多元結構地基抬田工程技術參數研究

趙英華，劉波

（萊蕪市雪野水庫管理處，山東　萊蕪　271100）

多元結構地基抬田工程技術參數研究

趙英華，劉波

（萊蕪市雪野水庫管理處，山東萊蕪271100）

以山東萊蕪雪野水庫增容工程抬田施工設計為例，通過滲流模型實驗進行有限元計算模擬，分析淹沒區多元地基結構在不同滲流條件下的滲流情況與負壓水頭勢變化規律，確定最有利于農作物生長的土層指標參數，指導后期淹沒區抬田工程施工設計。

抬田工程；多元結構地基；滲流；水勢變化規律

雪野水庫位于萊蕪市萊城區以北30 km，水庫控制流域面積444 km2，總庫容19 977萬m3，為保障庫區人民生活與經濟發展，設計對雪野水庫進行增容，而水庫增容擴效勢必對庫區農業造成影響，工程設計對西抬頭村、通天河、花峪河等淹沒區范圍內農田進行抬高，并對相關道路、邊坡等進行改造。

1　模型建立與參數設定

1.1物理實驗模型建立

多元地基結構通常包含四個部分，由下至上依次為墊高層、防滲層、犁底層以及耕作層，各個土料性質參數存在差異性。以山東省雪野水庫庫區土料實際測量數據為根據，結合西抬頭村抬田工程施工設計方案，建立淹沒區地基土物理實驗模型。實驗模擬工況主要為自由排滲與穩定滲流情況，穩定滲流過程可通過模型頂部加適量水實現，頂部加水厚度控制在2～5 cm，并對耕作層進行適當的松動。

1.2物理實驗參數

水庫擴容影響區的抬田施工時，首先將抬田影響區40 cm表層土剝離臨時堆放，再將取土區其他土料運至抬田區，最后將表層土回填至抬田區表層并整平。因此，根據施工設計方案對不同地層結構土樣進行取樣測試，測試內容主要包括顆粒級配、最大干密度、最優含水量、不同擊實度下土層的飽和滲透性。結合實際施工情況，設定擊實度為三種情況，其分別為0.88、0.90和0.92。由于防滲層對整個地基結構滲流起關鍵作用，按照相關規定，實驗所采用防滲層土料顆粒中小于0.1 mm顆粒不低于10%。實驗測得各地基結構土料物理參數如表1所示。

表1　土料物理參數測試結果

2　自然排滲條件下地基土層滲流特性

2.1滲流量情況

抬田結構初期滲流量較大，平均滲流量在27 mm/d，但其在較短的時間內（約3 d）就降低至一較低的水平；此后為抬田結構的穩定滲流期間，穩定滲流期間每天滲流量在3.5 mm/d。穩定滲流期間耕作層土料滲流變為飽和狀態，且水分逐漸下滲至防滲層中上部，未穿過防滲結構層，這表明防滲層參數設定較為合理。

2.2土壤負壓水頭勢隨時間變化情況

利用滲流水勢觀測設備監測圖樣水頭勢隨時間變化情況，其結果如圖1所示。分析各個位置的水頭勢變化規律可知，安裝在防滲層中上部的#1、#2和#3測點在整個過程中未出現負壓的情況，且其水頭勢數值與0十分接近；安設在墊高層的#5測點負壓水頭勢變化歷經增長-降低的過程，水頭勢增長幅度（4 kPa）與增長用時（50 d）較小，整體變化仍以逐漸降低；防滲層中下部#4測點水頭勢一直小于#5測點，表明中下部土料滲流狀態為非飽和狀態，隨時間變化，負壓水頭勢逐漸降低，而飽和度在逐漸增加，這亦表明防滲層的防隔水效果比較優異。而在模型滲流穩定之后，降低防滲層厚度，發現其滲流量變化幅度非常有限，工程實踐中可適當縮減施工防滲層厚度，以降低施工難度與工程施工成本。

圖1　水頭勢隨時間變化曲線

2.3土壤負壓水頭勢隨深度變化情況

以5 d作為土壤負壓水頭勢隨深度變化的監測周期，得到其變化過程曲線。分析其變化過程可知，抬田地基結構在豎直面上的水頭勢存在明顯的差別，并以防滲層作為分界面，其上犁底層、耕作層土料負壓水頭勢與埋深呈負相關性；而其下部分則隨埋深增加，負壓水頭勢逐漸增加，飽和度則逐漸降低。由觀測周期內不同深度土層水頭勢變化速率可知，其在20 d之后曲線變得較為平緩，負壓水頭勢整體保持在一個相對穩定的區間，這可直接反映結構土層的滲流狀態為飽和滲透。

綜上分析得知，在當前設計抬田工程施工參數條件下，地基土料在自由排流情況下滲流特性可歸述為以下幾個方面：一是模型初期滲流量較大，初期平均滲透量約在18～35 mm/d，而其經過較短時間（約3 d）就能達到穩定狀態，這與工程實際情況較為吻合；二是較為理想的防滲層厚度為30～50 cm，而當防滲層厚度40 cm、滲透系數1×10-6cm/s時，抬田地基結構的穩定滲流量不超過2 mm/d，工程實際中可根據實際情況適當縮減防滲層厚度；三是防滲層兩側滲流水頭勢有明顯的區別，其中上部為飽和滲流，中下部水頭隨埋深增大逐漸降低。

3　地下水頂托作用下地基結構滲流特性

在模型底部連接加壓水管，并保持底部水頭的穩定，加壓水面線應接近防滲層中部位置，觀測抬田結構滲流量與負壓水頭勢情況。分析地下水頂托作用下模型滲流量情況可知，抬田結構滲流仍較為穩定，較自然排流工況雖有些許不同，但整體滲流量變化基本相似。這表明，地下水頂托作用對抬田結構的滲流量影響微乎其微。

而由此階段抬田結構負壓水頭勢變化情況得到，地下水位較低時，墊高層土料滲流為非飽和狀態。隨地下水位的增高，防滲層受到滲流產生的頂托作用，負壓水頭勢在2～3 d時間內下降達12 kPa。后期墊高層與防滲層下部結構滲流狀態發生變化，由非飽和轉變為飽和狀態，且防滲層下部承壓水頭高度為20～30 cm；與此同時，地下水位升高的過程中，防滲層上部與耕作層土料負壓變化非常微弱，可視作其受地下水頂托作用十分有限。綜合地下水頂托作用下抬田結構滲流特性可知，工程設計較為理想的防滲層厚度為30～40 cm，仍可滿足水庫增容造成的頂托防滲目的。

4　結語

抬田工程施工設計方案成敗的關鍵因素在于防滲層的處理，對于雪野水庫淹沒區多元結構地基而言，抬田工程防滲層顆粒級配中粒徑小于0.1 mm顆粒不應小于10%，穩定滲透系數需在5×10-6cm/s以內。結合抬田地基滲流特性分析得出，防滲層防滲效果良好，滿足水庫擴容造成排滲要求，但可適當縮減防滲層厚度（30～40 cm），以保障地表農作物正常生長。

［1］喻躍平.水利工程中抬田施工技術應用［J］.水利技術監督，2014，06：76-78.

［2］萬迪文，劉祖斌.峽江水利樞紐抬田工程技術研究方法探析［J］.水利技術監督，2012，03：28-30.

［3］張家發.三維飽和非飽和穩定非穩定滲流場的有限元模擬［J］.長江科學院院報，1997，03：36-39.

（責任編輯趙其芬）

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2016-02-13

趙英華（1981—），女，工程師