大沙河壅水建筑物防滲對策淺析

李朝方

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518036)

1 概述

大沙河發(fā)源于羊臺山，縱貫深圳市南山區(qū)，流域面積約90km2，干流長13.7km，上游分左右兩條支流，分別建有西麗水庫和長嶺陂水庫，下游匯入深圳灣。

深圳大學(xué)城即位于大沙河中上游段、長嶺陂水庫溢洪道下游、西麗水庫溢洪道匯入口上游。該河段主河床狹窄，迂回曲折，上段為山前階段、中段平坦、下段多為沖積一級階地；地層以沖洪積地層為主，次為山前殘坡積。該河段堤基和河床底板地層絕大多數(shù)為圓礫、礫砂層，屬強(qiáng)透水，少量為黏性土地基。

場地地表水豐富，上游有長嶺陂水庫，北有西麗水庫，河水流量受季節(jié)影響，雨季水位埋深較淺；地下水與地表水水力聯(lián)系較好，對工程有直接影響的地下水為第四系松散體孔隙水，下游地下水主要儲藏于細(xì)礫等強(qiáng)透水礫砂層中，水量豐富，接受地下水和大氣降雨補(bǔ)給，穩(wěn)定水位埋深3～6m；上游地下水穩(wěn)定水位埋深多為1～4m，水位自上游至下游逐漸降低。

為滿足城市總體規(guī)劃及深圳大學(xué)城劃船訓(xùn)練、比賽等教育培訓(xùn)、休閑親水等要求，結(jié)合上述地形地勢條件，充分利用地下水位較高特點(diǎn)，擬設(shè)置水力自控翻板閘，增加該段河道景觀水深。

擬建壅水構(gòu)筑物為水力自控翻板閘，高2.5m，單扇寬6.0m，共5扇。閘底置于細(xì)礫及礫砂層上。根據(jù)鉆孔試驗(yàn)資料，細(xì)礫及礫砂層在本閘址上部呈松散-稍密狀態(tài)，下部為中密狀態(tài)，屬強(qiáng)透水。該處地質(zhì)剖面如圖1所示。

2 壅水構(gòu)筑物滲漏計(jì)算

壅水構(gòu)筑物翻板閘前的滲漏包括兩個(gè)部分：閘前的河底和翻板閘兩邊的透水地基。據(jù)地質(zhì)資料，翻板閘的地基及壩前的河底都是沙礫土層，翻板閘蓄水時(shí)會產(chǎn)生河底及壩基滲漏。防滲措施主要針對河底及翻板閘地基進(jìn)行防滲處理。

2.1 河底滲漏的計(jì)算

近年來關(guān)于渠道、堤防防滲與節(jié)水的計(jì)算研究，多地工程相繼開展[1- 2]，本次河底滲漏量根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊》[3]有關(guān)渠道滲漏的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。先計(jì)算渠道在自由滲漏情況下的滲漏損失，再進(jìn)行調(diào)整，算出頂托情況下的滲漏損失。

(1)河底不護(hù)底時(shí)，自由滲漏計(jì)算

S=0.0116(B+2hki)kφ

(1)

式中，S—每公里渠道上的輸水損失量，m3/s/km；B—渠道水面寬度，m；kφ—滲透系數(shù)，m/d，無實(shí)測資料時(shí)，可參照有關(guān)經(jīng)驗(yàn)選用，此處按沙土類土，取kφ=1.00；h—渠道水深，m，此處取均值h=2.5；ki—可按表選用，此處取2ki=3.8。

由上式得出其滲漏量S=0.47m3/s/km，此處河道地下水水位較高，頂托滲流下渠道的滲漏損失校正系數(shù)r取0.28，則在頂托滲流下渠道的滲漏損失S=0.13m3/s/km，此段河道長度為1.6km，則翻板閘前河底的滲漏量為18185m3/d，即不護(hù)底時(shí)，

圖1 壅水構(gòu)筑物地質(zhì)剖面圖

河底滲漏量很大，如果翻板閘前的河底為沙礫土，必須對此段河底進(jìn)行防滲措施。

(2)河底襯砌情況下的滲漏損失計(jì)算

(2)

式中，Se—渠道輸水滲漏損失，m3/s；x—濕周，m；l—渠道長度，m，此處取l=1600m；v—流速，m/s，此處取v=0；c1—根據(jù)襯砌而定的常數(shù)，此處根據(jù)大體積黏土(15cm)取c1=4；h—渠道水深，m，此處取均值h=2.5m。

由上式計(jì)算出河底為黏土襯砌時(shí)翻板閘前河底的滲漏量為262m3/d，相當(dāng)于7860m3/月。

2.2 翻板閘地基的滲漏計(jì)算

翻板閘地基的滲漏計(jì)算也分為兩部分：翻板閘壩底的滲漏及翻板閘兩邊壩肩的繞流滲流。類似工程課題研究對于壩體及壩基滲流的計(jì)算，常采用有限單元法或改進(jìn)阻尼系數(shù)法進(jìn)行模擬分析[4- 5]，但較少用于設(shè)計(jì)和施工的前期指導(dǎo)。本工程從實(shí)踐應(yīng)用角度出發(fā)，仍采用《水力計(jì)算手冊》[6]的相關(guān)公式作為設(shè)計(jì)分析的依據(jù)。

(1)翻板閘壩底的滲漏計(jì)算

翻板閘底透水地基的滲漏采用《水力計(jì)算手冊》[6]的公式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中，q—單寬滲流量，m3/s/m；k—透水地基的滲流系數(shù)，m/s，此處取k=6×10-4m/s；T—透水地基的厚度，m，此處取T=5m；l—翻板閘的滲流長度，m，此處取l=24m；H1，H2—翻板閘上下游的水頭，m，H1=3m，H2=0。

按翻板閘長度30m計(jì)算，得出翻板閘底滲流量為850m3/d，合計(jì)25500m3/月。

(2)翻板閘兩邊透水地基的繞流滲流計(jì)算

按《水力計(jì)算手冊》[6]中的繞壩滲流的計(jì)算公式：

(4)

式中，k—滲漏層的滲流系數(shù)，m/s，取k=6×10-4m/s；r—壩端與岸邊連接的輪廓半徑，m，取r=12m；B—繞流區(qū)域的半徑，m，設(shè)翻板閘兩邊的透水層的伸展長度B=150m；h1，h2—分別為上下游水面與同一水平不透水層的高差，m，此處設(shè)透水層平均厚度為4m，則h1=6.8m，h2=4m。

按上式計(jì)算出其左右閘肩的滲流量為1259m3/d，相當(dāng)于37762m3。

表1 河道滲流量計(jì)算成果表

3 壅水構(gòu)筑物透水地基及河底的防滲對策

上述各部位滲流量的計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可知，如不采取防滲措施，河底或壩基的滲流量都很大。借鑒渠道防滲[1]和水閘防滲加固的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，需對河底或翻板閘的透水地基進(jìn)行防滲處理，但二者取其一即可。

河底防滲的處理對策：河底的滲漏面積很大，需要對蓄水區(qū)域內(nèi)的河底全部進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)，處理范圍約1630m。河底采用黏土鋪蓋防滲或土工膜防滲：黏土鋪蓋防滲雖然經(jīng)濟(jì)，符合生態(tài)河道的要求，但易受沖刷，而且當(dāng)兩岸地下水水位較高時(shí)，黏土鋪蓋會受地下水浮托力作用而遭到破壞，以上因素都會影響?zhàn)ね龄伾w的效果，甚至達(dá)不到防滲效果，根據(jù)河道兩岸地勢及地下水位分析，至少需2.5m左右的黏土鋪蓋厚度；采用土工膜防滲時(shí)，施工中易出現(xiàn)土工膜缺陷[7]，為保證防滲效果，土工膜的鋪設(shè)、焊接及其墊層鋪設(shè)等工序的要求較高[8]，而目前土工膜檢測及監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)尚不完善[9]，即使達(dá)到防滲要求，卻隔斷了兩岸地下水與河道水體的交換，河道喪失自凈能力，不能滿足生態(tài)河道的要求。

圖2 壅水構(gòu)筑物防滲墻縱剖面圖

在翻板閘底及兩岸沙礫層地基進(jìn)行帷幕防滲處理，根據(jù)地質(zhì)資料，在兩翻板閘南岸100m及北岸200m范圍都有厚度2～8m的沙礫層，需對此范圍進(jìn)行帷幕防滲處理：采用多頭攪拌成墻機(jī)在閘室底板及兩側(cè)形成300mm厚止水幕墻，攪拌樁樁頂穿透圓礫層進(jìn)入殘積土≥1.5m，如圖2所示。此措施最大的優(yōu)點(diǎn)是河底無需護(hù)砌及防滲，翻板閘上游河道水體及兩岸地下水或大學(xué)城規(guī)劃的水體互相連通、自由交換，河道水體自凈能力較好，兩岸地下水能及時(shí)補(bǔ)充河道水體，又同時(shí)解決了大學(xué)城內(nèi)水體的滲漏問題。

經(jīng)綜合比較，采用在閘底及兩岸地基進(jìn)行防滲帷幕的處理費(fèi)用雖然稍高，但能徹底解決該段河道水體的滲漏問題。工程自投入運(yùn)行以來，在上游河道僅有4000m3/d來水量的情況下，經(jīng)過約7d即可將該壅水構(gòu)筑物形成的約14萬m3水體蓄滿，由此可知地下水補(bǔ)水量約16000m3/d，水質(zhì)清澈見底，實(shí)際防滲及地下水利用效果高于預(yù)期。

4 結(jié)語

從上文計(jì)算可知，河底采用防滲后滲透量由18185m3/d可減少到262m3/d，閘底板及兩側(cè)繞滲量仍有約2109m3/d，對于有限的可補(bǔ)水量難以滿足景觀蓄水和交換要求，而采用防滲帷幕對策可充分利用地下水。本防滲帷幕適合兩側(cè)透水層為漏斗形，否則要形成封閉防滲體系工程投資較大。本文旨在充分利用實(shí)際的地形地勢和地質(zhì)條件，合理設(shè)置壅水構(gòu)筑物，采取帷幕法防滲措施對策，以充分利用地下水，減少人工補(bǔ)水規(guī)模，為類似水景觀河道營造和治理提供可參考的處理思路與方法。但對于地形地勢平坦地區(qū)進(jìn)行防滲帷幕法進(jìn)行景觀壅水應(yīng)慎重。