壩基防滲帷幕設計及滲漏分析

張雙龍（博樂農五師全新勘測設計有限公司，新疆博樂833400）

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壩基防滲帷幕設計及滲漏分析

張雙龍
（博樂農五師全新勘測設計有限公司，新疆博樂833400）

灌漿技術具有施工便捷、安全環保、經濟效益高等優點，被廣泛應用在水利工程領域。防滲帷幕通過凝結顆粒填充巖土間的孔隙提升壩基防滲能力。本文結合工程復雜的地質情況，首先分析了壩基出現滲漏的原因，隨后通過前期防滲帷幕設計進行壩基防滲處理，最后對前期灌漿后的壩基進行滲漏分析。研究表明：前期灌漿帷幕設計可有效地降低滲漏量，但是透水率仍偏高，需要在此基礎上進行補強灌漿處理。

壩基防滲；前期灌漿；帷幕；補強灌漿

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.037

1 工程地質概況

本文研究的水庫壩址區位于天山北麓，準噶爾盆地南緣，地勢南高北低，自然坡降為5‰～8‰。巖性為第四系沖積堆積卵礫石層，以圓礫為主，層頂高程538.58～545.22m。肯斯瓦特以北至紅山嘴出山口的低山丘陵區為地下水徑流區，該區內地下水與地表水互相補給，地下水類型由單一的基巖裂隙水轉化為孔隙、裂隙水共存。裂隙水以下降泉的形式排泄至瑪河，形成第四系孔隙潛水，由于含水介質滲透性較好，因而徑流、排泄條件也較好。含水層介質為透水性較好的卵石、礫石，地下水埋深由南向北隨地面高程的降低而逐漸變淺。圓礫層磨圓度較好，多呈次圓狀，分選性差，母巖成分主要為硬質巖石。該層天然密度2.01～2.10g/cm3，天然含水量3.2%～3.6%，不均勻系數32.25～108.4，曲率系數0.157～1.574，滲透系數為5.5× 10_2～7×10_2cm/s，重型動力觸探錘擊數為5～9擊，埋深大于6m，承載力標準值280kPa。

水庫壩址區年平均流量1.23m3/s，來流含沙量為0.32kg/m3，水庫總庫容量為2540萬m3。該水庫由大壩、輸水隧洞、溢洪道組成，防洪等級按照50年一遇設計、洪水校核按照P=0.1%進行。該大壩采用粘土心墻，其壩基位于一條巖體破碎程度很大的卸荷帶上。大壩軸線貫穿左右兩岸的侵入巖和砂巖，壩址處的河谷呈“V”字型。大壩左岸地形坡度較緩，中上部基巖裸露，壩基為長期風化的閃長玢巖，該側存在較大的裂隙，很難進行開挖施工。卸荷帶巖體節理大多張開，少量還夾雜著淤泥和鐵銹，節理走向為N5°W～N5°E。壩址區共有斷層9條，大多為順流方向，傾角在45°～80°。

2 基于遺傳算法的灌漿設計

遺傳算法是一種模擬自然界進化過程的優化算法，隨著人工智能算法的進步，遺傳算法開始應用于工程、控制、經濟學等多個領域。遺傳算法具有以下優點：

（1）不直接使用變量進行搜索，使用變量的編碼；

（2）搜索中從一組解進行迭代，減少了局部最優解的出現概率；

（3）整個搜索過程是隨機的；

（4）對空間的連通性沒有要求，只需要計算目標函數。

遺傳算法編碼精度：

解碼公式：

其中：Umax為最大值；Umin為最小值；l為編碼串長度；

求解目標函數最大值的表達式為：

其中：Cmin為群體方差的函數。

傳統的帷幕灌漿設計一般參考半經驗公式進行，但是這樣只能得出一個較好的設計方案，而不是最好的設計方案。因此，將帷幕灌漿造價定為最優函數，采用遺傳算法進行優化。由于帷幕灌漿的目的是為了減少滲漏量，降低滲透壓力，在保證水力梯度的基礎上，以滲漏量和滲透壓力為約束條件進行建模。

帷幕灌漿設計優化模型為：

約束條件：

其中：P為帷幕灌漿工程造價；tc為帷幕灌漿厚度；hc為深度；kc為滲透系數；Q為總滲透量；F為總滲透壓力；G為壩基最大水力梯度。

帷幕灌漿設計流程圖見圖1。

圖1 帷幕灌漿設計流程圖

2007～2013年的注水試驗和壓水試驗結果表明：

（1）右岸ZK03、右岸ZK09、左岸ZK003處孔深12m以上的巖體屬于極強-強透水層，孔深12～38m的巖體屬于中透水層，38m以下屬于弱透水層；

（2）河床ZK2處孔深14.5m以上的巖體屬于強透水層，孔深14.5～30m的巖體屬于弱透水層；

（3）左岸ZK001、右岸ZK01處孔深13m以上的巖體屬于極強-強透水層，孔深13～40m的巖體屬于中透水層，40m以下屬于弱透水層；

從試驗結果看，不同深度下透水率均大于3Lu，尤其是左岸ZK003的9.45～14.55m段的透水率竟達13.9Lu，與設計規范要求相差較大。透水率小于5Lu的隔水層埋藏深度在25～70m。由于壩址區山坡坡度較大，不利于設備施工，需要在右岸山體開挖2m×3m灌漿平洞，右岸帷幕向山體方向移動46m，深度約為25m。根據遺傳算法結果，前期帷幕灌漿分為3個序孔，施工中的灌漿壓力隨灌漿位置、灌漿孔序變化，將前期帷幕灌漿工作量列于表1。

表1 前期帷幕灌漿工作量

3 灌漿后滲漏分析

對壩基進行前期灌漿處理后，需要對施工后的滲漏量進行校核，校核仍采用鉆孔壓水實驗法和注水實驗法，校核試驗共布置了29個校核監測孔。其中，檢測孔JK1、JK2為早期帷幕灌漿測量孔，JK8為補充檢測孔，其余均為壩基帷幕校核孔。從試驗結果看，鉆孔巖芯獲取率僅為20%～60%，且取出的巖石大多為張開狀，存在明顯縫隙發育。甚至有些處于卸荷帶的校核孔巖芯取樣率低于20%。

研究表明：JK2和JK3的取樣效果較好，巖芯呈現出弱透水性，但透水率小于3Lu的部分位于壩頂以下75.4～82.1m處。JK4巖芯的透水性較強，大部分區段的透水率在10Lu以上，說明前期防滲灌漿僅對部分區域起作用。表2列出了JK4巖芯不同深度的透水率情況。

表2 JK4巖芯不同深度的透水率情況

雖然經過前期防滲處理后，壩基滲水有一定好轉。但是從表2中的數據看，大部分區段的透水率均仍大于10Lu。針對這個問題，需要在壩基前期灌漿的基礎上對滲透帶進行補強灌漿，這個問題也是今后的研究方向。

4 結語

隨著科學技術的進步，水利工程對灌漿技術的要求不斷提高。灌漿技術十分注意技術總結和理論研究，但是灌漿理論往往滯后于施工經驗。結合工程復雜的地質情況，首先分析了壩基出現滲漏的原因，隨后通過前期防滲帷幕設計進行壩基防滲處理，最后對前期灌漿后的壩基進行滲漏分析。研究表明：前期灌漿帷幕設計可有效的降低滲漏量，但是透水率仍偏高，需要在此基礎上進行補強灌漿處理。

［1］李剛，李軍，楊開華.某土石壩帷幕灌漿滲流監測成果分析［J］.長江科學院院報，2012（05）：86-89.

［2］楊良權，李波，雷安平，樊艷云，高煥芝，魏定勇.南水北調大寧調蓄水庫帷幕灌漿試驗與分析［J］.水利水電技術，2013 （01）：73-78.

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1672-2469（2016）01-0118-03

2015-06-22

張雙龍（1984年—），男，工程師。