蓄水池工程施工方法及圍堰穩(wěn)定性分析研究

王 東

(武威市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 武威 733000)

0 引言

在我國，水利工程大多是由國家投資建設(shè)的，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域具有重要地位，其帶有一定的公益屬性，能夠產(chǎn)生非常顯著的政治效益和經(jīng)濟(jì)效益。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國建設(shè)了大量的水利工程，其中以調(diào)蓄工程為代表的水利工程在提高我國人民的生活水平上起到了關(guān)鍵作用。調(diào)蓄工程是指以河流水系為脈絡(luò)、調(diào)蓄水池為骨干、受益村莊為節(jié)點(diǎn)，建設(shè)的河流調(diào)蓄水池輸水工程，以達(dá)到修復(fù)水域、恢復(fù)生態(tài)、統(tǒng)一調(diào)配水資源、充分利用地表水、置換保護(hù)地下水的目的。在調(diào)蓄工程中，蓄水池的設(shè)計(jì)以及圍堰的穩(wěn)定性問題至關(guān)重要，其中蓄水池設(shè)計(jì)的重點(diǎn)一般為地基承載力核算和防滲技術(shù)，目前對(duì)于該問題已有了不少研究。侯智勇[1]依托某供水工程項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)高架蓄水水池地基承載力問題以及施工組織設(shè)計(jì)問題進(jìn)行研究，重點(diǎn)進(jìn)行了基礎(chǔ)承載力的核算和施工中的腳手架工程設(shè)計(jì)。張世茂[2]對(duì)常規(guī)的斜坡土方填筑碾壓施工方法進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)合水泥砂土碾壓沉降試驗(yàn)確定鋪料厚度可減少工程投資，同時(shí)解決施工進(jìn)度較慢的問題。范勛禮[3]基于某半挖半填開敞式蓄水池實(shí)際工程為例，研究了在池底和壩坡位置采用封閉復(fù)合土工膜技術(shù)的防滲效果。魏詠[4]以天祝縣金強(qiáng)川三期工程為例，對(duì)該工程中的調(diào)蓄水池復(fù)合土工膜防滲技術(shù)進(jìn)行研究。史堯等[5]依托某碼頭工程，利用GeoStudio軟件，分析高邊坡土石圍堰的滲流分布規(guī)律及邊坡穩(wěn)定性，研究了深井降水對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響。江平等[6]為評(píng)估圍堰堰坡的穩(wěn)定性、研究不同水位條件下拋填飽和粉質(zhì)黏土圍堰邊坡的變形破壞模式，利用有限元軟件對(duì)圍堰開展不同水位條件下的穩(wěn)定性計(jì)算分析。孫永廣[7]利用有限元軟件建立2種圍堰數(shù)值模型，進(jìn)行了滲流穩(wěn)定、壩坡穩(wěn)定及應(yīng)力變形分析。許亮[8]基于廣東省某水利工程，利用Midas有限元數(shù)值分析軟件，對(duì)深厚淤泥層地質(zhì)條件下雙排鋼板樁圍堰施工期穩(wěn)定性進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

本文依托甘肅省武威市涼州區(qū)調(diào)蓄工程，總結(jié)了蓄水池的施工流程，介紹了水池工程、復(fù)合土工膜以及圍堰的施工方法。同時(shí)，利用有限元軟件分析了不同地基條件下圍堰的穩(wěn)定性問題，以期為其他蓄調(diào)工程的設(shè)計(jì)施工起到一定指導(dǎo)作用。

1 工程概況

武威市涼州區(qū)調(diào)蓄工程以河流水系為脈絡(luò)、調(diào)蓄水池為骨干、受益村莊為節(jié)點(diǎn)，建成河流調(diào)蓄水池輸水工程，以達(dá)到修復(fù)水域、恢復(fù)生態(tài)、統(tǒng)一調(diào)配水資源、充分利用地表水、置換保護(hù)地下水的目的。工程在西營灌區(qū)、金塔灌區(qū)、雜木灌區(qū)、黃羊灌區(qū)計(jì)劃新建調(diào)蓄水池11座，總?cè)莘e1265萬m3、輸水工程6項(xiàng)，輸水流量1～2m3/s。按建設(shè)位置劃分為西營、雜木、黃羊3個(gè)片區(qū)。主體工程施工安排在非主汛期，導(dǎo)流方式采取河床分段導(dǎo)流，施工期需在靠近建筑物側(cè)設(shè)置圍堰擋水，另一側(cè)束窄河床的導(dǎo)流。

2 蓄水池工程施工方法

蓄水池工程施工主要分為2個(gè)部分，分別為水池工程施工和復(fù)合土工膜施工，在進(jìn)行蓄水池施工前，往往需要進(jìn)行圍堰的施工，本節(jié)對(duì)這3部分都施工工藝及流程進(jìn)行簡介。

2.1 水池工程施工

水池的施工主要包括土方開挖、堤壩土方填筑、細(xì)沙保護(hù)層及砂礫碎石壓重層、水泥土施工四個(gè)部分，施工流程如圖1所示。

圖1 水池工程施工流程

在進(jìn)行水池工程施工時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

(1)在蓄水池的開挖、清基以及基礎(chǔ)開挖過程中應(yīng)采取自上而下，分層分段多工作面進(jìn)行。

(2)土方明挖應(yīng)從上到下分層分段依次進(jìn)行，邊坡開挖按設(shè)計(jì)的坡度進(jìn)行，且邊坡削成平整斜面以利排水。

(3)堤壩填筑以蓄水池池區(qū)的挖方砂卵礫石為料源，推土機(jī)鋪料、振動(dòng)碾采用進(jìn)退錯(cuò)距法壓實(shí)。

(4)細(xì)沙保護(hù)層及砂礫碎石壓重層施工中，墊層料均選擇庫區(qū)開挖料，經(jīng)篩分處理后采用自卸汽車運(yùn)至施工處。

(5)水泥土施工過程中應(yīng)分段依次施工，層間水泥土的接縫位置可削成齒坎狀，對(duì)接縫處應(yīng)加強(qiáng)夯實(shí)，從而保證水泥土的壓實(shí)度。

2.2 復(fù)合土工膜施工

蓄水池的防滲技術(shù)是蓄水池施工的一大重點(diǎn)，該蓄水池工程中的防滲層部分采用復(fù)合土工膜技術(shù)。復(fù)合土工膜防滲層施工順序?yàn)椋簭?fù)合土工膜鋪設(shè)→對(duì)正、搭齊→壓膜、定型→縫合底層土工布→擦凈拼接面→焊接試驗(yàn)→焊接→檢測(cè)→修補(bǔ)→復(fù)驗(yàn)→上層土工布縫合→驗(yàn)收，復(fù)合土工膜防滲層施工流程圖如圖2所示。

圖2 復(fù)合土工膜防滲層施工流程圖

在進(jìn)行復(fù)合土工膜防滲層時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

(1)復(fù)合土工膜應(yīng)保存在通風(fēng)干燥的環(huán)境處，應(yīng)避免遭受日光照射，同時(shí)遠(yuǎn)離其他熱源。

(2)復(fù)合土工膜的施工應(yīng)在環(huán)境溫度為5～35℃，無雨雪、無沙塵的天氣條件下進(jìn)行。若遇特殊環(huán)境需要施工，應(yīng)采取有效的防護(hù)措施。

(3)清除場地范圍內(nèi)的各種尖銳雜物。施工區(qū)域應(yīng)做好防護(hù)圍擋。施工范圍內(nèi)嚴(yán)禁煙火，加熱工器應(yīng)設(shè)置隔熱裝置。

(4)進(jìn)入施工作業(yè)人員應(yīng)穿軟底鞋或棉襪。禁止穿釘鞋、高跟鞋及硬底鞋在土工膜上踩踏。嚴(yán)禁車輛在復(fù)合土工膜上碾壓。

(5)復(fù)合土工膜鋪設(shè)過程中必須進(jìn)行搭接寬度和焊縫質(zhì)量控制。施工質(zhì)量控制人員必須全過程監(jiān)督膜的焊接和檢驗(yàn)。

2.3 圍堰工程施工

涼州區(qū)調(diào)蓄工程的主體工程在非主汛期進(jìn)行施工，導(dǎo)流方式采取河床分段導(dǎo)流，施工期需在靠近建筑物側(cè)設(shè)置圍堰擋水，另一側(cè)束窄河床的導(dǎo)流。圍堰工程的現(xiàn)場施工內(nèi)容主要包括充填袋擋埝及吹填黑砂、拋填袋裝砂及砂墊層、打設(shè)塑料排水板、鋪設(shè)土工軟體排以及充填袋施工。

3 不同地基條件下圍堰穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)地質(zhì)勘查資料顯示，圍堰工程的地基以軟土層為主，軟土層厚度最小處為4m，最大處超過240m。為研究不同地基條件下的圍堰穩(wěn)定性，本節(jié)選取了2個(gè)典型工點(diǎn)，利用有限元分析軟件PLAXIS分別建立均質(zhì)軟土地基和雙層地基(上層為軟土，下層為硬土)的圍堰模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，圍堰底部寬度為60m，施工坡度為1∶2，為減小邊界效應(yīng)的影響，地基寬度取8倍圍堰的底寬，即480m，地基厚度取4倍圍堰底寬，即240m，雙層地基中軟土厚度為4m。數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 不同地基條件下的圍堰數(shù)值模型示意圖

圍堰由砂土進(jìn)行充填，根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)得到不同土體材料的力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 數(shù)值模型地基土體力學(xué)參數(shù)

3.2 失穩(wěn)判據(jù)與安全系數(shù)

在有限元計(jì)算中，將極限破壞狀態(tài)對(duì)應(yīng)的填筑高度作為該工況下圍堰的極限填土高度。目前利用有限元方法進(jìn)行巖土工程計(jì)算尚未形成統(tǒng)一的失穩(wěn)判定標(biāo)準(zhǔn)，本節(jié)結(jié)合數(shù)值計(jì)算不收斂和特征點(diǎn)位移突變兩種失穩(wěn)標(biāo)志，綜合判斷圍堰是否達(dá)到極限破壞狀態(tài)。

PLAXIS軟件利用強(qiáng)度折減法計(jì)算整體安全系數(shù)。計(jì)算時(shí)模型所受荷載保持不變，按照式(1)—(2)的方式對(duì)巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)c、φ進(jìn)行折減與更新，逐步降低巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)，經(jīng)過反復(fù)的試算，求得臨界破壞狀態(tài)下的巖土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，臨界破壞狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之比，即為安全系數(shù)Fs[9]。

(1)

(2)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

為確定不同地基條件下的圍堰的極限填高，在計(jì)算過程中對(duì)圍堰底面中心點(diǎn)位置的沉降值以及坡角位置的水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)利用強(qiáng)度折減法計(jì)算不同地基條件下所得結(jié)果如圖4所示。

圖4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

如圖4所示，在圍堰填筑高度一致的情況下，均質(zhì)軟土地基條件下圍堰底部中心點(diǎn)的沉降值和坡角水平位移值均大于雙層地基條件。在均質(zhì)軟土地基條件下，隨著圍堰填筑高度逐漸增大，圍堰底部中心沉降以及坡角水平位移逐漸增大，安全系數(shù)逐漸減小，當(dāng)圍堰填筑高度達(dá)到2.5m時(shí)，圍堰底部中心沉降和坡角水平位移均發(fā)生突變，同時(shí)數(shù)值計(jì)算無法收斂，說明2.5m為均質(zhì)軟土地基條件下圍堰的極限填土高度。在雙層地基條件下，圍堰底部中心沉降及坡角水平位移隨圍堰填筑高度增大而逐漸增大，圍堰底部中心沉降未出現(xiàn)數(shù)值增大的情況，但當(dāng)圍堰填筑高度達(dá)到3.0m時(shí)，坡角水平位移值發(fā)生突變，且數(shù)值計(jì)算無法收斂，說明3.0m為雙層地基條件下圍堰的極限填土高度。均質(zhì)軟土地基條件下圍堰底部中心沉降出現(xiàn)突變，而雙層地基條件下未出現(xiàn)的原因?yàn)椋壕|(zhì)軟土地基在臨界失穩(wěn)條件下，土體內(nèi)部出現(xiàn)貫通的潛在滑動(dòng)面，圍堰底部中心位置在潛在滑動(dòng)面的范圍內(nèi)，而在雙層地基情況下，軟土層下存在硬土層，且軟土層的厚度較小，圍堰中心下方的土體不在潛在滑動(dòng)面內(nèi)。

綜上所述，通過數(shù)值計(jì)算不收斂以及特征點(diǎn)位移突變，可以得到均質(zhì)軟土地基上圍堰的極限填高為2.5m，雙層地基上圍堰的極限填高為3m。

3.4 軟土層厚度對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響

土體的形成過程非常復(fù)雜，因此在地基中不同類型的土層厚度差異較大，使得地基中土層的情況錯(cuò)綜復(fù)雜[10]。根據(jù)地質(zhì)勘查資料顯示，該圍堰工程的地基土以軟土層為主，其中軟土層厚度最小處為4m，最大處超過240m。當(dāng)軟土層厚度較小時(shí)，地基為上軟下硬的雙層地基，而軟土層厚度較大時(shí)，可將其視為均質(zhì)軟土地基。不同類型的地基條件對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響也存在較大差異，本節(jié)為探究軟土層厚度對(duì)圍堰穩(wěn)定性的影響，設(shè)置了軟土層厚度為4、8、10、20m四種工況進(jìn)行計(jì)算，得到不同軟土層厚度下位移增量矢量圖如圖5所示。

圖5 不同軟土層厚度下位移增量矢量圖

如圖5所示，當(dāng)軟土層厚度為4、8、10m時(shí)，圍堰的破壞模式為邊坡-地基滑動(dòng)破壞，滑動(dòng)面從圍堰下方軟土層中的某一位置向兩側(cè)對(duì)稱延伸至地基表面。當(dāng)軟土層厚度增至20m時(shí)，破壞模式變?yōu)榈鼗w剪切破壞。綜上可知，軟土層厚度對(duì)圍堰的破壞模式有較大的影響，潛在破壞滑動(dòng)面的范圍隨軟土層厚度的增大逐漸加深擴(kuò)寬，滑動(dòng)面與硬土層表面的接觸面積逐漸減小。

4 結(jié)論

本文依托甘肅省武威市涼州區(qū)調(diào)蓄工程，介紹了水池工程、復(fù)合土工膜以及圍堰的施工方法。同時(shí)，利用有限元軟件分析了不同地基條件下圍堰的穩(wěn)定性問題，計(jì)算結(jié)果顯示：均質(zhì)軟土地基條件下圍堰的沉降值和坡角水平位移均大于雙層地基條件，隨著圍堰填筑高度逐漸增大，圍堰底部中心沉降以及坡角水平位移逐漸增大，安全系數(shù)逐漸減小。在上軟下硬的雙層地基中，軟土層厚度對(duì)圍堰的破壞模式有較大的影響。

本文因基于實(shí)際工程，僅考慮了均質(zhì)軟土地基和上軟下硬的雙層地基2種地基條件下的圍堰穩(wěn)定性問題，后續(xù)可增加其他工況，進(jìn)一步探究不同地基條件下的圍堰穩(wěn)定性問題。