多元結(jié)構(gòu)地基抬田工程技術(shù)參數(shù)研究

趙英華，劉波

（萊蕪市雪野水庫(kù)管理處，山東　萊蕪　271100）

多元結(jié)構(gòu)地基抬田工程技術(shù)參數(shù)研究

趙英華，劉波

（萊蕪市雪野水庫(kù)管理處，山東萊蕪271100）

以山東萊蕪雪野水庫(kù)增容工程抬田施工設(shè)計(jì)為例，通過(guò)滲流模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有限元計(jì)算模擬，分析淹沒(méi)區(qū)多元地基結(jié)構(gòu)在不同滲流條件下的滲流情況與負(fù)壓水頭勢(shì)變化規(guī)律，確定最有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)的土層指標(biāo)參數(shù)，指導(dǎo)后期淹沒(méi)區(qū)抬田工程施工設(shè)計(jì)。

抬田工程；多元結(jié)構(gòu)地基；滲流；水勢(shì)變化規(guī)律

雪野水庫(kù)位于萊蕪市萊城區(qū)以北30 km，水庫(kù)控制流域面積444 km2，總庫(kù)容19 977萬(wàn)m3，為保障庫(kù)區(qū)人民生活與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，設(shè)計(jì)對(duì)雪野水庫(kù)進(jìn)行增容，而水庫(kù)增容擴(kuò)效勢(shì)必對(duì)庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)造成影響，工程設(shè)計(jì)對(duì)西抬頭村、通天河、花峪河等淹沒(méi)區(qū)范圍內(nèi)農(nóng)田進(jìn)行抬高，并對(duì)相關(guān)道路、邊坡等進(jìn)行改造。

1　模型建立與參數(shù)設(shè)定

1.1物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/p>

多元地基結(jié)構(gòu)通常包含四個(gè)部分，由下至上依次為墊高層、防滲層、犁底層以及耕作層，各個(gè)土料性質(zhì)參數(shù)存在差異性。以山東省雪野水庫(kù)庫(kù)區(qū)土料實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)為根據(jù)，結(jié)合西抬頭村抬田工程施工設(shè)計(jì)方案，建立淹沒(méi)區(qū)地基土物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?shí)驗(yàn)?zāi)M工況主要為自由排滲與穩(wěn)定滲流情況，穩(wěn)定滲流過(guò)程可通過(guò)模型頂部加適量水實(shí)現(xiàn)，頂部加水厚度控制在2～5 cm，并對(duì)耕作層進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃蓜?dòng)。

1.2物理實(shí)驗(yàn)參數(shù)

水庫(kù)擴(kuò)容影響區(qū)的抬田施工時(shí)，首先將抬田影響區(qū)40 cm表層土剝離臨時(shí)堆放，再將取土區(qū)其他土料運(yùn)至抬田區(qū)，最后將表層土回填至抬田區(qū)表層并整平。因此，根據(jù)施工設(shè)計(jì)方案對(duì)不同地層結(jié)構(gòu)土樣進(jìn)行取樣測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容主要包括顆粒級(jí)配、最大干密度、最優(yōu)含水量、不同擊實(shí)度下土層的飽和滲透性。結(jié)合實(shí)際施工情況，設(shè)定擊實(shí)度為三種情況，其分別為0.88、0.90和0.92。由于防滲層對(duì)整個(gè)地基結(jié)構(gòu)滲流起關(guān)鍵作用，按照相關(guān)規(guī)定，實(shí)驗(yàn)所采用防滲層土料顆粒中小于0.1 mm顆粒不低于10%。實(shí)驗(yàn)測(cè)得各地基結(jié)構(gòu)土料物理參數(shù)如表1所示。

表1　土料物理參數(shù)測(cè)試結(jié)果

2　自然排滲條件下地基土層滲流特性

2.1滲流量情況

抬田結(jié)構(gòu)初期滲流量較大，平均滲流量在27 mm/d，但其在較短的時(shí)間內(nèi)（約3 d）就降低至一較低的水平；此后為抬田結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定滲流期間，穩(wěn)定滲流期間每天滲流量在3.5 mm/d。穩(wěn)定滲流期間耕作層土料滲流變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，且水分逐漸下滲至防滲層中上部，未穿過(guò)防滲結(jié)構(gòu)層，這表明防滲層參數(shù)設(shè)定較為合理。

2.2土壤負(fù)壓水頭勢(shì)隨時(shí)間變化情況

利用滲流水勢(shì)觀測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)圖樣水頭勢(shì)隨時(shí)間變化情況，其結(jié)果如圖1所示。分析各個(gè)位置的水頭勢(shì)變化規(guī)律可知，安裝在防滲層中上部的#1、#2和#3測(cè)點(diǎn)在整個(gè)過(guò)程中未出現(xiàn)負(fù)壓的情況，且其水頭勢(shì)數(shù)值與0十分接近；安設(shè)在墊高層的#5測(cè)點(diǎn)負(fù)壓水頭勢(shì)變化歷經(jīng)增長(zhǎng)-降低的過(guò)程，水頭勢(shì)增長(zhǎng)幅度（4 kPa）與增長(zhǎng)用時(shí)（50 d）較小，整體變化仍以逐漸降低；防滲層中下部#4測(cè)點(diǎn)水頭勢(shì)一直小于#5測(cè)點(diǎn)，表明中下部土料滲流狀態(tài)為非飽和狀態(tài)，隨時(shí)間變化，負(fù)壓水頭勢(shì)逐漸降低，而飽和度在逐漸增加，這亦表明防滲層的防隔水效果比較優(yōu)異。而在模型滲流穩(wěn)定之后，降低防滲層厚度，發(fā)現(xiàn)其滲流量變化幅度非常有限，工程實(shí)踐中可適當(dāng)縮減施工防滲層厚度，以降低施工難度與工程施工成本。

圖1　水頭勢(shì)隨時(shí)間變化曲線

2.3土壤負(fù)壓水頭勢(shì)隨深度變化情況

以5 d作為土壤負(fù)壓水頭勢(shì)隨深度變化的監(jiān)測(cè)周期，得到其變化過(guò)程曲線。分析其變化過(guò)程可知，抬田地基結(jié)構(gòu)在豎直面上的水頭勢(shì)存在明顯的差別，并以防滲層作為分界面，其上犁底層、耕作層土料負(fù)壓水頭勢(shì)與埋深呈負(fù)相關(guān)性；而其下部分則隨埋深增加，負(fù)壓水頭勢(shì)逐漸增加，飽和度則逐漸降低。由觀測(cè)周期內(nèi)不同深度土層水頭勢(shì)變化速率可知，其在20 d之后曲線變得較為平緩，負(fù)壓水頭勢(shì)整體保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間，這可直接反映結(jié)構(gòu)土層的滲流狀態(tài)為飽和滲透。

綜上分析得知，在當(dāng)前設(shè)計(jì)抬田工程施工參數(shù)條件下，地基土料在自由排流情況下滲流特性可歸述為以下幾個(gè)方面：一是模型初期滲流量較大，初期平均滲透量約在18～35 mm/d，而其經(jīng)過(guò)較短時(shí)間（約3 d）就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這與工程實(shí)際情況較為吻合；二是較為理想的防滲層厚度為30～50 cm，而當(dāng)防滲層厚度40 cm、滲透系數(shù)1×10-6cm/s時(shí)，抬田地基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定滲流量不超過(guò)2 mm/d，工程實(shí)際中可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)縮減防滲層厚度；三是防滲層兩側(cè)滲流水頭勢(shì)有明顯的區(qū)別，其中上部為飽和滲流，中下部水頭隨埋深增大逐漸降低。

3　地下水頂托作用下地基結(jié)構(gòu)滲流特性

在模型底部連接加壓水管，并保持底部水頭的穩(wěn)定，加壓水面線應(yīng)接近防滲層中部位置，觀測(cè)抬田結(jié)構(gòu)滲流量與負(fù)壓水頭勢(shì)情況。分析地下水頂托作用下模型滲流量情況可知，抬田結(jié)構(gòu)滲流仍較為穩(wěn)定，較自然排流工況雖有些許不同，但整體滲流量變化基本相似。這表明，地下水頂托作用對(duì)抬田結(jié)構(gòu)的滲流量影響微乎其微。

而由此階段抬田結(jié)構(gòu)負(fù)壓水頭勢(shì)變化情況得到，地下水位較低時(shí)，墊高層土料滲流為非飽和狀態(tài)。隨地下水位的增高，防滲層受到滲流產(chǎn)生的頂托作用，負(fù)壓水頭勢(shì)在2～3 d時(shí)間內(nèi)下降達(dá)12 kPa。后期墊高層與防滲層下部結(jié)構(gòu)滲流狀態(tài)發(fā)生變化，由非飽和轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，且防滲層下部承壓水頭高度為20～30 cm；與此同時(shí)，地下水位升高的過(guò)程中，防滲層上部與耕作層土料負(fù)壓變化非常微弱，可視作其受地下水頂托作用十分有限。綜合地下水頂托作用下抬田結(jié)構(gòu)滲流特性可知，工程設(shè)計(jì)較為理想的防滲層厚度為30～40 cm，仍可滿(mǎn)足水庫(kù)增容造成的頂托防滲目的。

4　結(jié)語(yǔ)

抬田工程施工設(shè)計(jì)方案成敗的關(guān)鍵因素在于防滲層的處理，對(duì)于雪野水庫(kù)淹沒(méi)區(qū)多元結(jié)構(gòu)地基而言，抬田工程防滲層顆粒級(jí)配中粒徑小于0.1 mm顆粒不應(yīng)小于10%，穩(wěn)定滲透系數(shù)需在5×10-6cm/s以?xún)?nèi)。結(jié)合抬田地基滲流特性分析得出，防滲層防滲效果良好，滿(mǎn)足水庫(kù)擴(kuò)容造成排滲要求，但可適當(dāng)縮減防滲層厚度（30～40 cm），以保障地表農(nóng)作物正常生長(zhǎng)。

［1］喻躍平.水利工程中抬田施工技術(shù)應(yīng)用［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2014，06：76-78.

［2］萬(wàn)迪文，劉祖斌.峽江水利樞紐抬田工程技術(shù)研究方法探析［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2012，03：28-30.

［3］張家發(fā).三維飽和非飽和穩(wěn)定非穩(wěn)定滲流場(chǎng)的有限元模擬［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，1997，03：36-39.

（責(zé)任編輯趙其芬）

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2016-02-13

趙英華（1981—），女，工程師