引黃濟(jì)青輸水渠改造設(shè)計(jì)方案數(shù)值計(jì)算分析

龐 正，隋 昕，謝 忱

(1.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心博興管理站，山東 博興 256500；2.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心膠州管理站，山東 膠州 266300)

1 工程背景

引黃濟(jì)青輸水渠自建成至今已運(yùn)行20余年，部分輸水渠道的內(nèi)壁在各類外界因素的作用下發(fā)生明顯的變形破壞，給輸水水利工程結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行帶來(lái)極大困擾。此外，由于水質(zhì)含沙量較高，渠道底部淤積嚴(yán)重，最終減小了渠道的過(guò)流能力。例如，昌邑市4.057km石方渠段噴射混凝土襯砌已損壞，漏水較嚴(yán)重。

鑒于此，有必要對(duì)當(dāng)前引黃濟(jì)青的輸水渠道水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的安全鑒定，定量計(jì)算分析堤防土體的滲流情況，包括浸潤(rùn)線、流網(wǎng)和滲流等勢(shì)線，如復(fù)核結(jié)果不滿足水利工程安全的相關(guān)要求，則針對(duì)實(shí)際存在的工程安全問(wèn)題，有關(guān)部門(mén)及時(shí)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的工程治理措施，從而保證渠道相關(guān)水工結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定，最終讓引黃濟(jì)青的輸水渠道正常運(yùn)行，達(dá)到延長(zhǎng)工程壽命的目的。

2 現(xiàn)狀堤防存在的問(wèn)題

2.1 小清河子槽堤防存在的問(wèn)題

根據(jù)《山東省引黃濟(jì)青改擴(kuò)建工程地質(zhì)報(bào)告》，勘探樁號(hào)42+450～54+636段子槽兩岸分布堤體，堤體填土以壤土為主，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)，其滲透系數(shù)為6.86×10-5～1.44×10-2cm/s，具弱～強(qiáng)透水性，說(shuō)明填筑不均勻，透水性差異較大，堤后多處出現(xiàn)明流，已造成了滲透破壞，須采取適當(dāng)處理措施，以保證大堤的安全。

據(jù)地下水水質(zhì)分析成果，勘探樁號(hào)40+860～46+000段場(chǎng)區(qū)地下水的水化學(xué)類型主要為SO4·Cl-Na型、SO4·HCO3-Mg·Na型，其礦化度一般2.853～3.387g/L，為微咸水～咸水，全硬度為933.5～1594.0mg/L，pH值為7.57～7.75，屬弱堿性極硬水。

勘探樁號(hào)46+000～46+900段場(chǎng)區(qū)地下水的水化學(xué)類型主要為HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型，其礦化度一般為1.136g/L，為微咸水，全硬度為356mg/L，pH值為7.50，屬弱堿性極硬水。經(jīng)判定，該段場(chǎng)區(qū)地下水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

勘探樁號(hào)46+900～58+000段場(chǎng)區(qū)地下水的水化學(xué)類型主要為Cl·SO4-Na·Ca·Mg型、Cl-Na型，其礦化度一般為2.454～6.319g/L，為微咸水～強(qiáng)咸水，全硬度為761.0～1680.0mg/L，pH值為7.24～7.72，屬弱堿性極硬水。經(jīng)判定，該段場(chǎng)區(qū)地下水對(duì)混凝土具硫酸鹽型強(qiáng)腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具中等腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

2.2 小清河子槽堤防現(xiàn)狀滲流計(jì)算

引黃濟(jì)青輸水工程小清河子槽堤防現(xiàn)狀的滲流計(jì)算采用加拿大有限元軟件GeoStudio的seep/w模塊[1-6]，GeoStudio是一款大型的通用巖土有限元計(jì)算軟件，其功能強(qiáng)大且模塊十分豐富。在滲流數(shù)值計(jì)算之前，根據(jù)子槽堤防的地質(zhì)剖面圖選擇有代表性的3個(gè)斷面進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算斷面劃分為44+810、46+700和48+540三個(gè)樁號(hào)。滲流計(jì)算工況包含工程實(shí)際遇到的兩種運(yùn)行工況，即(工況1)渠道內(nèi)水位為5.05m，外水位為3.1m；(工況2)渠道內(nèi)水位為4.50m，外水位為2.10m。堤防滲流數(shù)值計(jì)算模型從上到下的各土層有限元滲透系數(shù)以斷面44+810為例，詳見(jiàn)表1。

表1 小清河子槽堤防斷面44+810土層滲透系數(shù)表

本次計(jì)算了子槽堤防斷面為44+810、46+700和48+540三個(gè)樁號(hào)的地質(zhì)剖面在不同運(yùn)行工況下的滲流現(xiàn)狀，由于篇幅限制，僅給出斷面為44+810的相關(guān)計(jì)算結(jié)果圖(如圖1—2所示)，相關(guān)滲流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2的滲流計(jì)算結(jié)果可知：該處粉砂及砂壤土允許出逸坡降為0.15，壤土允許出逸坡降為0.22，下游排水溝出逸坡降基本都大于0.4，最小也達(dá)到了0.32，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壤土的允許出逸坡降，結(jié)合工程實(shí)際情況分析，故認(rèn)為該堤防產(chǎn)生了滲透破壞，滲漏較為嚴(yán)重，最小的單天滲漏量也達(dá)到了1.07m3，位于樁號(hào)44+810的地質(zhì)剖面，已嚴(yán)重影響到堤防工程的安全，這與工程實(shí)際觀測(cè)結(jié)果基本一致。

表2 小清河子槽堤防現(xiàn)狀滲流計(jì)算結(jié)果表

圖1 小清河子槽堤防的典型地質(zhì)剖面浸潤(rùn)線與等勢(shì)線圖(工況1)

圖2 小清河子槽堤防的典型地質(zhì)剖面浸潤(rùn)線與等勢(shì)線圖(工況2)

3 堤防整改方案合理性分析

3.1 確定整改方案

根據(jù)子槽堤防的壩體材料、地質(zhì)條件，綜合考慮工程施工、運(yùn)行管理、安全等多方面因素[7-10]，結(jié)合本工程的實(shí)際情況以及省內(nèi)外已建類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，可以選擇水平防滲和垂直截滲兩種防滲方案。

水平防滲方案：該河道為小清河的汛期行洪河道，底寬30m，分洪流量為200m3/s，行洪期流速較大。如果河道內(nèi)采用復(fù)合土工膜防滲，在行洪期間洪水易對(duì)土工膜及上面的保護(hù)層造成破壞，同時(shí)施工難度較大，工程投資較大，約為7280萬(wàn)元。所以經(jīng)過(guò)綜合比較，不宜采用水平防滲方案。

垂直防滲方案：在現(xiàn)狀河堤中心線處以防滲板墻進(jìn)行截滲。擬定多頭小直徑深層水泥土攪拌樁防滲墻、薄混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿防滲板墻方案進(jìn)行比選。

(1)水泥土攪拌樁防滲墻

水泥土攪拌樁防滲墻適宜于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、粉質(zhì)黏土等軟弱地基，是一種利用水泥類漿液與原土通過(guò)葉片強(qiáng)制攪拌形成墻體的技術(shù)[11-14]。在堤防中心線處施工多頭小直徑深層水泥土攪拌樁防滲墻，墻厚度為0.3m，最大深度為13.0m，插入淤泥質(zhì)壤土層內(nèi)，與淤泥質(zhì)壤土形成相對(duì)防滲體系。

(2)薄混凝土防滲墻

薄混凝土防滲墻技術(shù)是利用液壓抓斗開(kāi)槽建造薄防滲墻。該方案即在現(xiàn)狀堤頂軸線位置設(shè)0.3m厚的砼防滲墻，最大深度為13.0m。

(3)高壓噴射灌漿防滲板墻

高壓噴射灌漿防滲板墻方案即在現(xiàn)狀堤頂軸線位置設(shè)高噴板墻防滲墻，鉆孔間距為1.5m，深度為13.0m，采用擺噴。

經(jīng)過(guò)上述三個(gè)方案在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工等方面的比較與論證，考慮到當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，設(shè)計(jì)擬推薦投資適中、工效高、防滲效果好的多頭小直徑深層水泥土攪拌樁防滲墻。具體的堤防截滲設(shè)計(jì)方案為：樁號(hào)42+450～54+636段共12.186km，子槽兩岸大堤采用多頭小直徑深層水泥土攪拌樁防滲墻防滲，在現(xiàn)狀堤頂軸線位置設(shè)0.3m厚單排深層攪拌樁，深度根據(jù)淤泥質(zhì)壤土的深度來(lái)確定，最大深度為13.0m。

3.2 截滲后堤防滲流穩(wěn)定計(jì)算

針對(duì)具體的堤防截滲設(shè)計(jì)方案，同樣采用有限元軟件GeoStudio的seep/w模塊對(duì)該方案的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。與前文堤防現(xiàn)狀的滲流計(jì)算相同，分為工況1和工況2，本次截流后的滲流和堤身穩(wěn)定計(jì)算了選取了斷面為44+810、46+700和48+540三個(gè)樁號(hào)的地質(zhì)剖面，數(shù)值分析計(jì)算用到的穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3，主要包括容重、黏聚力和內(nèi)摩擦角等，滲透系數(shù)參數(shù)的取值與表1保持一致。

表3 小清河子槽堤防堤身穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)表

子槽堤防截滲后滲流計(jì)算相關(guān)結(jié)果見(jiàn)表4和圖3。由表4的滲流計(jì)算結(jié)果可知，該處粉砂及砂壤土允許出逸坡降為0.15，壤土允許出逸坡降為0.22，下游排水溝出逸坡降全部都小于0.1，最大也僅有0.08，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)土層的允許出逸坡降。而單天的堤身水流滲漏量與表2相比也大大減小，比如最大的單天滲漏量也減小到了0.245m3，截流前為4m3，位于樁號(hào)46+700的地質(zhì)剖面(工況2)，僅為截流前滲漏量的1/20左右，說(shuō)明截流整改后的堤防滲流情況滿足工程安全的相關(guān)要求。

表4 小清河子槽堤防截滲后滲流計(jì)算結(jié)果表

圖3 小清河子槽堤防44+810斷面截滲后堤身浸潤(rùn)線與等勢(shì)線圖

小清河子槽堤防截滲后滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。由表5的堤身穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可知，選取的三個(gè)堤防典型斷面44+810、46+700和48+540在兩種工況時(shí)的上、下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均大于2，最小為2.242，位于樁號(hào)48+540部位的渠道內(nèi)水位為4.50m、外水位為2.10m對(duì)應(yīng)工況，同樣滿足規(guī)范對(duì)堤防最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的規(guī)定。說(shuō)明截流整改后的堤防結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定情況滿足工程安全的相關(guān)要求，堤防截滲設(shè)計(jì)方案合理可行。

表5 小清河子槽堤防截滲后穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)論

文章針對(duì)引黃濟(jì)青輸水渠部分渠段襯砌砼板坍塌等相關(guān)工程問(wèn)題，以小清河子槽堤防為例，采用GeoStudio軟件分析了該堤防當(dāng)前的滲流情況，發(fā)現(xiàn)下游出逸坡降最小值達(dá)到0.32，遠(yuǎn)大于壤土允許值，單天滲漏量在1.07m3以上，滲透破壞嚴(yán)重。鑒于此，提出采用水泥土攪拌樁防滲墻的工程方案進(jìn)行整治，并對(duì)截流后子槽堤防的滲流和穩(wěn)定情況進(jìn)行了定量計(jì)算，發(fā)現(xiàn)治理后的下游出逸坡降均小于0.1，遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)壤土層的允許出逸坡降，滲漏量也較截流前大大減少，同時(shí)截流后兩種工況下的堤防壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均大于2，滿足工程安全的相關(guān)要求，堤防截滲設(shè)計(jì)方案合理可行。