隆德縣余家峽水庫(kù)特殊地質(zhì)壩基處理與褥墊排水方案研究

周攀峰ZHOU Pan-feng

（寧夏水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，銀川 750000）

0 引言

水利工程建設(shè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的重要組成部分。水庫(kù)是綜合利用水資源的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，對(duì)于保障國(guó)家的水資源安全和可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用。在水庫(kù)建設(shè)過(guò)程中，壩基處理和水庫(kù)排水設(shè)計(jì)是其中至關(guān)重要的一環(huán)。關(guān)于特殊地質(zhì)，壩基斷裂構(gòu)造較發(fā)育的礫巖壩基，目前的處理方式首先是將斷層破碎帶開(kāi)挖，然后混凝土回填，最后加強(qiáng)固結(jié)灌漿處理。借助模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，通過(guò)超載方法對(duì)拱壩左、右岸壩肩抗力體內(nèi)存在的地質(zhì)缺陷進(jìn)行研究，研究表明密集節(jié)理對(duì)拱壩1210m 高程壩肩穩(wěn)定的影響不大，并以此指導(dǎo)工程施工[1]。采用Hype Mesh 軟件可模擬河谷地形特征和壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造，通過(guò)對(duì)特殊地質(zhì)模擬可驗(yàn)證壩體特殊地質(zhì)的穩(wěn)定性。關(guān)于褥墊式排水體的研究，目前有不同結(jié)構(gòu)形式的方案[2]，但是適用于寧夏南部山區(qū)的褥墊排水體還有待研究。褥墊排水體布置后，壩體的滲流問(wèn)題還需驗(yàn)證，多位大師專家采用fluent、autobank 等軟件進(jìn)行滲流分析[3]。針對(duì)黃土高原地區(qū)自上而下依次為壤土、角礫和強(qiáng)分化巖層的地質(zhì)條件，壩基的處理、褥墊排水的設(shè)計(jì)以及該條件下的壩體滲流問(wèn)題還需進(jìn)一步研究。

1 工程概況

為緩解隆德縣城鄉(xiāng)居民用水緊缺的問(wèn)題，在渝河流域甜水河支流新建余家峽水庫(kù)，水庫(kù)集水面積10.7km2，水庫(kù)建成后可以與已建地灣水庫(kù)連通，將地灣水庫(kù)富裕水量通過(guò)已建隆德縣城鄉(xiāng)引水管道調(diào)入某水庫(kù)，實(shí)現(xiàn)余家峽水庫(kù)與地灣水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，向隆德縣城供水，以解決城鎮(zhèn)居民生活及工業(yè)用水緊缺問(wèn)題。余家峽水庫(kù)調(diào)水規(guī)模170 萬(wàn)m3。水庫(kù)總庫(kù)容452.07 萬(wàn)m3，屬小（1）型水庫(kù)。

2 水庫(kù)特殊地質(zhì)條件的壩基處理

2.1 壩基特殊地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，水庫(kù)壩基主要存在以下問(wèn)題：①主溝道頂部土層（粉質(zhì)粘土及壤土），厚度1.0-8.3m，軟塑-可塑狀，屬于Ⅰ級(jí)（輕微）非自重濕陷性（河床左側(cè)）-Ⅱ級(jí)（中等）自重濕陷性場(chǎng)地。頂部土層以下分布碎石及角礫，樁號(hào)范圍0+137～0+408，層深0.5-3.6m，具有液化性，屬?gòu)?qiáng)透水層。②左岸臺(tái)地上部土層存在濕陷，最大厚度達(dá)11m，平均厚度為4-5m，屬于Ⅰ級(jí)（輕微）非自重濕陷性，右岸不濕陷，但其壓縮系數(shù)為0.59MPa-1，屬于高壓縮性土，壓縮變形量較大。③角礫層下部基巖表層2m 為強(qiáng)風(fēng)化層，屬中等透水層，透水率10～100Lu，這以下為弱、微風(fēng)化巖層，透水呂容1～10Lu。

2.2 壩基處理方案

2.2.1 兩岸臺(tái)地粉質(zhì)粘土、壤土層處理

兩岸臺(tái)地土層飽和度大部分在60%以上，依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑地基處理規(guī)范》，不適宜采用強(qiáng)夯法、擠密法處理。當(dāng)土層作為壩基使用時(shí)，經(jīng)過(guò)沉降計(jì)算，最大厚度11.0m 處（左岸）沉降量達(dá)1.7m，一般斷面沉降量為0.8m左右，不能滿足總沉降量小于壩高1%的要求，因此，也不宜作為持力層。因此，對(duì)于兩岸臺(tái)地土層，可行的處理方案是全部挖除，土方用于壩體填筑。

2.2.2 主溝道土層、液化角礫層處理

對(duì)于主溝道土層及下部液化角礫層，壩基處理方案有兩種，方案一：土層及下部液化角礫層全部挖除；方案二：挖除上部土層+下部液化角礫采用振動(dòng)壓密法處理。從經(jīng)濟(jì)、安全和可靠性三方面進(jìn)行比選，工程采用方案一。

2.2.3 壩基防滲

2m 厚的強(qiáng)風(fēng)化層全部挖除成本過(guò)高，故設(shè)計(jì)截水槽，使其深度以開(kāi)挖至相對(duì)不透水層下1.0m 為準(zhǔn)（10LU），截水槽布置于壩軸線處，梯形斷面，開(kāi)挖邊坡1∶1，截水槽底寬5.0m，截水槽采用粘土回填，回填土分層夯實(shí)與主壩銜接，填筑土壓實(shí)度不小于0.97，滲透系數(shù)小于1×10-5cm/s。具體設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖1 截水槽斷面圖，設(shè)計(jì)巧妙借助截水槽，同時(shí)為降低浸潤(rùn)線針對(duì)性布置褥墊排水，解決了2m 厚強(qiáng)風(fēng)化層的滲水問(wèn)題，該處理方法可實(shí)現(xiàn)壩體防滲和節(jié)約投資成本的效果。

圖1 截水槽斷面圖

3 壩基褥墊排水體設(shè)計(jì)

根據(jù)筑壩土料顆分表（表1），判定被保護(hù)土均小于4號(hào)篩（4.75mm）的顆粒，不需要對(duì)土顆粒大小級(jí)配曲線進(jìn)行調(diào)整。以通過(guò)200 號(hào)篩（0.075）顆粒的百分?jǐn)?shù)為標(biāo)準(zhǔn)，確定被保護(hù)土的類別。顆粒粒徑為0.075mm 時(shí)，小于0.075mm 粒徑的土所占的百分?jǐn)?shù)＞85%，被保護(hù)土的類別為1 類，即細(xì)粉土和粘土。

3) 在特征上，主權(quán)和契約權(quán)源的縱向競(jìng)合包含兩種不同屬性的協(xié)調(diào)權(quán)，兩者產(chǎn)生的法律和理論的依據(jù)都有差別，故而會(huì)存在明顯的順位。這表明在特定的情況下，契約權(quán)源下的協(xié)調(diào)權(quán)應(yīng)該讓位并遵從于主權(quán)權(quán)源下的協(xié)調(diào)權(quán)，只是在何種情形或程度下才能體現(xiàn)并運(yùn)用這一順位，需要進(jìn)一步探討與分析。

表1 余家峽水庫(kù)筑壩土料顆分曲線表

3.1 反濾層應(yīng)滿足濾土要求

由于土料小于0.075mm 顆粒含量＞85%，為1 類，因此反濾層最大粒徑D15≤9d85，取D15=9d85=9×0.055=0.50mm。式中：D15—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%；d85—被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的85%。

3.2 反濾層應(yīng)滿足排水要求

以透水性作為控制的必要條件，應(yīng)使D15≥4d15，且不小于0.1mm。d15=0.007mm，4d15=4×0.007=0.028mm＜0.1mm。式中：d15—被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%。

防止采用間斷級(jí)配的反濾料：設(shè)計(jì)反濾料應(yīng)滿足過(guò)篩率為60%粒徑中任一粒徑的最大與最小值的比率不大于5。反濾料級(jí)配范圍：不均勻系數(shù)小于等于6。

3.3 其他反濾料粒徑的計(jì)算

主要計(jì)算內(nèi)容如下：最大D10=最大D15/1.2=0.5/1.2=0.42mm；最大D60=最大D10×6=0.42×6=2.52mm；最小D60=最大D60/5=2.52/5=0.50mm；最大粒徑D100＜75mm，取D100=50mm；最小粒徑D5=0.075mm；最小D10=最小D15/1.2=0.1/1.2=0.08mm；當(dāng)最小D10＜0.5 時(shí)根據(jù)防分離準(zhǔn)則，最大D90=20mm；最小D90=20/5=4mm。

式中：D5—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的5%；D10—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的10%；D60—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的60%；D90—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的90%；D100—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的100%。

3.4 壩基褥墊式排水體設(shè)計(jì)

圖2 為褥墊排水體詳圖。設(shè)計(jì)壩基褥墊排水體厚2.4m，上、下兩層反濾的結(jié)構(gòu)均為0.4 厚細(xì)反濾料（D=0.3-2mm）+0.4m 厚粗濾料（D=2-10mm），中間層為0.8m 厚的排水層（D=20-40mm）。水庫(kù)抗震烈度屬于8 度區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度0.2g，峰值加速度較高。依據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，從防止液化的角度出發(fā)，褥墊排水壓實(shí)相對(duì)密度要求不小于0.8。

圖2 褥墊排水體詳圖

4 褥墊排水體布置后壩體滲流計(jì)算

為更好地評(píng)估水平褥墊排水的布置以后水庫(kù)的滲流情況，本文借助autobank 軟件對(duì)含褥墊排水的壩體進(jìn)行滲流計(jì)算。

4.1 選擇計(jì)算斷面

選擇壩體樁號(hào)K0+300（河谷段最大壩高斷面，壩高37.8m）、K0+200（河岸階地?cái)嗝妫瑝胃?6.0m），共兩個(gè)計(jì)算斷面。

4.2 建立有限元計(jì)算模型

土壩垂直于溝道布置，壩頂高程2201.6m，最大壩高37.8m，壩頂長(zhǎng)603.0m，壩頂寬5.0m，壩頂為瀝青砼路面，上、下游壩坡自上而下依次為1∶2.5、1∶2.75、1∶3.0。上、下游壩坡在高程2191.6m、2181.6m 處設(shè)馬道，馬道寬2.0m。壩體排水采用壩基水平褥墊+壩后貼坡排水相結(jié)合的方式，從大壩截滲槽位置至壩坡腳范圍內(nèi)整體設(shè)褥墊排水。依據(jù)壩體結(jié)構(gòu)與壩體尺寸建立有限元模型。繪制計(jì)算斷面材料分區(qū)圖，模型采用三角形和四邊形混合單元對(duì)其進(jìn)行剖分，計(jì)算斷面相應(yīng)的材料分區(qū)及離散的有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖3。

圖3 計(jì)算斷面有限元網(wǎng)格圖

4.3 計(jì)算參數(shù)

大壩各分區(qū)材料滲透系數(shù)通過(guò)地勘報(bào)告中建議值確定，具體選取情況見(jiàn)表2。

表2 大壩各分區(qū)材料計(jì)算指標(biāo)表

4.4 計(jì)算工況

按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274—2001）的規(guī)定，滲流計(jì)算需要計(jì)算下列4 種水位組合，具體見(jiàn)表3。

表3 大壩滲流場(chǎng)計(jì)算工況表

4.5 滲流有限元計(jì)算成果

根據(jù)大壩滲流計(jì)算成果表（表4），按平均水位計(jì)算水庫(kù)年滲漏約為16.5 萬(wàn)m3/a，出溢點(diǎn)位于溝底壤土層上，允許滲透比降0.5。

表4 不同斷面各工況大壩滲流計(jì)算成果表

5 結(jié)語(yǔ)

本研究依托余家峽水庫(kù)設(shè)計(jì)施工中遇到的特殊地質(zhì)問(wèn)題，旨在探究特殊地質(zhì)條件下土壩壩基的處理和褥墊排水方案。①本文通過(guò)對(duì)水庫(kù)特殊地質(zhì)條件的分析，依據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)了合理有效的壩基處理方案，將兩岸臺(tái)地土層、主溝道土層及下部液化角礫層全部挖除，同時(shí)巧妙借助截水槽，成功解決2m 厚強(qiáng)風(fēng)化層的滲水問(wèn)題。②本文通過(guò)對(duì)被保護(hù)土的粒徑分析和計(jì)算，確定了反濾層的最大粒徑和級(jí)配范圍，以及反濾料的其他粒徑計(jì)算。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)2.4m 厚的壩基褥墊式排水體，包括0.4m 厚細(xì)反濾料+0.4m厚粗濾料和0.8m 厚的排水層，以滿足濾土和防滲要求。為確保褥墊排水的效果，采用了autobank 軟件進(jìn)行含褥墊排水的壩體滲流計(jì)算，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。本研究為土壩壩基處理和褥墊排水方案設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可借鑒的案例，并對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了一定的啟示。