高原小型水庫土石壩阻滲整固治理技術研究

賈豐收

(中電建生態(tài)環(huán)境集團有限公司，廣東 深圳 518102)

土石壩阻滲整固治理，對于水庫安全標準成建和未來運行期安全運營，有著舉足輕重的技術重要性。本研究以位處高原的某水庫為參照案例，梳理闡述沖振礫石樁、壩基及其蓋覆層阻滲治理技術在高原土石壩整固阻滲治理中的技術適用性，并以現(xiàn)場試驗和工程有限元模擬計算驗證了該技術的適用和有效性。

1 工程概況

案例水庫是以供水和灌溉為主，兼顧生態(tài)服務的Ⅳ等小型高原水利工程，總蓄容量921.39萬 m3，設計常規(guī)蓄容量872.33萬 m3。砼瀝青心墻堆石壩最大高程4 170.90 m，頂壩寬度8 m。

壩基礎層以沖積卵礫碎石層為主，內富含淤質細粉砂，不同深度亦存在大量棱體粗礫砂，含礫中粗砂、淤質細粉砂性狀相對較差，力學功效差異比較大，土層均勻性嚴重不足，作為壩基礎承力層，存在載承力不足、砂土液化、瀝青心墻易拉裂、基礎抗滑穩(wěn)定不足等地質基礎問題，須對弱軟基礎給予必要的整固治理。

花崗石料壩殼，內置砼瀝青心墻，心墻中線位處壩體軸線上游2.0 m區(qū)域，配置礫砂石過渡層于心墻的兩側；以砼底座接連砼瀝青心墻與阻滲墻，基礎巖面以下壩身采取注灌漿帷幕阻滲處理。

2 壩基礎阻滲整固技術措施

2.1 沖振礫石樁整固地基治理

上下游壩腳區(qū)域和心墻軸線上下游約4～10 m區(qū)域，實施沖振礫石樁治理。在3.0～21.7 m間調整確定樁長，具體打入深度，按較比砂層區(qū)域地基的底板高度低1.0 m給予確定。采取梅花樁型配置沖振礫石樁，樁徑均采取1.0 m標準。

沖振礫石樁技術參數(shù)主要以大重動力探觸跟蹤測量樁體密度給予表征，工程中須對治理后的混合基礎給予跟蹤測量，樁身密實標準為重力探觸7～10擊平均入貫10 cm，未達成該標準的，則視為不密實樁體。治理后應達的地基標準參數(shù)具體見表1所示。

表1 治理后的地基標準參數(shù)

2.2 壩基阻滲治理

2.2.1 控制阻滲標準

基巖阻滲控制指標多選擇透水率，壩基礎阻滲控制標準多取透滲比降和滲漏量。案例水庫壩基礎滲漏量設計選用的控制標準為不高出多年均徑流量的1%，案例壩址多年均流量在1.03 m3/s。

2.2.2 阻滲技術

壩址區(qū)暴露層多為強透水沖積礫卵碎石，透滲常數(shù)為i×10-1cm/s。礫卵碎石層，厚度大，透滲性強，級配不連續(xù)，作為壩基礎層，須注意解決防范基礎滲漏問題。為降低壩基礎滲漏和避免產生透滲破壞，設計壩基礎蓋覆層選用砼阻滲墻，基巖選用注灌漿帷幕的阻滲技術。

2.3 壩基礎蓋覆層阻滲治理

2.3.1 配置阻滲墻與墻身嵌巖深度

阻滲墻上部借助砼基座接連砼瀝青心墻，為防止因觸接不緊密而導致集中滲漏，阻滲墻墻腳須一定程度嵌入基巖。本工程墻身預埋深度選擇1m，即最大阻滲墻深度取49 m，對于局域強風化基巖阻滲墻的嵌入深度，實際施工中，還應再適當給予加深。

2.3.2 墻身材料

按彈塑性模量和強度，阻滲墻筑建材料存在塑性砼和常規(guī)砼2種。后者優(yōu)點為持久性較佳、抗?jié)B性、強度大及彈塑性模量高，不足為彈塑性模量較比地基材料的彈塑性模量差異比較大，易導致墻身對地基的變形適應性低，易于發(fā)生裂縫。在常規(guī)砼的基礎上塑性砼借助水泥代替部分膨潤土和黏土，以減少其彈塑性模量，從而使墻身更好相適應于地基形變，利于防止開裂。案例工程阻滲墻墻身材料選用常規(guī)砼。

2.3.3 墻身厚度

案例水庫大壩基礎砼阻滲墻許可水力坡率為80，阻滲墻領受67.6 m最大水頭，綜合參考案例領受的水頭、砼阻滲墻深度以及相關工程經驗，案例砼阻滲墻取1.0 m厚度。墻厚1.0 m其最大水力坡降(67.6值)在材料的允許坡降之內，符合阻滲和安全需求。

2.3.4 基巖注灌漿帷幕治理

對壩基礎蓋覆層下基巖以及兩岸基巖給予帷幕注灌漿整固。兩岸基巖注灌漿帷幕配置排孔，取1.5 m孔距，注灌漿區(qū)域至基巖準線與正常蓄水線交匯位置，右岸注灌漿區(qū)域壩肩之外50 m，帷幕深度取5～38 m；左岸注灌漿區(qū)域壩肩之外21 m，帷幕深度取5.0～52 m。壩基礎蓋覆層阻滲墻下，注灌漿帷幕借助阻滲墻內預設鋼管實施，鋼管徑值100 mm，配置1排帷幕，取1.5 m孔距，深度值取5.0～52 m。

3 沖振礫石樁功效分析

3.1 實驗布設及測量內容

3.1.1 實驗布設

正式開展沖振礫石樁施工操作前，為了檢驗樁間距的礫石樁治理功效，軸線上游和下游基礎區(qū)域內，在右岸大壩，分別確定A和B兩個范圍開展實驗。其中A實驗區(qū)的淤質細粉砂層厚度約4m，露出地面。B實驗區(qū)的淤質細粉砂層分別為4 m和3 m厚度，分別為4 m和11 m埋深，中粗含礫砂層約為7 m厚度，約20 m埋深。實驗樁身材料的飽和礫石抗壓強度>80 MPa，相對級配較佳，粒度<5 mm的劑量不應>10%，并且含泥量以≤5%。實驗礫石樁均取1 m樁徑，A實驗區(qū)分別取1.5 m和2.0 m孔距，B實驗區(qū)分別取2.0 m和2.5 m孔距，具體見圖1所示。

圖1 實驗沖振礫石樁配置平面圖

3.1.2 測量內容

礫石樁的測量內容通常包括混合地基載承力、樁間土密實度及樁身密實度，故本研究采取現(xiàn)場載荷實驗、重動力探觸以及入貫標準實驗方法，具體見表2所示。

表2 沖振礫石樁實驗測量方法

通過1孔重動力探觸測量和1組荷載測量單樁實驗，其中荷載實驗方法選用堆載法，借助千斤頂加施垂向載荷，借助電位表測計移位；重動力探觸測量以63.5 kg重錘豎直入貫，探桿和探頭一同貫入土層，15～30擊/分鐘錘擊速度，每入貫10 cm記錄錘擊數(shù)。樁間土借助入貫標準和動力探觸給予測量。

3.2 實驗成果及分析

3.2.1 單樁實驗成果及分析

A實驗區(qū)和B兩實驗區(qū)單樁載荷實驗成果見表3所示。數(shù)據揭示，A實驗區(qū)2種樁間距下均為823 kPa載承力特征值，分別對應33.1 Mpa和31.3 Mpa形變模量。B實驗區(qū)2種樁間距下分別為637 kPa和711 kPa載承力特征值，分別對應82.8 Mpa和66.9 Mpa形變模量。

表3 單樁載荷實驗成果

圖2為A實驗區(qū)單樁載荷測量壓力降沉關系曲線，其中a、b、c、d分別對應樁間距1.5 m、2.0 m、2.0 m、2.5 m。

圖2 單樁載荷測量壓力降沉關系曲線

實驗A區(qū)和實驗B區(qū)的中性動力單樁探觸成果見表4所示。A實驗區(qū)重動力單樁探觸曲線見圖3所示，其中a、b、c、d分別對應樁間距1.5 m、2.0 m、2.0 m、2.5 m。當實驗A區(qū)和實驗B區(qū)兩種樁間距的動力探觸分別進展到4.6 m、4.3 m、11.3 m和3.7 m時，連續(xù)三次錘擊數(shù)高出50，因為不具備超重動力探觸裝備，難于繼續(xù)進樁，故只能終止實驗，并修正錘擊數(shù)。實驗A區(qū)1.5 m和2.0 m修正單樁錘擊數(shù)對應為14.4和24.7，實驗B區(qū)2.0 m和2.5 m修正單樁錘擊數(shù)對應為19.2和27.5。

表4 中性動力單樁探觸實驗成果

圖3 重動力單樁探觸曲線

3.2.2 樁間土實驗成果及分析

樁間土入貫標準實驗成果具體見表5所示，數(shù)據顯示A實驗區(qū)1.5 m中粗含礫砂層修正入貫標準擊數(shù)是70.6，A實驗區(qū)2.0 m淤質細粉砂層修正入貫標準擊數(shù)是15.7。在實驗B區(qū)2.0 m和2.5 m淤質細粉砂層，其修正入貫標準擊數(shù)分別是3.0和4.6。

表5 樁間土入貫標準實驗成果

4 壩基礎滲漏整治成效分析

4.1 滲漏分析模型構建

借助工程有限元Geo-Studio分析開展?jié)B漏模擬分析。選擇案例水庫最大斷面作為典型模擬分析橫截面具體見圖4所示。模擬分析主要土層透滲常數(shù)具體見表4所示。

圖4 滲漏分析典型截面與單元劃分

表4 案例水庫土石壩滲漏計算分析透滲常數(shù)

模擬分析域的網格規(guī)劃中，順河為X軸，取指向下游為正，豎垂向為Y軸，取上向為正。延伸3倍壩高拓展模型上下邊界，選擇三角形單元和四邊形，基座與心墻單元取0.5 m邊界長度，其它區(qū)域取長度2 m單元邊界，共計17 039個單元和17 204個節(jié)點。

4.2 滲漏分析工況

基于工程運行后有可能遭遇的最不利情況，配置水位組合如下：

(1)迎水側取正常蓄水位，背水側下游取最低相應水位；

(2)迎水側取設計洪水位，背水側下游取最低相應水位；

(3)迎水側取核校洪水位，背水側下游取最低相應水位；

依據案例水庫的實際運行，水壩背水側多基本無水，故案例水庫模擬滲漏計算工況選擇見表6具體所示。

表6 案例水庫模擬滲漏計算工況

4.3 滲漏計算成果分析

基于上述模型及基本工況參數(shù)，借助工程有限元Geo-Studio系統(tǒng)開展模擬計算，具體成果見圖5～圖7所示。

(1)上游水位設為正常蓄水位，下游水位取齊平于地面

(2)迎水側取設計洪水位，下游水位取齊平于地面

(3)迎水側取核校洪水位，下游水位取齊平于地面

(4)計算成果統(tǒng)計

圖5 基礎滲漏場(迎水測常規(guī)蓄水位)水頭流線與等值線

圖6 基礎滲漏場(迎水測設計洪水位)水頭流線與等值線

圖7 基礎滲漏場(迎水測核校洪水位)水頭流線與等值線

表7數(shù)據揭示，常規(guī)蓄水位下為滲漏量2.70 m3/d/m，年度滲漏量330 204 m3，多年壩址區(qū)徑流均量是3.25×107m3，模擬所得滲漏量占多年徑流均量1.0%，此滲漏量滿足壩基安全運營需求。并且基于三種工況的單寬滲漏量可以獲得，單寬滲漏量伴隨水位的加增逐步加增，即壩身滲漏量受上游側水位狀態(tài)的影響比較大，二者呈現(xiàn)正相關對應關系。

表7 案例水庫各工況單寬滲漏量模擬計算成果

表8為案例水庫滲漏計算主要區(qū)域透滲比降模擬計算結果，數(shù)據揭示，各工況下，壩基礎蓋覆層中礫碎中細沙、淤質細粉砂、沖積漂卵碎石和壩身心墻四個部位的透滲均較比其許可透滲比降要小，此符合工程的透滲穩(wěn)定技術需求。

表8 主要區(qū)域透滲比降模擬計算結果

5 結語

本研究以某高原水庫依據案例，梳理闡述了沖振礫石樁整固和壩基礎阻滲治理技術，開展了工程現(xiàn)場單樁載荷、重動力探觸和入貫實驗，驗證沖振礫石樁的整固成果滿足設計需求?；趯I(yè)Geo-Studio工程有限元模擬系統(tǒng)，圍繞不同工況下滲漏量、透滲比降等，開展了壩基礎滲漏整治成效模擬分析計算，驗證了經該技術治理，各工況下案例工程的透滲比降均較工程許可透滲比降要小，技術狀態(tài)滿足工程阻滲功效需求。