在深厚覆蓋層上修建土石圍堰的主要技術(shù)問(wèn)題研究

張 飛，文志穎，朱曉忠，劉其文，2

(1.貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州省喀斯特地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550002)

0 引 言

水利水電工程中圍堰是施工導(dǎo)流工程中的臨時(shí)擋水建筑物，用來(lái)圍護(hù)基坑，保證水工建筑物在干地施工[1]。它的安全與穩(wěn)定對(duì)于保證整個(gè)工程施工的順利進(jìn)行，尤其是工程的防洪度汛以及大型施工儀器設(shè)備的安全具有重要意義。

隨著我國(guó)水利水電工程的進(jìn)一步發(fā)展，特別是西部及西南地區(qū)水電工程建設(shè)中，在深厚覆蓋層上修建土石圍堰已成為必然趨勢(shì)。在大渡河干支流、金沙江中上游、怒江中上游、西藏和新疆一些河流均存在深厚覆蓋層問(wèn)題[2]。西部及西南地區(qū)主要是高山峽谷區(qū)沖洪積、崩坡積、冰水推積混雜型深厚覆蓋層，青藏地區(qū)高寒高原區(qū)主要是冰積、沖洪積混雜型深厚覆蓋層[3]。利用這些天然覆蓋層形成的圍堰基礎(chǔ)和圍堰體本身將受到高水頭和大流量江水威脅?？偨Y(jié)歸納在深厚覆蓋層修建土石圍堰的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，分析存在的主要結(jié)構(gòu)安全技術(shù)問(wèn)題，將對(duì)今后利用深厚覆蓋層修建土石圍堰及建壩技術(shù)發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

1 土石圍堰與土石壩的主要差別

作為一種臨時(shí)擋水建筑物，土石圍堰與土石壩相比在材料、結(jié)構(gòu)及施工工藝等方面有其自身的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

(1)填筑材料要求不同，土石圍堰堰體的填筑材料組成復(fù)雜，主要有石渣、塊石、土料等，這些組合材料級(jí)配差、密實(shí)度低。土石壩壩體的填筑料雖然也是由土、石料等當(dāng)?shù)夭牧辖M成，但這些土石料必須具有與使用目的相適應(yīng)的工程性質(zhì)且長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)保持穩(wěn)定，還要有良好的壓實(shí)性[4]。

(2)施工工藝不同，土石圍堰地基無(wú)法預(yù)先處理，堰體填筑順序非對(duì)稱(chēng)。

(3)施工速度要求不同，土石圍堰力求工期短，一般要求在一個(gè)枯水期完成，并在當(dāng)年汛期擋水。

(4)加載方式不同，圍堰堰體填筑包括圍堰水下部分拋填加載，水上部分填筑加載以及基坑抽水加載等。

這些差別均會(huì)導(dǎo)致堰體結(jié)構(gòu)在圍堰施工運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生大變化，形成復(fù)雜的邊坡穩(wěn)定特性。目前國(guó)內(nèi)深厚覆蓋層上土石圍堰邊坡穩(wěn)定計(jì)算模型一般未考慮圍堰施工工藝和材料參數(shù)在施工運(yùn)行過(guò)程中的時(shí)變性[5]。

2 在深厚覆蓋層上修建土石圍堰的主要技術(shù)問(wèn)題及處理措施

2.1 堰基、堰體材料工程特性對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)安全的影響

堰基、堰體材料的工程特性對(duì)圍堰的結(jié)構(gòu)安全有很大的影響，尤其是對(duì)于深厚覆蓋層上的土石圍堰。

覆蓋層材料的密度、級(jí)配等一些工程特性決定了覆蓋層的力學(xué)和滲透特性[6]。深厚覆蓋層修建土石壩的勘察工作主要是查明覆蓋層不同巖層的成因、厚度、組成物質(zhì)、分布情況及工程地質(zhì)特性等[7]為壩基處理提供依據(jù)。但對(duì)于圍堰由于深厚覆蓋層砂礫石顆粒粗大且覆蓋層變化大，加目前的勘探技術(shù)的限制，對(duì)覆蓋層取樣十分困難，因此現(xiàn)在對(duì)于圍堰深厚覆蓋層材料的密度、級(jí)配等沒(méi)有直接確定的方法，進(jìn)而無(wú)法準(zhǔn)確的確定覆蓋層的承載力、滲透系數(shù)、加載變形等物理量，這給深厚覆蓋層上土石圍堰的結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)重大影響。

堰體材料的力學(xué)及變形等特性的研究對(duì)整個(gè)圍堰的結(jié)構(gòu)安全有很重要的意義。通過(guò)對(duì)堰體材料物理力學(xué)性質(zhì)分析和評(píng)價(jià)可以為圍堰建設(shè)，特別是為圍堰進(jìn)行邊坡穩(wěn)定和變形的驗(yàn)算提供必要的計(jì)算數(shù)據(jù)。三峽工程二期土石圍堰是整個(gè)三峽工程主要技術(shù)難點(diǎn)之一，和它的填筑材料性質(zhì)不無(wú)關(guān)系，堰體主要利用當(dāng)?shù)鼗◢弾r風(fēng)化產(chǎn)物，這種材料質(zhì)地松散、顆粒均勻、壓實(shí)困難、穩(wěn)定性差[8-9]。

2.2 土石圍堰防滲結(jié)構(gòu)安全主要技術(shù)

2.2.1 堰基防滲技術(shù)

地基防滲處理是在深厚覆蓋層上修建土石圍堰要解決好的重要技術(shù)問(wèn)題。目前深厚覆蓋層地基處理主要有以下方法：

(1)塑性混凝土防滲墻防滲處理。塑性混凝土防滲墻是深厚覆蓋層地基處理的主要方法之一。防滲墻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是防滲墻的深度的確定，在確定防滲墻厚度是需考慮以下幾方面的要求[10]：①防滲墻底部與基巖或相對(duì)不透水層之間接觸帶的滲透穩(wěn)定和滲流控制。②防滲墻體本身的支撐條件、允許應(yīng)力和不均勻沉降的要求。③防滲墻底嵌巖深度的確定應(yīng)準(zhǔn)確，地勘精度至關(guān)重要。在特別深厚的覆蓋情況下防滲墻無(wú)法達(dá)到可靠的防滲依托層，將采用懸掛式防滲墻方案。防滲墻的厚度主要由防滲要求、抗?jié)B耐久性、墻體應(yīng)力應(yīng)變及施工設(shè)備等因素確定。塑性混凝土防滲墻雖然造價(jià)高、施工技術(shù)要求高但滲流控制效果好。國(guó)外大量實(shí)踐表明，具有一定厚度的連續(xù)混凝土防滲墻的防滲性、耐久性均能得到保證。水利部發(fā)布的SL174—96《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》首次將低彈模塑性混凝土列為防滲墻的墻體材料，標(biāo)志著我國(guó)的低彈模塑性混凝土防滲墻技術(shù)趨于成熟。我國(guó)在深厚覆蓋層上已建了大量的土石壩，小浪底、瀑布溝水電站等，基礎(chǔ)防滲處理均采用混凝土防滲墻方案，最大防滲墻深度超過(guò)80 m，經(jīng)過(guò)了多年蓄水運(yùn)行考驗(yàn)。在建工程如瀘定、獅子坪等水電站覆蓋成厚度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)100 m，基礎(chǔ)處理也同樣采用混凝土防滲墻，其最大深度已達(dá)到90 m。

(2)灌漿帷幕防滲處理。有不少工程采用灌漿帷幕的方法處理深厚覆蓋層地基，采用灌漿帷幕的方法需注意[12]：①覆蓋層中的礫石層需采用粘土水泥漿灌漿，含砂層的成孔條件和可灌性較差，需采用化學(xué)灌漿，當(dāng)同時(shí)含有礫石層和砂層時(shí)，兩者的擴(kuò)散半徑不一致，抗?jié)B性存在差異；②灌漿帷幕允許滲透坡降一般為3～4，對(duì)于深厚覆蓋層上的高土石圍堰，帷幕厚度大、灌漿孔數(shù)多、灌漿量大、施工工期長(zhǎng)。

(3)高壓噴射防滲處理。高壓噴射灌漿是近30多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)地基防滲和加固處理技術(shù)，在深厚覆蓋層土石圍堰堰基處理方面也得到了廣泛的應(yīng)用，并且處理效果比較理想。向家壩水電站圍堰修建在40 m厚的覆蓋層上，其堰基處理采用的就是高壓旋噴灌漿[13]。值得注意的是①高壓旋噴樁樁體的噴射膠凝狀態(tài)呈不均勻性，抗?jié)B能力差異較大；②高噴灌漿孔的孔距、灌漿方法與型式直接關(guān)系到工程造價(jià)和墻體質(zhì)量；③在設(shè)計(jì)前必須選著代表性覆蓋層進(jìn)行高噴試驗(yàn)。

堰基的防滲加固處理除了上面的措施外還有截水槽、混凝土沉井防滲等方法。從國(guó)內(nèi)外深厚覆蓋層上已修建土石圍堰堰基防滲處理措施看來(lái)，在以上這些垂直防滲的方法中混凝土防滲墻方案采用的比較多。

2.2.2 堰體防滲技術(shù)

復(fù)合土工膜作為一種新型的防滲材料已在水利水電工程中得到廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的粘土心墻、斜墻防滲體已逐步被取代[14]。因此近些年修建在深厚覆蓋層上的土石圍堰堰體防滲幾乎都是選用復(fù)合土工膜防滲。土工膜防滲分為心墻防滲與斜墻防滲，土工膜心墻方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工程量較小、心墻與岸坡防滲連接接較方便，但堰體土石填筑必須在基礎(chǔ)防滲墻完工后才開(kāi)始施工，有效工期短，堰體土石填筑和土工膜施工干擾較大，圍堰施工工期長(zhǎng)。土工膜斜墻方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程量稍大，斜墻與岸坡防滲連接沒(méi)有心墻方便，但斜墻方案通過(guò)采用造墻平臺(tái)伸出堰體上游坡腳的技術(shù)措施，可使堰體填筑與基礎(chǔ)防滲墻同時(shí)施工，有利于爭(zhēng)取工期[15]。

猴子巖水電站修建在深度為75 m左右的深厚覆蓋層上，其上游圍堰堰體采用土工膜斜墻防滲方案，按“一”字形鋪設(shè)，最大防滲高度為36 m。下游圍堰采用土工膜心墻防滲方案，按“之”字形鋪設(shè)，最大防滲高度為10 m[16]。烏東德、白鶴灘等水電站均修建在深厚覆蓋層上，其堰體防滲方案與猴子巖相似。

2.3 深厚覆蓋層上土石圍堰邊坡處理和基坑排水措施

圍堰邊坡失穩(wěn)是影響其安全運(yùn)行的又一關(guān)鍵因素。圍堰邊坡失穩(wěn)隨機(jī)性因素主要有以下幾個(gè)[16]：一個(gè)是堰前水位的隨機(jī)性，另一個(gè)是堰體土石料的隨機(jī)性以及深厚覆蓋層材料的隨機(jī)性。對(duì)于這些不確定的因素，在填筑圍堰是要做好足夠的邊坡處理。土石圍堰用作過(guò)水圍堰根據(jù)土石過(guò)水圍堰單寬流量的大小邊坡處理可以采用大塊石、鋼筋籠塊石、加筋塊石、漿砌塊石、混凝土保護(hù)等措施。此外還應(yīng)做好溢流面、堰趾下游基礎(chǔ)和兩岸接頭的防沖保護(hù)，過(guò)水圍堰應(yīng)分析研究圍堰的過(guò)水水利條件，并通過(guò)水工模型試驗(yàn)論證消能防沖措施。

基坑和圍堰邊坡的排水也尤為重要，一方面，深厚覆蓋層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，砂層、砂卵石層滲透穩(wěn)定性差，基坑開(kāi)挖需要超前排水才能避免出現(xiàn)滲透穩(wěn)定問(wèn)題和抗浮穩(wěn)定問(wèn)題；另一方面，基坑開(kāi)挖邊坡高需要通過(guò)排水降低出逸段和水壓力，才能促進(jìn)邊坡的穩(wěn)定性[17]。根據(jù)上堵下排滲控設(shè)計(jì)原則，在圍堰背水面設(shè)置排水溝和集水井，集水井布置在建筑物輪廓線外側(cè)，且要低于干溝的溝底。

2.4 深厚覆蓋層上土石圍堰各主要部位連接技術(shù)

深厚覆蓋層土石圍堰主要部位連接包括堰基防滲墻與堰體防滲體的連接，圍堰與岸坡的連接以及與相鄰建筑物的連接。連接部位的和相互作用的處理技術(shù)決定了連接部位的結(jié)構(gòu)安全。

(1)堰基防滲墻與堰體防滲體的連接?；炷练罎B墻上接復(fù)合土工膜防滲是目前圍堰防滲最常用的體系，特別是在深厚覆蓋層上。連接部位的可靠性是圍堰整個(gè)防滲成敗的關(guān)鍵所在。按照傳統(tǒng)的連接方式，堰體與防滲墻的沉降差，防滲墻的水平位移等都會(huì)導(dǎo)致防滲墻與堰體產(chǎn)生較大的脫開(kāi)距離，進(jìn)而防滲墻與復(fù)合土工膜連接處將會(huì)產(chǎn)生較大的變形與應(yīng)力。為了避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，可以通過(guò)離心模擬試驗(yàn)選擇合理的連接方式[18]，試驗(yàn)的基本原則是當(dāng)堰體沉降及堰體與防滲墻發(fā)生脫開(kāi)時(shí)，盡量保證連接部位的土工復(fù)合膜不受拉應(yīng)力。

(2)土石圍堰與岸坡及相鄰建筑物鏈接的防滲處理技術(shù)。圍堰與岸坡的連接首先要對(duì)岸坡的雜物進(jìn)行清理，其次還要對(duì)岸坡的坡度進(jìn)行處理，然后再根據(jù)岸坡不同的地質(zhì)情況，對(duì)岸坡進(jìn)行防滲加固處理。例如，岸坡巖體風(fēng)化層厚、節(jié)理裂隙發(fā)育，或有較大的斷裂層破啐帶，大量清除有困難時(shí)，可采取灌漿、加設(shè)鋪蓋或開(kāi)挖截水槽等防滲措施。在圍堰與岸坡防滲體結(jié)合處岸坡應(yīng)大致平順，不應(yīng)成臺(tái)階狀、反坡或突然變坡[4]，防滲的連接形式與堰體防滲體系和堰基防滲體連接基本類(lèi)似。

由于圍堰是臨時(shí)建筑物，使用周期不長(zhǎng)，因此圍堰與相鄰建筑物的連接處理措施可以適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)便。一般情況下采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的插入式即可。

2.5 土石圍堰的監(jiān)測(cè)技術(shù)

圍堰雖然是臨時(shí)建筑物，但其運(yùn)行安全直接關(guān)系到所圍護(hù)的永久性建筑物的施工安全，一旦失事后果將不堪設(shè)想。與其他類(lèi)型的圍堰相比，建在深厚覆蓋層上的土石圍堰，其基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定及滲流量監(jiān)測(cè)，更是監(jiān)控圍堰安全的主要內(nèi)容之一。

根據(jù)圍堰的防滲結(jié)構(gòu)以及覆蓋層的厚度不同，監(jiān)測(cè)形式與監(jiān)測(cè)技術(shù)也不同。對(duì)于堰基采用封閉式混凝土防滲墻的圍堰，如果圍堰下游水較淺，覆蓋層相對(duì)來(lái)說(shuō)不是很厚，堰基滲流布置較方便，只需要將下游覆蓋層清除，在基巖上做一個(gè)截水墻設(shè)置量水堰進(jìn)行堰基滲流監(jiān)測(cè)即可[20]。對(duì)于覆蓋層過(guò)厚，堰基采用懸掛式混凝土防滲墻的圍堰，在下游覆蓋層中布置多個(gè)測(cè)壓管斷面，通過(guò)監(jiān)測(cè)測(cè)壓管水位的變化，用斷面測(cè)流法推求滲流量。后者的測(cè)量精度相對(duì)于前者會(huì)比較低。

3 需進(jìn)一步研究解決的有關(guān)問(wèn)題

3.1 深厚覆蓋層材料參數(shù)以及本構(gòu)模型合理性

利用有限元對(duì)土石壩的計(jì)算模擬，一般都是將壩基作為堰體的一部分統(tǒng)一劃分網(wǎng)格，取各自材料參數(shù)計(jì)算。土石壩應(yīng)力變形計(jì)算模型有E-u模型、E-B模型、沈珠江雙屈服面彈性模型等[20]。這些計(jì)算方法為深厚覆蓋層上土石圍堰的工程設(shè)計(jì)提供了一定參考基礎(chǔ)，但由于堰體材料組成以及覆蓋層的復(fù)雜性，通過(guò)這些模型計(jì)算的結(jié)果差別也比較大，所以其結(jié)果還不足以較準(zhǔn)確地反應(yīng)圍堰的真實(shí)狀態(tài)。因此更加合理的計(jì)算模型還有待業(yè)界進(jìn)一步研究。

3.2 地震作用對(duì)深厚覆蓋層土石圍堰的安全影響

由于覆蓋層厚度的不同，巖層性質(zhì)的不同以及地震發(fā)生包括大小的無(wú)可預(yù)知性，目前對(duì)深厚覆蓋層上土石圍堰的極限抗震能力沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[21]，需要進(jìn)行多種工況、多種角度的綜合分析。我們可以從圍堰邊坡坡穩(wěn)定的角度分析圍堰的極限抗震能力，從地震永久變形的角度分析圍堰的極限抗震能力，從液化可能性、單元抗震安全性及防滲體安全的角度分析圍堰的極限抗震能力等，綜合從不同的角度不同的計(jì)算模型或方法可以分析出圍堰的極限抗震能力。通過(guò)分析得出的結(jié)果都只是從定性方面得到的，不能比較準(zhǔn)備的數(shù)值結(jié)果，從而也不能得到圍堰比較精確地安全儲(chǔ)備。安全儲(chǔ)備過(guò)大，會(huì)給工程經(jīng)濟(jì)帶來(lái)一些損失，安全儲(chǔ)備小，又會(huì)給工程本身的安全帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。因此地震作用對(duì)深厚覆蓋層土石圍堰的安全儲(chǔ)備的精確計(jì)算具有重要的工程意義。

3.3 深厚覆蓋層上土石圍堰防滲處理方式

雖然現(xiàn)在絕大多數(shù)深厚覆蓋層地基防滲處理采用的是封閉式混凝土防滲墻、懸掛式混凝土防滲墻、灌漿帷幕、雙層混凝土防滲墻、水平鋪蓋以及他們的組合等，但不同成因的覆蓋層決定了其物質(zhì)形成分及結(jié)構(gòu)、層次等千差萬(wàn)別，地基變形及防滲處理方式也不盡相同。因此，具體哪一類(lèi)的覆蓋層適合采用什么樣的防滲方法，還需大量的工程實(shí)踐歸納總結(jié)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分別從圍堰堰體及堰基防滲、圍堰邊坡穩(wěn)定及基坑排水、圍堰各主要部位連接、圍堰安全監(jiān)測(cè)等方面歸納總結(jié)了在深厚覆蓋層上修建土石圍堰的主要技術(shù)問(wèn)題，提出了選取合理的本構(gòu)模型、精確的安全儲(chǔ)備、合適的防滲方式等有關(guān)問(wèn)題的處理方式，為今后在深厚覆蓋層修建高土石圍堰提供參考。