河道蓄水工程穩定性及防滲處理技術研究

豐小華

（中鐵十七局集團第三工程有限公司，石家莊050000）

1 引言

蓄水工程是保障河道穩定性和安全性的重要項目，并且可在一定程度上提升周邊區域水土資源的利用率，使國土資源得到最大限度的開發應用，同時還可改善當地水土生態環境，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修復工程PPP項目為實例展開分析研究。項目主要建設內容為滹沱河主槽的防洪治理，兩岸生態綠化工程，其中主河槽治理包括主槽擴挖疏浚、蓄水構筑物修建、岸坡修整及險工險段防護等。同時本次蓄水防滲建設以10 a一遇為行洪標準，工程上游水庫庫容為4.5×106m3，溢流堰堰體長、堰高、頂寬分別為233.8 m、2.5 m、7.0 m，溢流堰順水流方向長93.15 m，垂直水流方向寬233.8 m。GB 50201—2014《防洪標準》規定，遠離堤防的岸坡建筑物與主槽內水系攔蓄建筑物的級別均為五級[1]。為了更好地開展滹沱河黃壁莊水庫項目，做好蓄水防滲作業，于正式施工前全面調查工程現場的地形、地勢及地質環境，獲得一手數據，整理歷史數據，石家莊市滹沱河生態修復工程PPP項目的高效開展提供數據支持，同時明確滹沱河水庫蓄水工程的實際供水需求，進一步提高上游水庫及溢流堰的防滲效果，使工程建筑物能夠長期穩定運行。

3 河道蓄水工程溢流堰的建設分析

3.1 水力計算

在河道工程溢流堰水力計算期間，均按照SL 265—2016《水閘設計規范》中公式進行計算[2]。在計算流量之前，需先對河道水流狀態判斷。經計算，判斷水流為堰流。然后根據式（1）計算流量：

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

根據滹沱河河道蓄水工程工況確定相關參數，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233.8 m，同時在項目工程中，將溢流堰長度劃分為7段，各段實際寬度為1 m，運用水流傳感器對滹沱河河道蓄水工程溢流堰頂部流速數據進行采集，取流速V0為8 m/s。將上述參數套入式（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 海漫設計

在海漫設計期間，海漫長度需運用式（2）進行計算：

式中，Lp為海漫長度，m；ks為長度計算系數，取10；q′為消力池單寬流量，m3/s；ΔH為河道上下游水位差[3]，多在區間[1,9]取值，按照滹沱河黃壁莊水庫蓄水工程相關參數進行計算，最終得出海漫長度約為30 m。

得出海漫長度后，還需運用式（3）計算海漫沖刷深度：

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

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

4 河道蓄水工程溢流堰穩定性研究

在當前社會背景下，水利工程項目持續開發建設，工程結構穩定性評價方式已得到一定突破，在河道蓄水工程中，可依托工程現有數據對其穩定性進行分析。滹沱河河道蓄水工程地基條件復雜，為確保河道蓄水工程使用壽命，切實滿足該水利工程建設施工要求，需做好穩定性分析。

4.1 基礎底面應力計算

在滹沱河河道蓄水工程中，其主要建筑物為溢流堰，故在穩定性分析期間，主要圍繞溢流堰結構展開穩定性計算。其中，溢流堰基礎底面應力計算公式為：

式中，Pmin為滹沱河河道蓄水工程溢流堰結構的最小基礎底面應力，kPa；Pmax則為最大基礎底面應力，kPa；∑M為滹沱河河道蓄水工程溢流堰結構基礎底面上的水平、豎向荷載對垂直水流產生的力矩總和，kN·m；∑G為溢流堰豎向荷載的總和，N；A為溢流堰結構底面面積，m2；W為溢流堰結構底面對垂直水流產生的截面矩，m3。按照式（4）、式（5）展開計算，發現在滹沱河河道蓄水工程中，溢流堰基礎底面應力符合建設標準。

4.2 抗滑及抗浮穩定性計算

為進一步了解滹沱河河道蓄水工程溢流堰穩定性，還需計算其抗滑穩定性，計算公式為：

式中，Kc為溢流堰基礎底面抗滑穩定性；f為溢流堰基礎底面與結構地基間的摩擦系數；∑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。

溢流堰基礎底面抗浮穩定性計算：

式中，Kf為溢流堰基礎底面抗浮穩定系數；∑V為堤壩所承受的所有鉛直力，kN；∑U為溢流堰基礎底面所承受的上揚壓力，kN。

為全方位了解滹沱河河道蓄水工程溢流堰的抗滑穩定性及抗浮穩定性，需在實際施工期間采集溢流堰在的不同工況下的數據，即無水狀態下的完建期工況、擋水工況，同時考慮到工程所在地冬季河道將會結冰，故還需考慮冰凍工況。對3種典型工況的結構自重數據、水重數據、風壓力數據、靜水壓力數據、冰壓力數據、揚壓力數據等進行采集，按照式（6）、式（7）進行計算，得出滹沱河河道蓄水工程溢流堰的抗滑穩定性及抗浮穩定性，最終確定其抗滑穩定性及抗浮穩定性均符合要求，即溢流堰可在不同工況下仍發揮作用，使河道能夠安全運行。

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施，其主要通過垂直防滲與縱向防滲、水平防滲3種方式實現防滲處理，使防滲墻能夠與堤壩墻體成為統一整體，繼而提高堤壩防滲能力。防滲墻在穩定性方面存在顯著優勢，不僅防滲效果優異，并且有助于造價控制。防滲墻在實際應用期間，需借助鉆孔機械設備鉆進成孔，根據工程地質穩定性情況選擇泥漿，合理確定灌漿時間，并進行深層次攪拌，盡可能使防滲墻與混凝土完成黏結融合，繼而增強防滲墻結構的可靠性。為防止外部自然條件影響防滲墻的防滲性能，應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。

結合上述分析可見，防滲墻在造價和防滲效果方面具有一定優勢，但其在不穩定性復雜地質條件下易出現灌漿中斷、漏漿等問題，故在防滲施工期間，應制訂風險因素處理方案。防滲墻厚度是決定其防滲效果的主要因素，在實際施工過程中，可運用式（8）計算防滲墻的厚度：

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

圖1 堤壩防滲墻結構

5.2 灌漿防滲

在地下水豐富、地質條件不穩定的情況下極易發生滲透問題，在處理滲透問題時，灌漿技術的應用頻率較高，其防滲原理在于借助水泥壓力使堤壩與水泥漿充分結合，以此減小滲透概率。在灌漿防滲技術中，高壓噴射技術尤為常用，在其施工期間，需使泥漿在高壓條件下灌入堤壩縫隙結構中，借助泥漿的黏合作用提高堤壩的穩定性，繼而實現防滲作用。影響高壓灌漿技術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，用于增強抗滲性。同時應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，用黃泥漿進行封漿，進一步提升防滲效果，最大限度地降低滲透問題出現概率。

5.3 土工膜防滲

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

圖2 土工膜材料

5.4 膨潤土防水毯防滲

膨潤土防水毯由針刺法制成，故其內部存在諸多纖維空間，當遭受河水沖擊時，防水毯將會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（膨潤土）防滲墊層多設置在高分子材料與現場黏土之間，其中，GCL防滲墊層內部含有鈉基膨潤土，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，繼而對堤壩起到良好的防滲保護效果，結合滹沱河河道蓄水工程來看，其防滲處理作業面臨地形條件差、工程范圍大的挑戰，尤其為河道內河心島區域，其存在至少20 m的采砂坑，且砂坑填埋密實度相對較少，故在實際防滲施工期間，該部分區域應用了膨潤土防水毯防滲方法。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 結語

綜上所述，滹沱河河道蓄水工程地基條件復雜，為確保河道蓄水工程使用壽命，在實際施工期間針對其主要建筑物（溢流堰）展開了大量計算，如水力計算、海漫計算，并從基礎底面應力、抗滑穩定性、抗浮穩定性3個方面展開分析，最終發現溢流堰穩定性優異，符合水利工程建設要求，同時為提高工程防滲效果，主要應用了土工膜+膨潤土防水毯的方式最大限度地保障了工程結構防滲性能。