葉志軍
(福建省漳州市城市建設(shè)投資開(kāi)發(fā)有限公司,福建 漳州 363000)
西院滯洪區(qū)一期工程位于漳州市薌城區(qū)北臨瑞京路,南臨北江濱路,西臨惠民路,東臨薌城交警大樓,總占地面積約378.28 畝(不含金峰污水處理廠(chǎng)89.95畝)。根據(jù)西院滯洪區(qū)(西院濕地公園)一期總體規(guī)劃,濕地園內(nèi)部結(jié)合規(guī)劃水利滯洪區(qū)設(shè)計(jì)了約34 600 m2的人工湖。人工湖不僅是漳州城區(qū)水系的重要滯洪區(qū),也是滯洪公園的核心。因此,本護(hù)岸設(shè)計(jì)將主要采用可呼吸的生態(tài)護(hù)岸型式,實(shí)現(xiàn)綠地與湖體的有機(jī)溝通。根據(jù)景觀布置的不同要求,分別采用緩坡入水護(hù)岸、淺水濕地護(hù)岸、卵石平灘護(hù)岸、木樁圍島護(hù)岸及橋下過(guò)渡護(hù)岸,護(hù)岸總長(zhǎng)約1 325 m。
由于西院濕地公園緊鄰九龍江,下伏強(qiáng)透水層,如西院濕地公園開(kāi)挖深度過(guò)深,在九龍江汛期高水位的情況下可能會(huì)發(fā)生管涌現(xiàn)象,給九龍江相應(yīng)岸線(xiàn)堤防穩(wěn)定帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn),因此必須要對(duì)鄰近九龍江的位置湖底開(kāi)挖深度進(jìn)行計(jì)算,確保防洪安全。計(jì)算對(duì)象為西院濕地公園人工湖,計(jì)算內(nèi)容為滲流穩(wěn)定計(jì)算,取包括湖區(qū)最深點(diǎn)的縱剖面作為計(jì)算剖面(圖1 所示),大堤至九龍江江底計(jì)算長(zhǎng)度150 m,大堤至湖區(qū)邊界計(jì)算長(zhǎng)度115 m,湖區(qū)邊界至湖底最深點(diǎn)計(jì)算長(zhǎng)度70 m。計(jì)算組合工況如表1 所示。
圖1 計(jì)算剖面平面位置圖
表1 組合工況
根據(jù)《西院滯洪區(qū)(西院濕地公園)一期—水閘泵站及湖體開(kāi)挖駁岸工程地質(zhì)勘察報(bào)告》,各土層物理力學(xué)指標(biāo)及各土層滲透系數(shù)建議值如表2 所示。
表2 各土層物理力學(xué)指標(biāo)
本研究中開(kāi)挖防滲采用slide(平面有限元滲流分析計(jì)算軟件)進(jìn)行滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算,二維穩(wěn)定滲流的微分方程式為:
式中 h——總水頭;
kx,ky——分別為x 和y 方向的滲透系數(shù)。
計(jì)算采用二維平面有限元滲流模擬進(jìn)行分析,選取三種工況:
1)施工工況:當(dāng)本段九龍江達(dá)到百年一遇水位12.88 m 時(shí),湖區(qū)對(duì)應(yīng)水位取施工開(kāi)挖最低坑底高程0.50 m;
2)正常工況:當(dāng)本段九龍江達(dá)到百年一遇水位12.88 m 時(shí),湖區(qū)對(duì)應(yīng)水位取常水位4.00 m;
3)防滲處理后工況:當(dāng)本段九龍江達(dá)到百年一遇水位12.88 m 時(shí),湖區(qū)對(duì)應(yīng)水位取常水位4.00 m,臨江側(cè)湖岸覆蓋0.5 m 厚粘土至湖底。
該坡岸地形變化較小,坡岸通過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,對(duì)典型剖面建立二維平面有限元模型。該坡岸處地下水位較低,模型下邊界為基巖一下約一倍壩高,并對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,提高計(jì)算精度。通過(guò)對(duì)正常工況下湖區(qū)水平一處坡降、湖區(qū)垂直逸出坡降以及湖區(qū)總逸出坡降進(jìn)行計(jì)算,得出了相應(yīng)的滲流場(chǎng)分布圖如圖2 所示。由計(jì)算結(jié)果可以得知,整個(gè)滲流場(chǎng)的水頭分布基本合理,水頭等值線(xiàn)的計(jì)算結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確的反映各區(qū)域滲流情況及防滲措施的特點(diǎn),整個(gè)典型斷面的滲流控制措施得到有效的反映。計(jì)算結(jié)果顯示:正常工況下,最大滲透出逸坡降為0.15。
通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析,可以看出坡岸的防滲控制措施仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。一是坡岸的上游存在較高的水頭壓力及滲透流速,其對(duì)坡岸的作用較為明顯,可以充分考慮防滲性能及抗裂縫沖蝕及裂縫自愈能力,并在坡岸下游設(shè)計(jì)合理的反濾層,可較好地解決坡岸的滲流沖蝕及不均勻沉降問(wèn)題,防止坡岸水平裂縫的發(fā)生。二是下游排水體的合理設(shè)置,排水體能夠截?cái)嗥掳段茨芙刈〉臐B流,以較小的水頭損失排到坡岸以外,降低下游溢出點(diǎn)及下游滲流情況。尤其是近年來(lái)采用的反濾排水整體設(shè)計(jì),排水體緊靠防滲體布置,充分發(fā)揮其排水作用,保證了反濾過(guò)渡層后壩體全部處于無(wú)滲流區(qū)。
施工工況是指當(dāng)本段九龍江達(dá)到百年一遇水位12.88 m 時(shí),湖區(qū)對(duì)應(yīng)水位取施工開(kāi)挖最低坑底高程0.50 m。對(duì)典型剖面建立二維平面有限元模型,分別計(jì)算施工工況下湖區(qū)水平逸出坡降場(chǎng)、湖區(qū)垂直逸出坡降場(chǎng)以及湖區(qū)總逸出坡降場(chǎng),得到的結(jié)果如圖3 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以分析:施工工況下,最大滲透出逸坡降為0.19,相對(duì)于正常工況來(lái)說(shuō)最大滲透出逸坡降提升了0.04,這也意味著在施工工況下,坡岸發(fā)生滲流破壞的可能想比正常工況下更高。因此,在臨江側(cè)湖區(qū)駁岸設(shè)置反濾層能夠起到防滲優(yōu)化的作用。
通過(guò)slide 滲流穩(wěn)定計(jì)算和理正巖土-滲流問(wèn)題公式法滲流穩(wěn)定復(fù)核,西院濕地公園湖區(qū)滲流計(jì)算滿(mǎn)足規(guī)范要求,但是考慮到九龍江大堤的重要性及相關(guān)專(zhuān)家的意見(jiàn),在臨江側(cè)湖區(qū)駁岸增設(shè)防滲反濾層,以保證大堤安全。
反濾層擬采用鋪設(shè)干砌塊石(厚300 mm)+碎石墊層(厚100 mm)+黃砂一層(厚100 mm)+土工布一層(250 g/m2)的防滲措施,鋪設(shè)范圍為駁岸線(xiàn)向湖中心15 m 范圍內(nèi)。采用slide 計(jì)算軟件對(duì)此工況進(jìn)行復(fù)核,結(jié)果如圖4 所示。
圖2 正常工況計(jì)算結(jié)果
圖3 施工工況計(jì)算結(jié)果
圖4 防滲處理復(fù)核計(jì)算結(jié)果
本工程滲流出口為第④層中砂,根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)第3.2.2 節(jié),安全系數(shù)取值1.5,則允許水力比降為0.3/1.5=0.2。通過(guò)“slide”滲流穩(wěn)定計(jì)算,防滲處理后,最大滲透出逸坡降為0.14,滿(mǎn)足規(guī)范要求,大堤防滲能力得到一定程度的加強(qiáng)。
從前文數(shù)值模擬可以看出,在下游坡面設(shè)置反濾層有助于降低水力坡降。其具體的機(jī)理為,反濾層能夠防止壩體內(nèi)粒徑較小的土顆粒隨著滲透水的流動(dòng)而逐漸析出,同時(shí)又保證了坡面上游的滲透水阻礙較小,能夠順利排出,由此能夠有效地降低坡面下游的滲流位勢(shì),在下游坡岸的出水位置形成無(wú)壓逸出狀態(tài)。反濾層的土料一般為多種不同粒徑的顆粒,粒徑較小的顆粒能夠阻止水中處于懸浮狀態(tài)的土顆粒在滲流狀態(tài)下不會(huì)析出。同時(shí),由于反濾料較小的粒徑,它也能夠有效阻擋住坡岸壩體內(nèi)的粒徑較大的土粒,防止其被滲透水帶走,發(fā)揮著保護(hù)坡岸的作用。
施工規(guī)范要求“反濾層厚度、鋪筑位置及反濾料的粒徑、級(jí)配、不均勻系數(shù)、含泥量等,均應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求”。對(duì)于已經(jīng)完成鋪設(shè)的反濾層應(yīng)實(shí)施成品保護(hù),防止行人、車(chē)輛、雜物、污水等對(duì)其造成破壞。排水設(shè)施石料應(yīng)質(zhì)地堅(jiān)硬,并且具有良好的抗凍性、耐水性,抗壓強(qiáng)度及幾何尺寸也應(yīng)符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求,確保反濾層結(jié)構(gòu)排水順暢。
本文通過(guò)利用有限元計(jì)算方法,結(jié)合西院滯洪區(qū)一期工程湖底開(kāi)挖的實(shí)例求解坡岸在正常工況、施工工況以及防滲處理后工況下的滲流問(wèn)題,得到了三種工況下的滲流結(jié)果,能夠真實(shí)反映滲流實(shí)際情況,有限元滲流分析是求解坡岸及土石壩滲流的有效手段。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析能夠初步了解防滲措施的控制效果,結(jié)果標(biāo)明,在臨江側(cè)湖區(qū)駁岸設(shè)置反濾層的防滲措施能夠有效降低最大滲透出逸坡降,提升大壩的防滲能力。