河道蓄水工程穩(wěn)定性及防滲處理技術(shù)研究

豐小華

（中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司，石家莊050000）

1 引言

蓄水工程是保障河道穩(wěn)定性和安全性的重要項(xiàng)目，并且可在一定程度上提升周邊區(qū)域水土資源的利用率，使國(guó)土資源得到最大限度的開發(fā)應(yīng)用，同時(shí)還可改善當(dāng)?shù)厮辽鷳B(tài)環(huán)境，為周邊居民提供充足的水資源。

2 工程概況

本文選取石家莊市滹沱河生態(tài)修復(fù)工程PPP項(xiàng)目為實(shí)例展開分析研究。項(xiàng)目主要建設(shè)內(nèi)容為滹沱河主槽的防洪治理，兩岸生態(tài)綠化工程，其中主河槽治理包括主槽擴(kuò)挖疏浚、蓄水構(gòu)筑物修建、岸坡修整及險(xiǎn)工險(xiǎn)段防護(hù)等。同時(shí)本次蓄水防滲建設(shè)以10 a一遇為行洪標(biāo)準(zhǔn)，工程上游水庫(kù)庫(kù)容為4.5×106m3，溢流堰堰體長(zhǎng)、堰高、頂寬分別為233.8 m、2.5 m、7.0 m，溢流堰順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)93.15 m，垂直水流方向?qū)?33.8 m。GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，遠(yuǎn)離堤防的岸坡建筑物與主槽內(nèi)水系攔蓄建筑物的級(jí)別均為五級(jí)[1]。為了更好地開展滹沱河黃壁莊水庫(kù)項(xiàng)目，做好蓄水防滲作業(yè)，于正式施工前全面調(diào)查工程現(xiàn)場(chǎng)的地形、地勢(shì)及地質(zhì)環(huán)境，獲得一手?jǐn)?shù)據(jù)，整理歷史數(shù)據(jù)，石家莊市滹沱河生態(tài)修復(fù)工程PPP項(xiàng)目的高效開展提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)明確滹沱河水庫(kù)蓄水工程的實(shí)際供水需求，進(jìn)一步提高上游水庫(kù)及溢流堰的防滲效果，使工程建筑物能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3 河道蓄水工程溢流堰的建設(shè)分析

3.1 水力計(jì)算

在河道工程溢流堰水力計(jì)算期間，均按照SL 265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式進(jìn)行計(jì)算[2]。在計(jì)算流量之前，需先對(duì)河道水流狀態(tài)判斷。經(jīng)計(jì)算，判斷水流為堰流。然后根據(jù)式（1）計(jì)算流量：

式中，B為溢流堰頂寬，m；Q為流量，m3/s；σ為淹沒系數(shù)，取1；ξ為側(cè)收縮系數(shù)，為常數(shù)，取0.99；V0為流速，m/s；m為流量系數(shù)，為常數(shù)，取0.42；g為重力加速度，取9.8 m/s2；H為特征水位，m。

根據(jù)滹沱河河道蓄水工程工況確定相關(guān)參數(shù)，其中，溢流堰水體行近流速為56.3 m/s，溢流堰頂寬7 m，堰長(zhǎng)233.8 m，同時(shí)在項(xiàng)目工程中，將溢流堰長(zhǎng)度劃分為7段，各段實(shí)際寬度為1 m，運(yùn)用水流傳感器對(duì)滹沱河河道蓄水工程溢流堰頂部流速數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，取流速V0為8 m/s。將上述參數(shù)套入式（1），以此即可得出該滹沱河河道蓄水工程的河道流量為470 m3/s。

3.2 海漫設(shè)計(jì)

在海漫設(shè)計(jì)期間，海漫長(zhǎng)度需運(yùn)用式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中，Lp為海漫長(zhǎng)度，m；ks為長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)，取10；q′為消力池單寬流量，m3/s；ΔH為河道上下游水位差[3]，多在區(qū)間[1,9]取值，按照滹沱河黃壁莊水庫(kù)蓄水工程相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最終得出海漫長(zhǎng)度約為30 m。

得出海漫長(zhǎng)度后，還需運(yùn)用式（3）計(jì)算海漫沖刷深度：

式中，dm為海漫沖刷深度，m；qm為海漫單寬流量，m3/s；[v0]為土質(zhì)允許不沖流量，為固定常數(shù)，取0.6；hm為海漫河床水深。

按式（3）完成計(jì)算后，需綜合考慮海漫河床水深、滹沱河河道蓄水工程地質(zhì)條件以及已建工程現(xiàn)有水閘數(shù)據(jù)，確定最終河道下游沖放槽實(shí)際深度，繼而最大限度地保障河道蓄水工程的施工效果，并為后續(xù)防滲處理工作奠定基礎(chǔ)。

4 河道蓄水工程溢流堰穩(wěn)定性研究

在當(dāng)前社會(huì)背景下，水利工程項(xiàng)目持續(xù)開發(fā)建設(shè)，工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方式已得到一定突破，在河道蓄水工程中，可依托工程現(xiàn)有數(shù)據(jù)對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。滹沱河河道蓄水工程地基條件復(fù)雜，為確保河道蓄水工程使用壽命，切實(shí)滿足該水利工程建設(shè)施工要求，需做好穩(wěn)定性分析。

4.1 基礎(chǔ)底面應(yīng)力計(jì)算

在滹沱河河道蓄水工程中，其主要建筑物為溢流堰，故在穩(wěn)定性分析期間，主要圍繞溢流堰結(jié)構(gòu)展開穩(wěn)定性計(jì)算。其中，溢流堰基礎(chǔ)底面應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中，Pmin為滹沱河河道蓄水工程溢流堰結(jié)構(gòu)的最小基礎(chǔ)底面應(yīng)力，kPa；Pmax則為最大基礎(chǔ)底面應(yīng)力，kPa；∑M為滹沱河河道蓄水工程溢流堰結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底面上的水平、豎向荷載對(duì)垂直水流產(chǎn)生的力矩總和，kN·m；∑G為溢流堰豎向荷載的總和，N；A為溢流堰結(jié)構(gòu)底面面積，m2；W為溢流堰結(jié)構(gòu)底面對(duì)垂直水流產(chǎn)生的截面矩，m3。按照式（4）、式（5）展開計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在滹沱河河道蓄水工程中，溢流堰基礎(chǔ)底面應(yīng)力符合建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 抗滑及抗浮穩(wěn)定性計(jì)算

為進(jìn)一步了解滹沱河河道蓄水工程溢流堰穩(wěn)定性，還需計(jì)算其抗滑穩(wěn)定性，計(jì)算公式為：

式中，Kc為溢流堰基礎(chǔ)底面抗滑穩(wěn)定性；f為溢流堰基礎(chǔ)底面與結(jié)構(gòu)地基間的摩擦系數(shù)；∑G為堤壩所承受的所有豎向荷載之和，kN；∑H為堤壩所承受的所有水平荷載之和，kN。

溢流堰基礎(chǔ)底面抗浮穩(wěn)定性計(jì)算：

式中，Kf為溢流堰基礎(chǔ)底面抗浮穩(wěn)定系數(shù)；∑V為堤壩所承受的所有鉛直力，kN；∑U為溢流堰基礎(chǔ)底面所承受的上揚(yáng)壓力，kN。

為全方位了解滹沱河河道蓄水工程溢流堰的抗滑穩(wěn)定性及抗浮穩(wěn)定性，需在實(shí)際施工期間采集溢流堰在的不同工況下的數(shù)據(jù)，即無水狀態(tài)下的完建期工況、擋水工況，同時(shí)考慮到工程所在地冬季河道將會(huì)結(jié)冰，故還需考慮冰凍工況。對(duì)3種典型工況的結(jié)構(gòu)自重?cái)?shù)據(jù)、水重?cái)?shù)據(jù)、風(fēng)壓力數(shù)據(jù)、靜水壓力數(shù)據(jù)、冰壓力數(shù)據(jù)、揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集，按照式（6）、式（7）進(jìn)行計(jì)算，得出滹沱河河道蓄水工程溢流堰的抗滑穩(wěn)定性及抗浮穩(wěn)定性，最終確定其抗滑穩(wěn)定性及抗浮穩(wěn)定性均符合要求，即溢流堰可在不同工況下仍發(fā)揮作用，使河道能夠安全運(yùn)行。

5 河道蓄水工程防滲處理

5.1 防滲墻

防滲墻是河道蓄水工程中常用的防滲處理設(shè)施，其主要通過垂直防滲與縱向防滲、水平防滲3種方式實(shí)現(xiàn)防滲處理，使防滲墻能夠與堤壩墻體成為統(tǒng)一整體，繼而提高堤壩防滲能力。防滲墻在穩(wěn)定性方面存在顯著優(yōu)勢(shì)，不僅防滲效果優(yōu)異，并且有助于造價(jià)控制。防滲墻在實(shí)際應(yīng)用期間，需借助鉆孔機(jī)械設(shè)備鉆進(jìn)成孔，根據(jù)工程地質(zhì)穩(wěn)定性情況選擇泥漿，合理確定灌漿時(shí)間，并進(jìn)行深層次攪拌，盡可能使防滲墻與混凝土完成黏結(jié)融合，繼而增強(qiáng)防滲墻結(jié)構(gòu)的可靠性。為防止外部自然條件影響防滲墻的防滲性能，應(yīng)于防滲處理前做好地基處理工作，還可添加外加劑于泥漿中，以此保障防滲效果。

結(jié)合上述分析可見，防滲墻在造價(jià)和防滲效果方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但其在不穩(wěn)定性復(fù)雜地質(zhì)條件下易出現(xiàn)灌漿中斷、漏漿等問題，故在防滲施工期間，應(yīng)制訂風(fēng)險(xiǎn)因素處理方案。防滲墻厚度是決定其防滲效果的主要因素，在實(shí)際施工過程中，可運(yùn)用式（8）計(jì)算防滲墻的厚度：

式中，S為防滲墻的最小厚度，m；ΔH為墻體兩側(cè)水頭差，m；[J]為允許水力坡降度，為常數(shù)，取0.35；η為防滲墻垂直控制偏差，為常數(shù)，取0.80。堤壩防滲墻結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 堤壩防滲墻結(jié)構(gòu)

5.2 灌漿防滲

在地下水豐富、地質(zhì)條件不穩(wěn)定的情況下極易發(fā)生滲透問題，在處理滲透問題時(shí)，灌漿技術(shù)的應(yīng)用頻率較高，其防滲原理在于借助水泥壓力使堤壩與水泥漿充分結(jié)合，以此減小滲透概率。在灌漿防滲技術(shù)中，高壓噴射技術(shù)尤為常用，在其施工期間，需使泥漿在高壓條件下灌入堤壩縫隙結(jié)構(gòu)中，借助泥漿的黏合作用提高堤壩的穩(wěn)定性，繼而實(shí)現(xiàn)防滲作用。影響高壓灌漿技術(shù)防滲效果的主要因素在于泥漿材料，為保障防滲效果，需添加防水劑，用于增強(qiáng)抗?jié)B性。同時(shí)應(yīng)注意控制鉆孔間距及灌漿壓力，通常情況下，鉆孔間距以1.5～2.0 m為宜，灌漿壓力則需控制在127.40～166.60 kPa。完成灌漿后，用黃泥漿進(jìn)行封漿，進(jìn)一步提升防滲效果，最大限度地降低滲透問題出現(xiàn)概率。

5.3 土工膜防滲

土工膜（見圖2）主要成分為聚氯乙烯，屬于新時(shí)代新型材料，在高光照強(qiáng)度、強(qiáng)烈紫外線環(huán)境中尤為適用，此外，土工膜防滲效果優(yōu)異，抗老化效果顯著，且具有良好的抗腐蝕效果，同時(shí)使用周期長(zhǎng)、成本造價(jià)低、操作便捷，憑借土工膜優(yōu)異性能，其在水庫(kù)等河道蓄水工程中被廣泛應(yīng)用，在案例工程施工中，則應(yīng)用了土工膜材料進(jìn)行防滲處理，使其與膨潤(rùn)土防水毯防滲技術(shù)形成性能優(yōu)異的防滲層。

圖2 土工膜材料

5.4 膨潤(rùn)土防水毯防滲

膨潤(rùn)土防水毯由針刺法制成，故其內(nèi)部存在諸多纖維空間，當(dāng)遭受河水沖擊時(shí)，防水毯將會(huì)依托于其纖維空間形成高密度膠狀防水層，以此起到良好的防滲效果。GCL（膨潤(rùn)土）防滲墊層多設(shè)置在高分子材料與現(xiàn)場(chǎng)黏土之間，其中，GCL防滲墊層內(nèi)部含有鈉基膨潤(rùn)土，遇水可吸收大量水分，體積將膨脹為防滲墊層原體積的15～17倍，繼而對(duì)堤壩起到良好的防滲保護(hù)效果，結(jié)合滹沱河河道蓄水工程來看，其防滲處理作業(yè)面臨地形條件差、工程范圍大的挑戰(zhàn)，尤其為河道內(nèi)河心島區(qū)域，其存在至少20 m的采砂坑，且砂坑填埋密實(shí)度相對(duì)較少，故在實(shí)際防滲施工期間，該部分區(qū)域應(yīng)用了膨潤(rùn)土防水毯防滲方法。河底沖防滲工程典型斷面圖如圖3所示。

圖3 河底防沖防滲工程典型斷面圖

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，滹沱河河道蓄水工程地基條件復(fù)雜，為確保河道蓄水工程使用壽命，在實(shí)際施工期間針對(duì)其主要建筑物（溢流堰）展開了大量計(jì)算，如水力計(jì)算、海漫計(jì)算，并從基礎(chǔ)底面應(yīng)力、抗滑穩(wěn)定性、抗浮穩(wěn)定性3個(gè)方面展開分析，最終發(fā)現(xiàn)溢流堰穩(wěn)定性優(yōu)異，符合水利工程建設(shè)要求，同時(shí)為提高工程防滲效果，主要應(yīng)用了土工膜+膨潤(rùn)土防水毯的方式最大限度地保障了工程結(jié)構(gòu)防滲性能。