必須參照堤防工程的管涌搶險(xiǎn)進(jìn)行處理，以應(yīng)對(duì)滲透變形引起的堰體、堰基和周圍地面不均勻沉降、塌陷現(xiàn)象。

（3）封堵反濾失效的排水井，新設(shè)嚴(yán)格執(zhí)行反濾結(jié)構(gòu)要求的排水井，以遏止降水井反濾結(jié)構(gòu)被擊穿而導(dǎo)致的滲透破壞。

（4）對(duì)堰體坡腳或基坑坡腳采用塊石、碎石或砂卵石回填進(jìn)行鎮(zhèn)腳防護(hù)，以擴(kuò)大堰體斷面，或改變坡比，或加強(qiáng)反濾，以應(yīng)對(duì)坡面出逸段突升、滲透破壞或者邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。

（5）通過灌漿修補(bǔ)防滲體，或者增設(shè)、延伸防滲墻。

（6）通過上游拋投土料，延伸或者加固防滲鋪蓋。

合理使用上述措施，可以在一定程度上遏制滲流調(diào)控失效后果的進(jìn)一步發(fā)展，在分析失效現(xiàn)象嚴(yán)重性基礎(chǔ)上，還可能要采取的其它措施包括：

（1）放緩基坑開挖進(jìn)度，甚至停止開挖。

（2）針對(duì)地面裂縫和塌陷，建筑物裂縫或傾斜，輸氣、輸電線路損壞等現(xiàn)象，按照相應(yīng)行業(yè)的要求及時(shí)采取加固、更換、拆除重建等措施。

（3）劃定工程和環(huán)境影響范圍，根據(jù)需要采取警戒或撤離措施，限制、甚至禁止人流、交通以及其它生產(chǎn)和社會(huì)活動(dòng)。

（4）加強(qiáng)圍堰和基坑滲流場(chǎng)及變形監(jiān)測(cè)，密切監(jiān)視基坑涌水量、水流渾濁情況，及時(shí)分析滲流調(diào)控效果及其發(fā)展趨勢(shì)，研究進(jìn)一步采取的處理措施。

在采取應(yīng)急措施取得預(yù)期效果后，重新恢復(fù)基坑開挖施工時(shí)必須加倍謹(jǐn)慎，嚴(yán)格控制基坑積水抽排的進(jìn)程，使基坑水位保持適度的緩慢下降，防止已有滲透破壞區(qū)域和已擾動(dòng)的土體再次發(fā)生滲透破壞和垮塌現(xiàn)象。同時(shí)，必須針對(duì)工程永久建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行補(bǔ)充勘探，分析地基擾動(dòng)程度和范圍，研究采取必要的地基處理措施。

4．3 工程實(shí)例

黃河干流某樞紐工程圍堰基礎(chǔ)采用懸掛式防滲墻方案，基坑完全采用明排方式排水，當(dāng)基坑開挖至泄水閘壩段要求的深度時(shí)，情況顯示正常；當(dāng)廠房壩段基坑繼續(xù)加深開挖到一定深度后，基坑涌水出現(xiàn)渾水，且渾水點(diǎn)不斷增多，范圍增加，廠房壩段開挖區(qū)及已開挖完工的泄水閘壩段尾水工程區(qū)出現(xiàn)多處塌陷坑，甚至右岸城市道路出現(xiàn)直徑約4 m、深約10 m的塌陷坑，道路被迫禁行，臨近的天然氣管道安全受到威脅，不得不停止基坑排水和廠房壩段基坑的開挖。

業(yè)主邀請(qǐng)有關(guān)專家研究對(duì)策，專家建議的應(yīng)急措施包括：立即對(duì)基坑內(nèi)的滲透破壞部位（管涌口）采用濾料回填等搶險(xiǎn)措施，回填城區(qū)道路塌陷坑，對(duì)塌陷坑附近的天然氣管道基礎(chǔ)進(jìn)行加固；對(duì)臨近廠房區(qū)壩肩及鄰近的城區(qū)，以及泄水閘和廠房壩段尾水工程區(qū)進(jìn)行勘探，查明隱伏塌陷區(qū)和土體擾動(dòng)區(qū)域，研究布置防滲墻和灌漿帷幕方案截?cái)酀B透破壞通道，布置灌漿方案充實(shí)土體塌陷和松動(dòng)區(qū)域，或者布置強(qiáng)夯、樁基方案加固地基；棄用基坑明排降水方案，研究布置降水井群，實(shí)施基坑開挖的超前排水，使基坑內(nèi)達(dá)到干地施工條件；為恢復(fù)基坑開挖施工，必須先行啟用降水井降水，然后在嚴(yán)格控制基坑水位降落速度條件下抽排基坑積水。

實(shí)施過程中仍然出現(xiàn)了基坑涌渾水的現(xiàn)象，其原因可能包括：管涌險(xiǎn)情處理不到位；群井降水不及時(shí)；基坑積水抽排過快。這一工程實(shí)例充分說明了滲流調(diào)控的重要性；如果預(yù)設(shè)措施失效，需要采取應(yīng)急措施時(shí)，代價(jià)會(huì)很大，但是只有及時(shí)、合理地采取應(yīng)急措施才能相對(duì)地減少工程建設(shè)投資和工期的損失，減少社會(huì)和環(huán)境影響，避免生命和財(cái)產(chǎn)損失。

5 結(jié) 語

（1）總結(jié)圍堰與大壩的差異體現(xiàn)在：圍堰的施工條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)不同于大壩，決定了圍堰具有不同的基礎(chǔ)條件、堰體結(jié)構(gòu)形式、適用材料和建筑質(zhì)量；基坑開挖是對(duì)圍堰運(yùn)行條件和滲流場(chǎng)邊界不斷改變的過程，決定了堰體和堰基的滲流場(chǎng)將經(jīng)歷更復(fù)雜的變化。

（2）圍堰和基坑的安全依賴于對(duì)滲流場(chǎng)及時(shí)、有效的調(diào)控，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜水文、氣象和施工過程帶來的考驗(yàn)，甚至及時(shí)遏制調(diào)控失效跡象的發(fā)展。

（3）滲流調(diào)控措施包括滲流控制措施及其調(diào)度方案（統(tǒng)稱預(yù)設(shè)措施），以及應(yīng)急調(diào)控措施。

（4）滲流場(chǎng)應(yīng)盡可能通過預(yù)設(shè)措施得到有效調(diào)控，一旦預(yù)設(shè)措施失效，應(yīng)急措施雖然有代價(jià)，但是非常必要，而且越及時(shí)越能避免更大的損失。

（5）與傳統(tǒng)滲流場(chǎng)控制理論相比，滲流場(chǎng)調(diào)控理論充分考慮了滲流場(chǎng)在各種因素影響下的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)。針對(duì)每個(gè)工程應(yīng)該制定具體的調(diào)控目標(biāo)，在工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的全過程中布置和實(shí)施及時(shí)、有效的調(diào)控措施，以達(dá)到保障工程安全、控制工期和成本、減輕環(huán)境負(fù)效應(yīng)的總體目標(biāo)。滲流場(chǎng)調(diào)控不僅對(duì)于基坑和圍堰工程，對(duì)于其它涉水工程及與地下水有關(guān)的工程都具有重要意義。

［1］ 鄭守仁，楊文俊．河道截流及在流水中筑壩技術(shù)［M］．武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社．2009．（ZHENG Shou-ren，YANGWen-jun．Technology of River Closure and Cofferdam Construction in Flowing Water［M］．Wuhan：Hubei Science and Technology Press，2009．（in Chinese））

［2］ 曹敦履．葛洲壩工程大江圍堰地基滲流控制［J］．水利學(xué)報(bào)，1988，（2）：49－55．（CAO Dun-lv．Control of Seepage Field in the Foundation Beneath Cofferdam of the Main Yangtze Stream for Gezhouba Project［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1988，（2）：49－55．（in Chinese））

［3］ 李思慎．葛州壩水利樞紐大江下游圍堰滲流研究的回顧與展望［J］．人民長(zhǎng)江，1986，（11）：37－42．（Li Sishen．Review and Prospects of the Studies on Seepage Field in the Downstream Cofferdam of the Main Yangtze Stream for Gezhouba Project［J］．Yangtze River，1986，（11）：37－42．（in Chinese））

［4］ 李思慎，吳昌瑜，任大春．三峽工程二期圍堰滲流問題研究［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，1997，（4）：66－69．（Li Si-shen，WU Chang-yu，REN Da-chun．Study on Seepage Problems of TGP’s Second Stage Cofferdams［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1997，（4）：66－69．（in Chinese））

［5］ 張家發(fā)，李少龍，潘家軍，等．深厚覆蓋層上土石圍堰滲流控制體系及結(jié)構(gòu)安全研究［J］，長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2011，（10）：122－126．（ZHANG Jia-fa，LI Shao-long，PAN Jia-jun，etal．Seepage Control System and Structure Safety of Rockfill Cofferdam on Thick Overburden［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，（10）：122－126．（in Chinese））

［6］ 張家發(fā)，李思慎，王文新．長(zhǎng)江重要堤防垂直防滲工程［J］．人民長(zhǎng)江，2002，（8）：37－39．（ZHANG Jia-fa，LI Si-shen，WANG Man-xing．Vertical Seepage Control Works of Important Dykes along the Yangtze River［J］．Yangtze River，2002，（8）：37－39．（in Chinese））

［7］ 包承綱．二期圍堰若干關(guān)鍵技術(shù)問題的解決［J］．中國(guó)三峽建設(shè)，1999，（5）：32－36，39．（BAO Chenggang．Tackling Key Technology Issues in Stage IICofferdam Construction［J］．China Three Gorges Construction，1999，（5）：32－36，39．（in Chinese））

［8］ 定培中，肖 利，李 威，等．深厚透水性地層中大型深基坑降水方案設(shè)計(jì)探討［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012，（2）：46－50．（DING Pei-zhong，XIAO Li，LI Wei，et al．Design of Dewatering System for Deep Excavation Pit in Thick Permeable Strata［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2012，（2）：46－50．（in Chinese） ）

（編輯：姜小蘭）

Seepage Field Regulation for Rockfill Cofferdam and Foundation Pit

ZHANG Jia-fa1，2，LIN Shui-sheng1，2，WU De-xu2，3，ZHANGWei1，2，LIShao-long1，2
（1．Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．National Research Center for Dam Safety Technology，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；3．Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan 430010，China）

The characteristics of cofferdam and foundation pitwere analyzed．On this basis，the concept of seepage field regulation was put forward for cofferdam and foundation pit．The regulation aims at safety，construction period and cost control，aswell as environment protection．It is emphasized that the efficiency can only be guaranteed by adequate and proper regulation measures at the rightmoment．The regulation measures were classified as preinstalled and urgent ones according to the time to take．Pertinent regulationmeasures and application conditionswere presented．Furthermore，the importance of urgentmeasureswhen preinstalled measures failed was illustrated by an engineering example．The dynamic characteristics of seepage field corresponding tomany factorswere taken account into the seepage field regulation theory．With this theory，prompt and effective regulation measures would be arranged and fulfilled in the whole process through work planning，construction and operation to achieve aims inclusive of guaranteeing engineering safety，controlling construction period and cost，and mitigating negative effects on environment．Seepage field regulation theory is significant for all engineering involving surface and subsurface water．

cofferdam；foundation pit；seepage field；regulation；safety

TV551

A

1001－5485（2013）02－0020－07

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．005

2012－07－27；

2012－09－04

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃（2011BAB10B04）

張家發(fā)（1960－），男，安徽安慶人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事巖土工程和水工滲流研究，（電話）027－82820029（電子信箱）seep＠public．wh．hb．cn。