晉祠泉域汾河生態(tài)工程防滲墻布設(shè)研究

朱志軍

（忻州水利建設(shè)投資有限公司，山西 忻州 034000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地下水的大規(guī)模破壞性開采對(duì)水資源的破壞致使巖溶水資源采補(bǔ)嚴(yán)重失衡，做好生態(tài)補(bǔ)水工作迫在眉睫。為了有效增加水域補(bǔ)給量，促進(jìn)復(fù)流，改善河道生態(tài)環(huán)境，應(yīng)從攔河壩截水、蓄水區(qū)補(bǔ)水、防滲墻布設(shè)、生態(tài)護(hù)岸興建等多方面對(duì)生態(tài)補(bǔ)水區(qū)域展開建設(shè)[1，2]。其中，蓄水區(qū)周邊防滲墻布設(shè)是生態(tài)補(bǔ)水工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)的合理性直接影響未來水域暢通、工程高效運(yùn)行與管理。本文以晉祠泉域汾河為例進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水工程中防滲墻布設(shè)研究。

1 工程概況

晉祠泉是“三晉第一名泉”，位于太原西山懸甕山下，距太原市城區(qū)25 km，主要用于居民飲水、農(nóng)田灌溉、工業(yè)生產(chǎn)等。由于地下水的大規(guī)模開采、周邊煤礦用水對(duì)水資源的破壞和蒸發(fā)量的逐年增大，地下水位持續(xù)下降，以至于出現(xiàn)1994年4 月30 日“三晉名泉”斷流現(xiàn)象，2008年泉口地下水位最低低于泉口高程27.76 m。為了有效增加泉水補(bǔ)給量，促進(jìn)晉祠泉復(fù)流，改善汾河河道生態(tài)環(huán)境，2019年開展晉祠泉生態(tài)補(bǔ)水工程。晉祠泉羅家曲至龍尾頭生態(tài)蓄水工程擬建的1#、3#、4#、6#閘壩位于汾河水庫(kù)與汾河二庫(kù)之間的汾河干流上。自上而下，1#閘壩位于婁煩縣羅家曲村附近，距離汾河水庫(kù)壩址約6.4 km；3#閘壩位于婁煩縣強(qiáng)家莊村上游，與1#閘相距1.55 km；4#閘壩位于婁煩縣強(qiáng)家莊村下游，與3#閘相距1.0 km；6#閘壩位于龍尾頭村附近，與4#閘相距7.58 km。為了提高1#、3#、4#及6#蓄水區(qū)周邊地基防滲能力和承載能力，保障蓄水區(qū)水量穩(wěn)定，需要進(jìn)行防滲工程施工，這有利于地表水充分下滲至巖溶地下層，促進(jìn)地下水位升高和晉祠泉水流暢通。

2 常用防滲技術(shù)

我國(guó)防滲技術(shù)過去大多采用黏土鋪蓋、攪拌樁等方案，隨著國(guó)外防滲技術(shù)的引進(jìn)，大量先進(jìn)工藝如混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿等被經(jīng)常采用。通過學(xué)者們大量的試驗(yàn)和工程實(shí)踐，這些防滲技術(shù)各有利弊，詳見表1。

表1 常用防滲技術(shù)

3 地質(zhì)條件

攔河壩位于婁煩縣杜交曲鎮(zhèn)龍尾頭村下游800 m處汾河干流上，壩高約3.0 m，壩頂高程1030.00 m，壩長(zhǎng)48 m，正常蓄水位1030.00 m；蓄水區(qū)范圍從壩址至蓄水區(qū)末端長(zhǎng)約520 m。壩址及蓄水區(qū)覆蓋層為第四系全新統(tǒng)河流相洪沖積（Q4pal）卵石混合土，厚0～24.4 m，兩岸出露及下伏基巖為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r泥質(zhì)灰?guī)r等。壩基卵石混合土的不均勻系數(shù)范圍為61.2～102.2，細(xì)粒含量范圍為1.21%～1.54%，經(jīng)計(jì)算，其臨界水力比降平均值為0.21。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)滲水試驗(yàn)和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)值，滲透系數(shù)取2 m/d，經(jīng)計(jì)算壩基滲漏總量為38萬m3/a，超過設(shè)計(jì)允許滲透量。根據(jù)相應(yīng)規(guī)范，垂直防滲措施一般布置在壩的底部。本工程防滲墻全長(zhǎng)520 m，頂高程設(shè)為1030 m，最大深度45.3 m。

4 防滲墻布設(shè)比選

根據(jù)常見防滲技術(shù)以及本工程地質(zhì)條件，本工程防滲體布置要求有以下方面：設(shè)計(jì)方案必須保證工程質(zhì)量；工程整體概算低，工程量小，易施工；防滲體施工時(shí)必須保證整體安全性；防滲體施工期間，盡量協(xié)調(diào)各方面用水需求。因此，對(duì)相對(duì)適合的2 種方案即混凝土防滲墻以及高噴防滲墻進(jìn)行進(jìn)一步的比較。

4.1 混凝土防滲墻方案

4.1.1 墻體材料

防滲墻材料采用塑性混凝土，具有彈性模量小、可以降低墻內(nèi)應(yīng)力和減少墻體開裂、抗地基變形能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，其設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表2—3。

表3 混凝土主要原料

4.1.2 防滲墻厚度

防滲墻厚度取決于抗?jié)B坡降、抗?jié)B比降以及現(xiàn)場(chǎng)施工水平等。防滲墻厚度計(jì)算公式為：

式中：K為抗?jié)B坡降安全系數(shù)，取4；ΔHmax為最大水頭差（m），取16 m；Jmax為允許滲透比降，取80。

經(jīng)計(jì)算，得防滲墻厚度為0.8 m。

4.1.3 施工方法

首先，進(jìn)行施工平臺(tái)開挖，防滲墻施工前，將壩頂開挖至主壩副壩設(shè)計(jì)高程，施工平臺(tái)寬度大于5 m。其次，修建倒L 形鋼筋混凝土導(dǎo)墻，高0.9 m，底寬1.0 m，厚度0.3 m。再次，在水庫(kù)壩肩處建造磚砌泥漿池，拌制泥漿并用泥漿固壁進(jìn)行防滲處理，泥漿主要原料及配合比詳見表4。 最后，在槽段定位進(jìn)行導(dǎo)向孔施工，利用抓斗抓槽，接著導(dǎo)管下至設(shè)計(jì)深度開始澆筑混凝土。

表4 泥漿主要原料及配合比

4.2 高壓旋噴防滲墻方案

4.2.1 高噴灌漿形式

高噴灌漿形式選擇高壓旋噴方式。為保證墻體完整和連續(xù)性采用三管法旋噴，相應(yīng)配備專業(yè)施工人員如泵工、鉆工、噴灌工等，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行試樁試驗(yàn)調(diào)整工藝參數(shù)，結(jié)果詳見表5。施工前，進(jìn)行生產(chǎn)性高噴試驗(yàn)，防滲墻選擇單排柱列型，孔距0.9 m，墻體連接最小厚度不小于0.6 m，墻下部深入基巖不小于0.5 m，以保證旋噴防滲墻的質(zhì)量。

表5 三管法工藝參數(shù)

4.2.2 高噴灌漿施工

高噴防滲墻自下游再上游、先Ⅰ序后Ⅱ序分段作業(yè)，依次成墻，施工程序?yàn)榉艠印炜住聡娋摺鷩娚洹嵘毓唷蓸丁Y(jié)束。在放樣的基礎(chǔ)上，布置控制點(diǎn)，鉆機(jī)就位后用水平尺校準(zhǔn)機(jī)身，確保孔位偏差不大于5 cm，鉆孔偏斜率不大于1%。鉆孔過程中，技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)把關(guān)，保證成孔質(zhì)量。下噴具前，先采用ZJ-400 型高速攪拌機(jī)制漿，試驗(yàn)合格后下噴射管。旋轉(zhuǎn)噴射過程中防止塌孔和堵咀，出現(xiàn)因故中斷現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)采取補(bǔ)救措施。提升噴射管要穩(wěn)定勻速，注漿完成后，成樁固結(jié)體會(huì)有不同程度的收縮，導(dǎo)致頂部出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，等停滯穩(wěn)定后進(jìn)行漿液回灌。

4.3 方案對(duì)比

混凝土防滲墻和高噴防滲墻方案對(duì)比，詳見表6。

表6 方案對(duì)比

工程完工后的質(zhì)量要求是墻體檢測(cè)厚度應(yīng)達(dá)到0.8～1.1m，抗壓強(qiáng)度達(dá)到6 MPa，后期開挖樁體搭接好，防滲效果好。混凝土防滲墻和高噴防滲墻2 種方案的抗壓強(qiáng)度和防滲效果都能滿足項(xiàng)目質(zhì)量要求。另外，從可靠性角度來說，混凝土防滲墻槽段接頭問題已在多個(gè)工程項(xiàng)目中得到解決，而高噴防滲墻的銜接質(zhì)量問題取決于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件，所以塑性混凝土防滲墻的可靠性更高。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，高噴防滲墻方案投資金額低于混凝土防滲墻方案，更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

綜上考慮，汾河壩基防滲土層不復(fù)雜，各土層之間防滲銜接質(zhì)量問題較小，因此選擇性價(jià)比高的高噴防滲墻作為壩基防滲墻體。

5 結(jié)論

防滲墻設(shè)計(jì)是生態(tài)補(bǔ)水工程的重要組成部分，要結(jié)合大壩地質(zhì)條件、防滲要求以及施工經(jīng)濟(jì)可靠性來確定其布設(shè)方案。經(jīng)過對(duì)汾河壩基防滲方案的比選，驗(yàn)證了高噴防滲墻可以提高蓄水區(qū)周邊地基防滲能力和承載能力，保障蓄水區(qū)水量穩(wěn)定，為此研究人員應(yīng)將其應(yīng)用于實(shí)踐，發(fā)揮其該有的作用。

高噴防滲墻方案防滲效果好、造價(jià)低，但是對(duì)于地質(zhì)復(fù)雜的工程應(yīng)用仍有一定局限性，存在防滲體銜接質(zhì)量問題。隨著未來各種新技術(shù)新材料的不斷開發(fā)應(yīng)用，高噴防滲墻存在的質(zhì)量問題將會(huì)得到完全解決。