西湖調(diào)蓄水庫(kù)堤基地質(zhì)問題及處理措施探討

王紅菊, 倪惠松

(河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,天津　300250)

1　概述

擬建的西湖調(diào)蓄水庫(kù)為平原水庫(kù),是衡水市用于調(diào)節(jié)南水北調(diào)中線總干渠和引黃來(lái)水的配套調(diào)蓄工程。建筑物位于衡水市桃城區(qū)與冀州市交界處,滏東排河以南,現(xiàn)衡水湖(東湖)以西,冀州老城區(qū)西北,距衡水市約15 km。西湖水庫(kù)區(qū)東側(cè)距106國(guó)道較近,場(chǎng)區(qū)交通便利。

水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容為3 800萬(wàn)m3,正常蓄水位23.5 m,庫(kù)底高程16.1 m,平均挖深2.1 m。圍堤為均質(zhì)土堤,軸線總長(zhǎng)8 992 m,平均堤高7.3 m。水庫(kù)總占地面積約6 km2。

2　工程地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地形自西南向東北逐漸傾斜,擬建的西湖調(diào)蓄水庫(kù)區(qū)歷史上曾是滯洪洼地,地勢(shì)平坦開闊,均為耕地,地面高程一般18.2～19.5 m,周邊分布有良心莊、段村、劉家埝等十余村莊。庫(kù)區(qū)西部存在因磚廠取土造成的深坑,坑深3.5～6.6 m,勘察期間坑中有水,頗似小型人工湖面。

庫(kù)區(qū)東側(cè)距離衡水湖(東湖)約2 km,水庫(kù)北側(cè)緊臨滏東排河,該河道基本常年過(guò)水,勘察期間水面高程約16.4 m，庫(kù)區(qū)地下水埋深一般0.6～3.2 m(多數(shù)為1.0～2.3 m),高程一般17.96～15.72 m,西南低,北部及東北部高。地下水、滏東排河河水、衡水湖湖水對(duì)普通水泥均具硫酸鹽型強(qiáng)—弱腐蝕性,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有中等—弱腐蝕性。

庫(kù)區(qū)附近淺部分布北東向古河道2～4條,主要見于東北部圍堤,西南僅局部分布且寬度較小。

水庫(kù)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g,相當(dāng)于地震基本烈度7度區(qū),設(shè)計(jì)地震分組位于第二組,建筑場(chǎng)地類別屬Ⅲ類。

3　庫(kù)區(qū)及圍堤主要工程地質(zhì)問題

3.1　滲漏及古河道問題

經(jīng)勘察發(fā)現(xiàn),庫(kù)區(qū)2～10 m深度內(nèi)分布砂壤土、粉細(xì)砂層,滲透系數(shù)建議值為 5.5×10-4～4.2×10-3cm/s[1],屬中等透水性土層,如不采取措施,庫(kù)區(qū)易產(chǎn)生滲漏,影響蓄水效果。滲透水流沿堤基向外擴(kuò)散,有可能引起堤壩下游地層的滲透變形,引發(fā)流土、管涌或沼澤化等。

由庫(kù)區(qū)及圍堤軸線剖面圖可知,中部壤土層、黏土層一般具弱—微透水性,可作為“相對(duì)隔水層”,分布較連續(xù),但厚度差別較大,最小厚度1.5 m[2]。

通過(guò)鉆探及物探資料可知,庫(kù)區(qū)分布淺部古河道2～4條,最大寬度約600 m,一般寬150～200 m。東北部圍堤共發(fā)現(xiàn)四段,頂板埋深4～5.8 m,底板埋深16～18.9 m。分布灰黑色砂壤土及厚層粉細(xì)砂,砂層最大厚度9.1 m,一般厚度5～8 m。

古河道段是砂層的富集帶,也是地下水運(yùn)動(dòng)的較強(qiáng)徑流帶。由于古河道的多期性及頻繁擺動(dòng),使庫(kù)區(qū)雖有壤土和黏土沉積,但厚度相差較大,局部相對(duì)不透水層較薄(最薄1.5 m),使得滲漏發(fā)生的可能性較大。

采用卡明斯基滲漏量計(jì)算公式,分8段進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算深度至地面以下20 m。上游采用正常蓄水位,下游采用勘察期間水位。庫(kù)區(qū)滲漏量的計(jì)算結(jié)果為:當(dāng)蓄水位保持在23.5 m時(shí),如不采取任何防滲措施,平均滲漏量218.55萬(wàn)m3/年,范圍值180萬(wàn)～260萬(wàn)m3/年,主要為側(cè)向滲漏。為保證水庫(kù)的蓄水效果,應(yīng)進(jìn)行防滲處理。

3.2　浸沒問題

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘察規(guī)范,對(duì)于平原水庫(kù)的周邊或圍堤的外側(cè),當(dāng)?shù)孛娓叱痰陀趲?kù)水位時(shí),判定為易浸沒地區(qū),西湖水庫(kù)設(shè)計(jì)水位23.5 m,地面高程18.2～19.5 m,因此圍堤外側(cè)一定范圍內(nèi)存在發(fā)生浸沒的可能性。

庫(kù)區(qū)表層多為壤土,局部粉質(zhì)黏土,壤土毛細(xì)水上升高度(Hk)為1.75 m,安全超高(ΔH,根系層的厚度)采用0.3 m,浸沒的臨界地下水位埋深Hcr=Hk+ΔH。經(jīng)計(jì)算,浸沒的臨界地下水埋深為2.05 m。水庫(kù)對(duì)下游浸沒有一定影響,隨著時(shí)間的延長(zhǎng)浸沒還將繼續(xù)[3]。由于周邊部分地段現(xiàn)狀地下水埋藏較淺,水庫(kù)蓄水后浸沒范圍將會(huì)加大。

3.3　圍堤土體的滲透變形問題

由于堤基部位局部存在較厚的粉細(xì)砂、砂壤土層,發(fā)生滲透變形的可能性較大,為進(jìn)一步查明可能發(fā)生的滲透變形破壞型式,在四側(cè)圍堤中分別選取砂壤土或粉砂層較厚的1～2個(gè)鉆孔進(jìn)行土體滲透變形判別。由于細(xì)砂的不均勻系數(shù)大部分<5,因此,滲透變形類型多為流土。砂壤土為黏性土,滲透變形類型為流土[4]。

3.4　飽和砂土地震液化問題

西湖調(diào)蓄水庫(kù)庫(kù)區(qū)地震基本烈度為7度,存在第四系全新統(tǒng)的砂壤土、粉砂及黏粒含量<18% 的土,初步判定有液化的可能性。根據(jù)鉆孔剪切波測(cè)試結(jié)果,淺部的砂壤土、粉細(xì)砂大部分具液化潛勢(shì)。

采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法對(duì)圍堤無(wú)黏性土和少黏性土進(jìn)行復(fù)判,地表以下15 m深度范圍內(nèi)的砂壤土、粉細(xì)砂多為液化土層,少部分為非液化土。經(jīng)計(jì)算,液化指數(shù)多在4～13,屬于輕微—中等液化,應(yīng)進(jìn)行抗液化處理。

4　處理措施

4.1　地基防滲

圍堤堤基分布大量砂壤土及粉細(xì)砂,屬于中等透水性土層,不能滿足防滲要求,需要進(jìn)行堤基防滲處理。根據(jù)地質(zhì)條件,考慮防滲效果,較適用的防滲形式有混凝土防滲墻、垂直鋪塑、振動(dòng)沉模防滲板墻三種形式。

4.1.1方案比較[5]

(1)混凝土防滲墻混凝土防滲墻利用專用造槽機(jī)械設(shè)備營(yíng)造槽孔,并在槽孔內(nèi)注泥漿,然后用導(dǎo)管向槽孔澆筑混凝土并置換出泥漿。混凝土防滲墻取墻厚30 cm。該方案防滲效果好,適用性廣,地質(zhì)條件要求較寬,但施工速度慢,造價(jià)較高。

(2)垂直鋪塑使用聚乙烯薄膜作為防滲材料,用專門開槽機(jī)成槽,鋪入聚乙烯膜后回填坑槽。該方案施工簡(jiǎn)便,造價(jià)低,但是在施工過(guò)程中容易被刺破從而影響防滲效果,另外地下水的腐蝕性會(huì)嚴(yán)重影響聚乙烯膜的使用壽命。

(3)振動(dòng)沉模板墻防滲墻體材料為常規(guī)塑性水泥砂漿,利用振動(dòng)沉模設(shè)備將空腹模板沉入土層,隨即向空腹內(nèi)注滿漿液,形成連續(xù)防滲墻。該方案防滲效果好,工藝簡(jiǎn)單,施工效率高,造價(jià)低。

4.1.2振動(dòng)沉膜防滲板墻設(shè)計(jì)

通過(guò)上述分析,結(jié)合工程實(shí)際,本階段推薦采用施工效率高、整體性好、造價(jià)低的振動(dòng)沉膜防滲板墻作為堤基防滲措施。

振動(dòng)沉膜防滲板墻主要作用是截?cái)鄧痰袒喜繚B透系數(shù)較大的砂壤土或粉細(xì)砂層,減少水庫(kù)滲漏。根據(jù)堤基地層分布情況,除地質(zhì)條件較好的樁號(hào)4+730～5+180段和樁號(hào)6+500～6+810段外,圍堤基礎(chǔ)均設(shè)振動(dòng)沉膜防滲板墻,深度一般在5.4～22.5 m左右,局部深度27.5 m,以截?cái)嗷A(chǔ)砂壤土和粉細(xì)砂層滲漏通道。

板墻厚度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:d為墻厚(m);ΔHmax為作用在墻上的最大水頭差(m);K為抗?jié)B坡降安全系數(shù),取3～5;Jmax為滲透破壞坡降,≥500。

計(jì)算中ΔHmax=7.0 m,K=5,Jmax=500,計(jì)算墻厚0.07 m?？紤]工程的重要性以及施工難度和施工質(zhì)量,設(shè)計(jì)墻厚取為0.15 m。

4.2　截滲溝設(shè)計(jì)

為保護(hù)圍堤的安全,防止引起庫(kù)外農(nóng)田鹽漬化,及時(shí)排除圍堤滲水及堤坡雨水,在圍堤下游壓坡平臺(tái)以外布置截滲溝。圍堤樁號(hào)0+700～7+700段為新建截滲溝,庫(kù)區(qū)北側(cè)直接將基礎(chǔ)滲水和堤坡瀝水排入滏東排河。

截滲溝底寬2.0 m,起始底高程16.5 m,比降1/20 000,平均深度約2.3 m,末端設(shè)節(jié)制閘,節(jié)制閘底板頂高程16.1 m。

截滲溝圍堤側(cè)邊坡1∶2.5,外側(cè)邊坡1∶2.0。圍堤側(cè)采用30 cm厚干砌石護(hù)坡,下設(shè)厚20 cm粗砂墊層和土工布反濾;底部和外邊坡不做防護(hù)。

4.3　堤身排水

為降低浸潤(rùn)線和孔隙壓力,改變滲流方向,防止?jié)B流出逸處產(chǎn)生滲透變形破壞,保護(hù)堤坡土不產(chǎn)生凍脹破壞,圍堤需設(shè)置堤身排水。根據(jù)工程實(shí)際情況,進(jìn)行了下游貼坡排水和褥墊排水兩種型式比較。

貼坡排水構(gòu)造簡(jiǎn)單,與堤身施工干擾較小,易于檢修,但對(duì)降低堤身浸潤(rùn)線作用不明顯,且易因冰凍而失效。褥墊排水施工干擾較大,不易檢修,但其損壞幾率較低,可以有效降低堤身浸潤(rùn)線,有利于堤身穩(wěn)定,增加堤身的抗震性能。綜合分析比較,堤身排水推薦褥墊排水型式。

排水體伸入堤身長(zhǎng)度取為25 m,為減少施工干擾,采用土工布包裹碎石型式,厚度取為50 cm。

4.4　地基液化處理

由于本工程地下水埋深除局部超過(guò)2.0 m外,其余埋深僅1.0 m左右,采用翻壓和強(qiáng)夯加密液化土層施工難度非常大,不適合本工程,因此擬定在上游壩腳采用振沖碎石樁結(jié)合上部蓋重方案,下游壩腳結(jié)合庫(kù)區(qū)開挖富余土料采用壓重方案對(duì)液化土層進(jìn)行處理。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010),當(dāng)上覆蓋非液化土層厚度符合下列條件時(shí),可不考慮液化影響:

du>d0+db-2

式中:du為上覆蓋非液化土層厚度(m);d0為液化特征深度(m),7度地震砂土取為7 m;db為基礎(chǔ)埋置深度(m),不超過(guò)2 m時(shí)取為2 m。

經(jīng)計(jì)算,上覆蓋非液化土層厚度需要>7.0 m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,考慮在7度地震的特殊工況下盡量保證圍堤主斷面不被破壞,將下游壓坡平臺(tái)頂高程提高至堤頂高程,保證圍堤主斷面下游坡腳滿足蓋重要求;圍堤上游自防浪墻上游側(cè)至主斷面坡腳之間采用振沖碎石樁進(jìn)行處理,振沖碎石樁深度結(jié)合上部非液化土的厚度確定為4.0～5.0 m,間距2.2～1.8 m,直徑0.8 m。

由于振沖碎石樁具有強(qiáng)透水性,為避免形成滲漏通道,在振沖碎石樁頂部結(jié)合防液化蓋重要求設(shè)置≥2.5 m厚的防滲土層,防滲土層與每個(gè)振沖碎石樁之間設(shè)置一層30 cm厚的中粗砂反濾層。

5　結(jié)語(yǔ)

西湖調(diào)蓄水庫(kù)作為平原水庫(kù),堤基雖然存在滲漏、浸沒、滲透變形、地震液化等工程地質(zhì)問題,但通過(guò)采取振動(dòng)沉模防滲墻進(jìn)行堤基防滲、在壩后設(shè)置截滲溝和壩體內(nèi)部排水系統(tǒng)、對(duì)堤基采用振沖碎石樁結(jié)合上部蓋重等工程措施,可以有效地減少水庫(kù)的滲漏損失,預(yù)防浸沒、鹽漬化、堤基滲透變形等問題,防止地震液化引起的堤壩破壞。采取上述工程措施后,水庫(kù)完全可以成功蓄水。

西湖調(diào)蓄水庫(kù)作為衡水市的地表水源地,成功蓄水后可調(diào)蓄南水北調(diào)中線和引黃來(lái)水,滿足衡水市區(qū)和冀州城區(qū)及武邑、棗強(qiáng)、故城縣城工業(yè)和城市生活用水的需要,為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定發(fā)揮巨大效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]DB37/1342—2009M，平原水庫(kù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.河北省衡水市西湖調(diào)蓄工程可行性研究報(bào)告[R].天津：河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2012.

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