砂礫石深覆蓋層壩基處理及防滲設(shè)計研究

陳宋斌，曹孟智

（山東省水利勘察設(shè)計院有限公司貴州分公司，貴州 貴陽 550002）

塑性混凝土是水泥用量較低，并摻加較多膨潤土、黏土等材料的具有較大流動性的混凝土。塑性混凝土具有初始彈性模量低、極限應(yīng)變大、與周圍土體的變形模量相近、易保證墻體的安全以及抗?jié)B性強等優(yōu)點［1，2］，因而被廣泛應(yīng)用于土石壩覆蓋層地基的防滲處理、圍堰的堰體和堰基的防滲處理以及病險水庫的除險加固［3，4］。本文以抱都水庫為例，驗證在砂礫石地基采用塑性混凝土心墻防滲的可行性。

1 工程概況

1.1 工程總體情況

抱都水庫處于畢節(jié)市威寧縣么站鎮(zhèn)抱都村西北，地理位置為東經(jīng)104°15′54″，北緯26°42′43″，位于珠江流域北盤江水系可渡河一級支流響水河中上游河段。水庫大壩壩軸線以上集水面積18.3 km2，總庫容481 萬m3，興利庫容305.9 萬m3，為小（1）型水利工程，主要任務(wù)為灌溉及人畜供水。水庫主要建筑物包括黏土心墻砂礫石壩、開敞式溢洪道、取水兼放空洞、提水泵站以及輸水管線、高位水池等［5］。

1.2 工程地質(zhì)

水庫壩址兩岸第四系覆蓋層為殘坡積層，成份為黏性土夾風化巖屑、巖塊等，孔隙較大，結(jié)構(gòu)松散，密實度較差，厚度0～2 m。壩址河床為沖洪積層，成分以砂礫石為主，厚度為20.5～26.4 m，局部有中細砂夾層。砂礫石平均粒徑為3～5 cm，以次圓狀及次棱角狀為主，由重力觸探可知上部呈松散狀，下部呈中密～密實狀。

水庫工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.10 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s［6］。

《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》［7］（GB50487-2008）附錄G 關(guān)于級配不連續(xù)的土和級配連續(xù)的土的規(guī)定如下。

顆粒大小分布曲線上至少有一個以上粒組的顆粒含量小于或等于3%的土，稱為級配不連續(xù)的土。以上述粒組在顆粒大小分布曲線上形成的平緩段的最大粒徑和最小粒徑的平均值或最小粒徑作為粗、細顆粒的區(qū)分粒徑d，相應(yīng)于該粒徑的顆粒含量為細顆粒含量P。

級配連續(xù)的土粗、細粒徑的區(qū)分粒徑計算公式為：

式中：d為粒徑（mm）；d70為小于該粒徑的含量占總土重70%的顆粒粒徑（mm）；d10為小于該粒徑的含量占總土重10%的顆粒粒徑（mm）。

本次進行9 組砂礫石顆粒大小篩分，其分布曲線如圖1所示。

圖1 砂礫石顆粒大小分布曲線

對于不均勻系數(shù)大于5 的無黏性土滲透變形類型的判別方法為：流土P≥35%；過渡型25%≤P＜35%，取決于土的密度、粒徑和形狀；管涌P＜25%。滲透變形類型判別，詳見表1。

表1 滲透變形類型判別

由表1 可知，抱都水庫壩趾處砂礫石層的滲透變形類別為管涌。

2 壩型選擇

由于抱都水庫工程壩址河床覆蓋層較深，因此不宜修建重力壩和拱壩等剛性壩，推薦修建柔性壩。當?shù)厣暗[石儲量較為豐富，性質(zhì)滿足筑壩要求、易于開采且距壩址較近，可為工程建設(shè)提供足夠的原料，故宜修建塑性混凝土心墻砂礫石壩。

3 壩體防滲設(shè)計

抱都水庫壩址區(qū)有黏土分布，土料黏粒含量、塑性指數(shù)、滲透系數(shù)、有機質(zhì)含量、水溶鹽含量和天然含水率均滿足土石壩心墻防滲要求，故本次采用黏土心墻作為大壩防滲體。

大壩黏土心墻上下游坡度均采用1∶0.75，防滲黏土心墻與砂礫石壩殼間設(shè)置水平寬度為1.5 m 的中粗砂反濾層，壩體防滲（黏土心墻）結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 壩體防滲（黏土心墻）結(jié)構(gòu)設(shè)計

4 壩基防滲處理

抱都水庫壩址砂礫石層較厚，推薦采用“墻接幕”形式。對砂礫石覆蓋層采用塑性混凝土防滲墻，對砂礫石覆蓋層下部基巖采用帷幕灌漿進行防滲處理，從而形成上有防滲墻、下有灌漿帷幕的一種壩基聯(lián)合防滲體，同時與壩體黏土心墻結(jié)合構(gòu)成一個完整的防滲體系。

壩體防滲設(shè)計，如圖3所示。

圖3 壩體防滲設(shè)計

根據(jù)《水工設(shè)計手冊》[7]，防滲墻厚度主要根據(jù)其容許水力梯度、工程類比和施工設(shè)備確定，公式為：

式中：δ為防滲墻厚度（m）；H為防滲墻承受最大作用水頭（m）；Jp為防滲墻的容許水力梯度（m）。剛性混凝土防滲墻的Jp可達80～100 m，塑性混凝土防滲墻的Jp可達50～60 m。

經(jīng)計算，得防滲墻厚度δ=0.58 m。由于本工程防滲墻深度較深，最大深度達51.86 m，按3‰偏差計算，單側(cè)偏斜為0.16 m。根據(jù)防滲墻厚度和偏差計算，防滲墻厚度為0.74 m，另根據(jù)壩址地質(zhì)條件和已建工程經(jīng)驗，防滲墻厚度取0.8 m。

防滲墻軸線位于大壩軸線上游側(cè)1.0 m，底部伸入基巖1.0 m，墻體采用塑性混凝土材料。

壩基基巖防滲采用帷幕灌漿。帷幕灌漿壩基控制在基巖透水率5 Lu線以下5.0 m，其伸入兩岸的長度根據(jù)滲流計算成果和水庫蓄水前兩岸的地下水位與正常蓄水相交位置綜合確定。

5 大壩計算分析

5.1 滲流計算

滲流計算采用河海大學(xué)開發(fā)的AutoBank 軟件進行分析，抱都水庫大壩滲流計算結(jié)果詳見表2。

表2 大壩滲流計算結(jié)果

由表2可知，4種工況下滲透坡降均小于壩體允許滲流坡降0.42，不會發(fā)生滲透破壞，大壩滲流穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

5.2 穩(wěn)定計算

采用河海大學(xué)開發(fā)的AutoBank 軟件進行分析，抱都水庫大壩穩(wěn)定計算結(jié)果詳見表3。

表3 大壩穩(wěn)定計算結(jié)果

由表3可知，各種工況下大壩穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

5.3 沉降計算

5.3.1 計算方法

采用分層總和法計算，壩體分層厚度為1.0 m，壩基按土的性質(zhì)和類別分層。受壓層的計算深度按壩體附加應(yīng)力等于壩基自重應(yīng)力20%處的深度確定。

（1）壩體沉降量計算公式為：

式中：S為壩體沉降量（m）；ei0為第i層的起始孔隙比；eit為第i層在上部荷載作用下的孔隙比，從各土層e-p曲線內(nèi)插求得；hi為第i層土層厚度（m）；n為土層分層數(shù)。

（2）壩基沉降量計算公式為：

式中：S∞為壩基的最終沉降量（m）；Pi為第i層由壩體荷載產(chǎn)生的豎向應(yīng)力（kN）；Ei為第i層的變形模量（MPa）。

（3）豎向應(yīng)力計算。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2020）附錄E.2 豎向應(yīng)力計算要求，壩體任一點豎向總應(yīng)力應(yīng)由自重和壩體荷載引起的附加應(yīng)力疊加，同時當中低壩滿足式（5）要求時，可不考慮壩體荷載引起的附加應(yīng)力在壩基的應(yīng)力擴散，取壩頂以下的最大壩體自重應(yīng)力作為壩基的附加應(yīng)力。

式中：Y為壩基可壓縮層厚度（m），取26 m；B為壩底寬度（m），取146 m。

根據(jù)Y/B=0.18＜0.25，可不考慮壩體荷載引起的附加應(yīng)力在壩基的應(yīng)力擴散，因此取壩頂以下的最大壩體自重應(yīng)力作為壩基的附加應(yīng)力。

5.3.2 計算結(jié)果

大壩沉降計算結(jié)果，詳見表4。

表4 大壩沉降計算結(jié)果cm

取3 處斷面的最大值，經(jīng)計算大壩總沉降量為70.6 cm。根據(jù)工程經(jīng)驗，施工期沉降量約占總沉降量的70%，故竣工后預(yù)留沉降超高0.25 m。根據(jù)壩頂高程確定，在滿足安全超高要求下，富余超高可以滿足竣工后沉降要求。

5.4 抗震安全復(fù)核

5.4.1 水庫場地情況

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，工程區(qū)地震動峰值加速度為0.10 g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

5.4.2 地震液化判別

根據(jù)水庫場地情況，需對壩基砂礫石層進行地震液化判別。

（1）初判。壩址處砂礫石層位于地下水位以下，呈飽和狀態(tài)，松散～稍密，具備振動液化的條件，由此判定壩基砂礫石存在液化可能性，應(yīng)進行工程處理。

（2）標準貫入錘擊數(shù)法。當標準貫入點試驗深度和地下水位在試驗地面以下的深度不同于工程正常運行時，實測標準貫入錘擊數(shù)按式（6）進行校正，并以校正后的標準貫入錘擊數(shù)N63.5作為復(fù)判依據(jù)。符合式（7）要求的土可判為液化土。

式中：N為工程正常運用時，標準貫入點在當時地面以下ds深度處的標準貫入錘擊數(shù)；N′為實測標準貫入錘擊數(shù)；Ncr為液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值；ds為工程正常運用時，標準貫入點在當時地面以下的深度（m）；ds′為標準貫入試驗時，標準貫入點在當時地面以下的深度（m）；dw為工程正常運用時地下水位在當時地面以下的深度（m），當?shù)孛嫜蜎]于水面以下時dw取0；dw′為標準貫入試驗時地下水位在當時地面以下的深度（m），當?shù)孛嫜蜎]于水面以下時dw′取0；No為液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值；ρc為土的黏粒含量質(zhì)量百分率（%），當ρc＜3%時取3%。

壩基砂礫石振動液化判別，詳見表5。

表5 壩基砂礫石振動液化判別

由表5 可知，在地震動峰值加速度0.10 g 條件下，壩基砂礫石層存在液化可能性，為可液化土層。

（3）相對密度復(fù)判法。壩址河床砂礫石層相對密度為75%，依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，判別壩址河床砂礫石層為可能液化土，存在液化可能性。

（4）液化指數(shù)與液化等級判定。液化指數(shù)和劃分地基液化等級的主要目的是將預(yù)估的液化程度定量化，以便采取相應(yīng)的抗液化措施。本工程選用《工程地質(zhì)手冊》（第五版）[8]中的面積法計算壩基液化指數(shù)：

式中：Ile為液化指數(shù)；n為在判別深度范圍內(nèi)每一個鉆孔標準貫入試驗的總數(shù)；Ni，Ncri分別為第i點標準貫入錘擊數(shù)的實測值和臨界值，當實測值大于臨界值時取臨界值；Ai為第i點代表土層厚度所對應(yīng)的權(quán)函數(shù)所圍面積（m2）；A（zi），A（zi-1）分別為從地面算起的深度Zi和Zi-1的權(quán)函數(shù)所圍面積（m2）；Zi，Zi-1分別表示所代表土層的下界面和上界面深度（m）。

《工程地質(zhì)手冊》（第五版）地基液化等級的判定標準為：0＜Ile≤6 時液化等級為輕微，6＜Ile≤18 時液化等級為中等，Ile＞18 時液化等級為嚴重。壩基砂礫石振動液化指數(shù)計算及判別結(jié)果，詳見表6。

表6 壩基砂礫石振動液化指數(shù)計算及判別結(jié)果

（5）計算結(jié)果與分析。本次液化分析主要針對壩基液化進行判斷。根據(jù)計算結(jié)果可知，壩基液化為淺層液化，為深度3.5～9.9 m 范圍內(nèi)的砂礫石層。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第五版）第七章液化指數(shù)計算判定方法，地基液化屬于中等液化。本工程地震烈度為Ⅶ度，設(shè)防類別為丁類，查閱相關(guān)規(guī)范及資料，當液化砂土層、粉土層較平坦時，抗震設(shè)防類別為丁類，地基液化等級為輕微和中等時可不采取抗液化措施。

本工程上部設(shè)有圍堰及風化料壓重，其液化區(qū)域基本在壩腳外側(cè)。在大壩上游高程2167.00 m 以下增加風化料壓重后，液化區(qū)域向上游移動至壓重平臺外側(cè)，結(jié)合其他工程經(jīng)驗分析，壩體上游壩坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。下游壩腳液化區(qū)域由于貼坡排水壓重作用，促使液化區(qū)域外移至壩腳外，液化深度比壩前略深，深度范圍為3.5～9.9 m。結(jié)合以往工程經(jīng)驗及相關(guān)規(guī)范，壩基液化不影響壩坡安全，且下游壩腳填高至2153.00 m 高程，故不再進行抗液化處理。

6 結(jié)論

（1）抱都水庫大壩采用塑性混凝土心墻砂礫石壩，壩基防滲采用“墻接幕”形式，不僅可減少基礎(chǔ)開挖，還可減少棄渣，同時也節(jié)省工程投資。只要控制塑性混凝土心墻施工質(zhì)量，大壩結(jié)構(gòu)安全是可以保證的。

（2）抱都水庫采用塑性混凝土心墻+帷幕灌漿的防滲形式在深砂礫石地基是可行的，對今后在砂礫石地基建壩有一定參考價值。