壩基防滲帷幕設(shè)計(jì)及滲漏分析

張雙龍（博樂農(nóng)五師全新勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，新疆博樂833400）

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壩基防滲帷幕設(shè)計(jì)及滲漏分析

張雙龍
（博樂農(nóng)五師全新勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，新疆博樂833400）

灌漿技術(shù)具有施工便捷、安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在水利工程領(lǐng)域。防滲帷幕通過凝結(jié)顆粒填充巖土間的孔隙提升壩基防滲能力。本文結(jié)合工程復(fù)雜的地質(zhì)情況，首先分析了壩基出現(xiàn)滲漏的原因，隨后通過前期防滲帷幕設(shè)計(jì)進(jìn)行壩基防滲處理，最后對(duì)前期灌漿后的壩基進(jìn)行滲漏分析。研究表明：前期灌漿帷幕設(shè)計(jì)可有效地降低滲漏量，但是透水率仍偏高，需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理。

壩基防滲；前期灌漿；帷幕；補(bǔ)強(qiáng)灌漿

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.037

1 工程地質(zhì)概況

本文研究的水庫壩址區(qū)位于天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地勢(shì)南高北低，自然坡降為5‰～8‰。巖性為第四系沖積堆積卵礫石層，以圓礫為主，層頂高程538.58～545.22m?？纤雇咛匾员敝良t山嘴出山口的低山丘陵區(qū)為地下水徑流區(qū)，該區(qū)內(nèi)地下水與地表水互相補(bǔ)給，地下水類型由單一的基巖裂隙水轉(zhuǎn)化為孔隙、裂隙水共存。裂隙水以下降泉的形式排泄至瑪河，形成第四系孔隙潛水，由于含水介質(zhì)滲透性較好，因而徑流、排泄條件也較好。含水層介質(zhì)為透水性較好的卵石、礫石，地下水埋深由南向北隨地面高程的降低而逐漸變淺。圓礫層磨圓度較好，多呈次圓狀，分選性差，母巖成分主要為硬質(zhì)巖石。該層天然密度2.01～2.10g/cm3，天然含水量3.2%～3.6%，不均勻系數(shù)32.25～108.4，曲率系數(shù)0.157～1.574，滲透系數(shù)為5.5× 10_2～7×10_2cm/s，重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)為5～9擊，埋深大于6m，承載力標(biāo)準(zhǔn)值280kPa。

水庫壩址區(qū)年平均流量1.23m3/s，來流含沙量為0.32kg/m3，水庫總庫容量為2540萬m3。該水庫由大壩、輸水隧洞、溢洪道組成，防洪等級(jí)按照50年一遇設(shè)計(jì)、洪水校核按照P=0.1%進(jìn)行。該大壩采用粘土心墻，其壩基位于一條巖體破碎程度很大的卸荷帶上。大壩軸線貫穿左右兩岸的侵入巖和砂巖，壩址處的河谷呈“V”字型。大壩左岸地形坡度較緩，中上部基巖裸露，壩基為長(zhǎng)期風(fēng)化的閃長(zhǎng)玢巖，該側(cè)存在較大的裂隙，很難進(jìn)行開挖施工。卸荷帶巖體節(jié)理大多張開，少量還夾雜著淤泥和鐵銹，節(jié)理走向?yàn)镹5°W～N5°E。壩址區(qū)共有斷層9條，大多為順流方向，傾角在45°～80°。

2 基于遺傳算法的灌漿設(shè)計(jì)

遺傳算法是一種模擬自然界進(jìn)化過程的優(yōu)化算法，隨著人工智能算法的進(jìn)步，遺傳算法開始應(yīng)用于工程、控制、經(jīng)濟(jì)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。遺傳算法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）不直接使用變量進(jìn)行搜索，使用變量的編碼；

（2）搜索中從一組解進(jìn)行迭代，減少了局部最優(yōu)解的出現(xiàn)概率；

（3）整個(gè)搜索過程是隨機(jī)的；

（4）對(duì)空間的連通性沒有要求，只需要計(jì)算目標(biāo)函數(shù)。

遺傳算法編碼精度：

解碼公式：

其中：Umax為最大值；Umin為最小值；l為編碼串長(zhǎng)度；

求解目標(biāo)函數(shù)最大值的表達(dá)式為：

其中：Cmin為群體方差的函數(shù)。

傳統(tǒng)的帷幕灌漿設(shè)計(jì)一般參考半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行，但是這樣只能得出一個(gè)較好的設(shè)計(jì)方案，而不是最好的設(shè)計(jì)方案。因此，將帷幕灌漿造價(jià)定為最優(yōu)函數(shù)，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。由于帷幕灌漿的目的是為了減少滲漏量，降低滲透壓力，在保證水力梯度的基礎(chǔ)上，以滲漏量和滲透壓力為約束條件進(jìn)行建模。

帷幕灌漿設(shè)計(jì)優(yōu)化模型為：

約束條件：

其中：P為帷幕灌漿工程造價(jià)；tc為帷幕灌漿厚度；hc為深度；kc為滲透系數(shù)；Q為總滲透量；F為總滲透壓力；G為壩基最大水力梯度。

帷幕灌漿設(shè)計(jì)流程圖見圖1。

圖1 帷幕灌漿設(shè)計(jì)流程圖

2007～2013年的注水試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）右岸ZK03、右岸ZK09、左岸ZK003處孔深12m以上的巖體屬于極強(qiáng)-強(qiáng)透水層，孔深12～38m的巖體屬于中透水層，38m以下屬于弱透水層；

（2）河床ZK2處孔深14.5m以上的巖體屬于強(qiáng)透水層，孔深14.5～30m的巖體屬于弱透水層；

（3）左岸ZK001、右岸ZK01處孔深13m以上的巖體屬于極強(qiáng)-強(qiáng)透水層，孔深13～40m的巖體屬于中透水層，40m以下屬于弱透水層；

從試驗(yàn)結(jié)果看，不同深度下透水率均大于3Lu，尤其是左岸ZK003的9.45～14.55m段的透水率竟達(dá)13.9Lu，與設(shè)計(jì)規(guī)范要求相差較大。透水率小于5Lu的隔水層埋藏深度在25～70m。由于壩址區(qū)山坡坡度較大，不利于設(shè)備施工，需要在右岸山體開挖2m×3m灌漿平洞，右岸帷幕向山體方向移動(dòng)46m，深度約為25m。根據(jù)遺傳算法結(jié)果，前期帷幕灌漿分為3個(gè)序孔，施工中的灌漿壓力隨灌漿位置、灌漿孔序變化，將前期帷幕灌漿工作量列于表1。

表1 前期帷幕灌漿工作量

3 灌漿后滲漏分析

對(duì)壩基進(jìn)行前期灌漿處理后，需要對(duì)施工后的滲漏量進(jìn)行校核，校核仍采用鉆孔壓水實(shí)驗(yàn)法和注水實(shí)驗(yàn)法，校核試驗(yàn)共布置了29個(gè)校核監(jiān)測(cè)孔。其中，檢測(cè)孔JK1、JK2為早期帷幕灌漿測(cè)量孔，JK8為補(bǔ)充檢測(cè)孔，其余均為壩基帷幕校核孔。從試驗(yàn)結(jié)果看，鉆孔巖芯獲取率僅為20%～60%，且取出的巖石大多為張開狀，存在明顯縫隙發(fā)育。甚至有些處于卸荷帶的校核孔巖芯取樣率低于20%。

研究表明：JK2和JK3的取樣效果較好，巖芯呈現(xiàn)出弱透水性，但透水率小于3Lu的部分位于壩頂以下75.4～82.1m處。JK4巖芯的透水性較強(qiáng)，大部分區(qū)段的透水率在10Lu以上，說明前期防滲灌漿僅對(duì)部分區(qū)域起作用。表2列出了JK4巖芯不同深度的透水率情況。

表2 JK4巖芯不同深度的透水率情況

雖然經(jīng)過前期防滲處理后，壩基滲水有一定好轉(zhuǎn)。但是從表2中的數(shù)據(jù)看，大部分區(qū)段的透水率均仍大于10Lu。針對(duì)這個(gè)問題，需要在壩基前期灌漿的基礎(chǔ)上對(duì)滲透帶進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿，這個(gè)問題也是今后的研究方向。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，水利工程對(duì)灌漿技術(shù)的要求不斷提高。灌漿技術(shù)十分注意技術(shù)總結(jié)和理論研究，但是灌漿理論往往滯后于施工經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合工程復(fù)雜的地質(zhì)情況，首先分析了壩基出現(xiàn)滲漏的原因，隨后通過前期防滲帷幕設(shè)計(jì)進(jìn)行壩基防滲處理，最后對(duì)前期灌漿后的壩基進(jìn)行滲漏分析。研究表明：前期灌漿帷幕設(shè)計(jì)可有效的降低滲漏量，但是透水率仍偏高，需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理。

［1］李剛，李軍，楊開華.某土石壩帷幕灌漿滲流監(jiān)測(cè)成果分析［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012（05）：86-89.

［2］楊良權(quán)，李波，雷安平，樊艷云，高煥芝，魏定勇.南水北調(diào)大寧調(diào)蓄水庫帷幕灌漿試驗(yàn)與分析［J］.水利水電技術(shù)，2013 （01）：73-78.

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2015-06-22

張雙龍（1984年—），男，工程師。