印江生態(tài)壩軟基處理措施初探

王永立，袁麗娜，李應(yīng)周

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

印江縣城東郊生態(tài)壩工程位于貴州省印江土家族苗族自治縣境內(nèi)印江河上，工程的主要任務(wù)是改善生態(tài)和人文環(huán)境，通過修建生態(tài)壩，抬高水位，形成較寬深的水面，與兩岸人居環(huán)境形成“水清、岸綠、景美”的人文景觀，從而提高生活品質(zhì)和城市品位。工程等別為工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模屬于小(1)型，工程樞紐分為氣盾壩壩段和水位調(diào)節(jié)閘門壩段，生態(tài)壩壩軸線總長79 m，設(shè)置7扇氣盾壩和1扇泄流閘門。

2 壩址地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

印江縣城東郊生態(tài)壩壩址位于印江河二中河段上，距上游東環(huán)橋約1 km，距下游北環(huán)橋約0.45 km。壩址區(qū)為河流階地地貌，主要受印江河的侵蝕、堆積作用的控制。古河床較寬緩，兩岸修建防洪堤后河床寬約75 m，河床高程458.0 m～459.0 m，河流流向N60°W。枯水期見河漫灘出露，平水期河水位458.5 m，水深0.5 m～1.0 m。壩址左岸堤岸約10 m處為印江二中教學(xué)樓，右岸堤岸旁為居民住房。

2.2 地層巖性

壩區(qū)地層主要有第四系及志留系中上統(tǒng)韓家店群(S2-3hn)，現(xiàn)由新至老分述如下：

1)第四系(Q)

①耕植土(Qpd)：黑色、灰黑色，是紅粘土經(jīng)長時間人工改良而成，含植物根莖和有機(jī)質(zhì)，結(jié)構(gòu)較松散。厚度0～1.0 m，主要分布于兩岸綠化帶及農(nóng)田。

②人工堆積(Qr)：為人工雜填土堆積而成，來源于人工開挖房屋基礎(chǔ)的棄土，其主要成分為砂質(zhì)粘土、黃色粘土，結(jié)構(gòu)松散。厚度0～3 m，分布在沿河兩岸局部位置。

③沖洪積層(Qal+dl)：主要分布在河床及岸邊，據(jù)鉆孔揭露，上部為卵石及少量漂石，少見砂礫石，厚度1.0 m～1.4 m，母巖成分主要為灰?guī)r及砂泥巖，最大粒徑約40 cm，結(jié)構(gòu)松散。中部為砂礫石夾卵石及少量漂石，厚度4.2 m～6.6 m，主要成分為灰?guī)r及砂泥巖，一般粒徑2 mm～30 mm，粒徑>20 mm的顆粒約占70%，呈中密狀，孔隙比為0.55。底部為砂礫石與薄層灰綠色淤泥質(zhì)粘土互層，厚度0.5 m～1.0 m，結(jié)構(gòu)緊密，孔隙比為0.53。

2)志留系(S)

中上統(tǒng)韓家店群(S2-3hn)：頂部為紫紅色泥巖夾黃綠色砂巖及頁巖；上部為雜色頁巖夾扁豆?fàn)罨規(guī)r；中部為紫紅色頁巖、泥巖夾薄層含磷細(xì)砂巖及黃綠色頁巖；下部為黃綠、灰綠色頁巖、泥巖夾粉砂巖。為工程區(qū)主要地層，厚度大于500 m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震

根據(jù)《中國區(qū)域地質(zhì)志(貴州志)》(2017年版)，測區(qū)位于上揚(yáng)子地塊(Ⅳ-4-1)黔北隆起區(qū)(Ⅳ-4-1-3)鳳岡南北向隔槽式褶皺變形區(qū)(Ⅳ-4-1-3(3))東緣山頭蓋斷裂背斜南端近軸部，區(qū)域構(gòu)造相對抬升，無活動斷裂通過。

2.4 水文地質(zhì)條件

壩區(qū)下伏地層為志留系中上統(tǒng)韓家店群的泥巖，屬隔水層，地下水類型為基巖裂隙水，水量貧乏，弱風(fēng)化帶及以下巖體節(jié)理裂隙多呈閉合狀，富水性較差。壩址區(qū)分布的沖洪積砂卵礫石層粒徑以5 cm～20 cm為主，極少量粒徑可達(dá)60 cm，呈松散至稍密狀態(tài)屬強(qiáng)透水層，由大氣降雨和徑流補(bǔ)給，隨季節(jié)變化大。

2.5 巖土物理力學(xué)參數(shù)

巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表

開挖坡比建議值：粘土夾碎石1∶1～1∶1.25，河床砂卵礫石1∶1.25～1∶1.5；強(qiáng)風(fēng)化泥巖1∶0.75～1∶1。

3 主要設(shè)計參數(shù)

氣盾壩分為下部固定壩和上部氣盾壩，固定壩為寬頂堰型式，為C25鋼筋砼澆筑，順河向?qū)?2 m，底部高程456.000 m，上游頂部高程459.000 m，下游頂部高程458.503 m。上部氣盾壩總共設(shè)置7扇，每扇長10 m，總長70 m，壩高3.7 m，上游最大水深3.4 m，氣盾壩主要由鋼閘門(鋼結(jié)構(gòu)的盾形門板和框架結(jié)構(gòu)等)、高分子材料的氣袋、埋件、空壓系統(tǒng)和閘門控制系統(tǒng)等組成，利用空氣壓縮的原理，通過氣袋的充氣與排氣，使閘門升起和倒伏。

4 壩址主要工程地質(zhì)問題

壩址區(qū)為河流階地地貌，主要受印江河的侵蝕、堆積作用的控制，壩區(qū)地層主要有第四系及志留系中上統(tǒng)韓家店群(S2-3hn)，壩線處河床砂卵石層厚7 m～9 m，呈松散至密實狀態(tài)，屬于強(qiáng)透水層，且強(qiáng)度較弱，下伏基巖為韓家店群的薄層泥巖，垂直強(qiáng)風(fēng)化層厚2 m～3 m，屬軟質(zhì)巖類，透水性差，強(qiáng)度較砂卵石層高。

壩址主要工程地質(zhì)問題為：

(1)砂卵礫石地基存在沉降變形問題；

(2)壩基及兩岸滲漏問題。

5 壩基及防滲處理

結(jié)合勘察地質(zhì)鉆孔資料，砂卵礫石層，屬于強(qiáng)透水層，沉降變形較大，不易處理，且容易受上部荷載影響而變形，對生態(tài)壩的正常運(yùn)行影響較大。經(jīng)計算，如果不對砂卵層基礎(chǔ)進(jìn)行處理，其總沉降值S=aσh/(1+ε1)=12.48 cm，將導(dǎo)致上部氣盾壩機(jī)件咬合不嚴(yán)密而發(fā)生漏水。針對生態(tài)壩滲漏和沉降問題，下部固定壩基礎(chǔ)考慮以下三種方案進(jìn)行綜合比較：①方案一，樁基方案；②方案二，基巖持力層方案；③方案三，中密砂卵礫石持力層方案。

樁基方案的基礎(chǔ)處理采用機(jī)械旋挖成孔灌注樁和防滲帷幕，無上游鋪蓋及下游護(hù)坦，河床開挖至中密砂卵礫石層高程456.00 m，固定壩高程456 m以下為樁基礎(chǔ)型式，樁直徑為1.2 m，間排距5 m，氣盾壩壩段灌注樁28根，采用C30混凝土，樁頂高程為456.000 m，樁底部伸入弱風(fēng)化基巖1 m?；趦砂冬F(xiàn)狀房屋分布情況，重點對左岸學(xué)校及集中居民樓進(jìn)行防滲處理，防滲帷幕可分為壩身防滲帷幕、左岸防滲帷幕、右岸防滲帷幕3段，防滲下限帷幕深入基巖3 m，透水率以小于10 Lu控制，帷幕線總長334 m，有效防滲總面積為3547.9 m2，單排布置，孔距為2 m，灌漿孔最大深度約15.6 m。壩身防滲帷幕沿壩軸線布置，長96 m，伸入基巖3 m，有效進(jìn)尺478 m，無效進(jìn)尺136 m，有效防滲面積為832 m2；左岸防滲帷幕和壩身段左岸相接，并沿防洪堤人行道向上游延伸108 m，將左岸“水岸一號”居民樓護(hù)住，之后以方位角7.9°延伸79.65 m，防滲端點接殘坡積粘土相對隔水層，左岸帷幕總長187.65 m，防滲下線深入基巖3 m，有效進(jìn)尺1182 m，無效進(jìn)尺264 m，有效防滲面積為2025.6 m2；右岸防滲帷幕和壩身段右岸相接，并沿人行道向上游延伸50 m，右岸帷幕總長50 m，有效進(jìn)尺397 m，無效進(jìn)尺155 m，有效防滲面積為690.3 m2。樁基方案橫剖面見圖1。

基巖持力層方案的基礎(chǔ)處理為開挖至強(qiáng)風(fēng)化層，無上游鋪蓋及下游護(hù)坦，河床開挖至高程為450.5 m，壩基為韓家店群的薄層泥巖強(qiáng)風(fēng)化層。在壩軸線處帷幕灌漿兼固結(jié)灌漿，帷幕灌漿底部高程為447.967 m；帷幕灌漿之后在固定壩下游有兩排固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿間排距3 m，深3 m，呈梅花形分布。壩身防滲帷幕沿壩軸線布置，長96 m，伸入基巖3 m，有效進(jìn)尺302 m，無效進(jìn)尺91 m，有效防滲面積為424.2 m2，兩岸帷幕布置和樁基方案相同。基巖持力層方案橫剖面見圖2。

圖2 基巖持力層方案橫剖面圖

河床開挖至中密砂卵礫石層高程456.00 m，固定壩高程456.0 m以上為C25鋼筋砼澆筑，高程456.0 m以下為厚0.5 m的C15混凝土墊層。壩基高程為455.5 m，壩基為中密砂卵礫石層，整個壩基段需進(jìn)行固結(jié)灌漿，間排距2 m，深8 m，呈梅花形分布。壩身段在壩軸線設(shè)置一排主帷幕灌漿，下游2 m設(shè)置一排副帷幕灌漿，帷幕灌漿底部高程為447.967 m，兩岸帷幕布置和樁基方案相同。固上游C25鋼筋砼鋪蓋長8 m，厚1 m，底部有厚0.5 m的C15混凝土墊層，設(shè)置孔經(jīng)為50 mm的排水孔，間排距2 m，梅花形分布，下游C25鋼筋砼護(hù)坦長10 m，厚1 m，底部有厚0.5 m的C15混凝土墊層，設(shè)置孔經(jīng)為50 mm的排水孔，間排距2 m，梅花形分布。中密砂卵礫石持力層方案橫剖面見圖3。

圖3 中密砂卵礫石持力層方案橫剖面圖

以上三種基礎(chǔ)處理方案，地形條件、地質(zhì)條件相當(dāng)，環(huán)境保護(hù)設(shè)計和水土保持設(shè)計及其投資并無明顯差異，主要從施工、施工期安全及工程投資等方面進(jìn)行綜合比較。具體比較內(nèi)容見表2。

表2 基礎(chǔ)處理方案比較表

綜上所述，樁基方案在工程技術(shù)上優(yōu)，同時工程投資較少，因此推薦樁基方案作為生態(tài)壩基礎(chǔ)處理方案。

6 結(jié)論

通過對該工程基礎(chǔ)處理方式的比選，選擇合理的基礎(chǔ)處理方式，有效增強(qiáng)了基礎(chǔ)的抗變形能力，解決了壩基及兩岸的滲漏問題，為該工程在日后正常工作環(huán)境下的安全運(yùn)行提供有力技術(shù)保證，也能為同類工程提供借鑒作用。