趙振忠

（山西水務(wù)工程建設(shè)監(jiān)理有限公司,山西 太原 030000）

0 引言

生態(tài)護(hù)堤依據(jù)生態(tài)工法思路，采用天然材料、人工材料或混合材料沿河筑堤，既能發(fā)揮自然岸坡的生態(tài)系統(tǒng)作用，也能發(fā)揮水利工程抵御洪水災(zāi)害，防止堤岸侵蝕[1-2]。堤岸是陸地生態(tài)系統(tǒng)和水域生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡區(qū)，在防洪度汛、生態(tài)保護(hù)及水土保持方面發(fā)揮著不可替代的作用。

桑干河擬通過流域綜合治理手段，解決地表徑流量持續(xù)減少、地下水超采嚴(yán)重、水資源開發(fā)利用不合理、河道斷流、河床沙化、濕地面積萎縮、水土流失和河灘地種植侵占河道等諸多問題，改善河流生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)向綠色、健康的方向發(fā)展。固定橋蓄水工程作為桑干河河道綜合治理的一部分，可發(fā)揮涵養(yǎng)水源、補充地下水、凈化水質(zhì)的重要作用。本文以桑干河固定橋生態(tài)蓄水工程為研究對象，利用Autobank 軟件對護(hù)堤和蓄水閘進(jìn)行滲流計算，分析防滲系統(tǒng)實際效果。

1 工程概況

固定橋生態(tài)蓄水工程主要工程由蓄水閘、左岸生態(tài)護(hù)岸（堤）、右岸生態(tài)護(hù)堤組成。蓄水水位963.0 m，蓄水量112.4 萬m3。工程等別為Ⅳ等，主要建筑物蓄水閘、主槽右堤級別為4 級。蓄水閘左岸設(shè)置了上游長2772 m 生態(tài)護(hù)岸（堤）、下游長125 m 生態(tài)護(hù)岸，并采用格賓石籠扭面與閘室岸墻銜接起來。蓄水閘右岸堤防進(jìn)行改造、加固，閘室上游堤防迎水面砌護(hù)與閘室岸墻上游端頭間采用混凝土扭面銜接；閘室下游堤防迎水面砌護(hù)與閘室岸墻下游端頭間采用格賓石籠扭面銜接。

為防止閘基及右堤滲透破壞、減小左岸浸沒影響，在左岸長生態(tài)護(hù)岸（堤）、閘室基底、右堤改造段混凝土重力式擋土墻基礎(chǔ)下設(shè)防滲墻，閘室基礎(chǔ)防滲墻為高壓噴射（擺噴）灌漿、堤防基礎(chǔ)防滲墻為水泥土攪拌樁，防滲墻總長約5378 m。護(hù)岸（堤）頂部至基礎(chǔ)相對隔水層進(jìn)行水泥土攪拌樁防滲墻防滲處理，并將之與閘室及右岸防滲結(jié)合起來，形成一體防滲系統(tǒng)。工程地基處理見圖1。

圖1 桑干河生態(tài)蓄水工程地基處理斷面圖

2 穩(wěn)定性分析評價

2.1 計算理論和方法

2.1.1 計算方法

（4）穩(wěn)定滲流有限元計算式為[K]{H}={F}

式中：kx，ky為x、y 方向的滲透系數(shù)；H 為飽和—非飽和水流總水頭；[K]為滲透矩陣。

2.1.2 抗滑穩(wěn)定計算

穩(wěn)定滲流期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算采用有效應(yīng)力法，見式（1）：

式中：W 為土條重量，kN；u 為作用于土條底端孔隙壓力，kN/m2；W1為條塊在堤坡水位上部分重量；W2為條塊在水位下部分重量；Z 為水位高出條塊底面重點距離，m；γw為水的重量，kN/m3。

2.1.3 計算工具

計算采用河海大學(xué)開發(fā)的水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)Autobank7.08 計算。

2.2 蓄水閘滲流及穩(wěn)定性計算

2.2.1 計算工況

根據(jù)工程實際，蓄水閘立閘蓄水時，閘門前水深3.2 m，因門頂溢流流量不大，閘后下游水深較低。閘門臥倒泄洪時，因閘室下游地形限制下泄水流不能順暢排出，上下游水位差不大。因此閘門立閘蓄水時為本計算最不利工況，滲流計算只考慮這一種工況：上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位。

2.2.2 計算參數(shù)

計算參數(shù)根據(jù)土工實驗成果及經(jīng)驗取值確定，見表1。

表1 閘基滲流計算參數(shù)

2.2.3 滲流計算結(jié)果

圖2 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期水頭等值線圖

閘基各重點部位滲透比降計算結(jié)果見表2。

表2 閘基各重點部位滲透比降

2.2.4 成果分析

由表2 可以看出，閘室基礎(chǔ)各重點部位滲透比降均小于允許滲透比降。閘室地基條件：閘室基礎(chǔ)Q4al土層中上部低液限粉土夾砂層建基面開挖時已經(jīng)全部挖除，閘室底板建基于Q4al土層中的級配不良砂、級配不良礫層之上，此兩層均為良好的透水體；Q4al土層之下的Q1土層低液限粘土層，屬于微透水性，為相對隔水層。

成果分析：對此種地層進(jìn)行高壓噴射擺噴防滲墻防滲處理，從上至下游布設(shè)的鋼筋混凝土（底板、鋪蓋）+防滲墻+相對隔水層（Q1基層）的防滲系統(tǒng)防滲效果十分明顯，削減了約90%的滲透壓強(qiáng)水頭，相對應(yīng)的，垂直防滲系統(tǒng)各部位的滲透比降也較大。防滲系統(tǒng)之后Q4al土層中的級配不良砂、級配不良礫層，振沖碎石樁復(fù)合地基中樁體與樁頂級配碎石墊層均為良好的透水、排水體；經(jīng)過垂直防滲系統(tǒng)有效削減后的殘余滲透壓強(qiáng)水頭引起的地基土體出逸比降相當(dāng)小，是合理的。

2.3 生態(tài)堤防滲流及計算

2.3.1 計算工況

根據(jù)工程實際，蓄水閘正常蓄水位963.0 m，采用防滲措施后堤防背水面有滲透水流及灘地匯水，從最不利角度考慮，計算取堤防背水面水位為堤腳高程。計算只考慮這一種工況：迎水面正常蓄水位與背水面相應(yīng)的最低水位。

2.3.2 計算參數(shù)

一是加快生態(tài)清潔小流域建設(shè)理念推廣。圍繞服務(wù)城鄉(xiāng)一體化發(fā)展，努力拓展工作外延。將生態(tài)清潔小流域治理理念推廣到清河、涼水河等大中型流域的規(guī)劃與治理工作中。編制平原區(qū)生態(tài)清潔小流域規(guī)劃，在順義、豐臺、海淀、石景山、大興等區(qū)縣開展生態(tài)清潔小流域建設(shè)，使水土保持工作從小流域走向大流域，從山區(qū)走向平原。

計算參數(shù)根據(jù)土工實驗成果及經(jīng)驗取值確定，其中工程勘察結(jié)果為：堤基上部全新統(tǒng)沖積物（Q4al）滲透系數(shù)為8×10-3cm/s，凝聚力（c）為13 kPa，內(nèi)摩擦角（φ）為20.9°。下伏下更新統(tǒng)泥河灣組湖積物（Q11），滲透系數(shù)1×10-5cm/s，凝聚力（c）為17 kPa，內(nèi)摩擦角（φ）為20°。原堤身土體：滲透系數(shù)1×10-4cm/s，凝聚力（c）為17 kPa，內(nèi)摩擦角（φ）為19°。堤防培厚部分新堤身土體：滲透系數(shù)8×10-5cm/s，凝聚力（c）為20 kPa，內(nèi)摩擦角（φ）為20°。

2.3.3 滲流計算結(jié)果

滲流計算結(jié)果見圖3。

圖3 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期水頭等值線圖

堤防滲流穩(wěn)定計算結(jié)果見表3。

表3 堤防滲流穩(wěn)定計算成果表

由表3 可以看出，閘室基礎(chǔ)各重點部位滲透比降均小于允許滲透比降。

2.4 堤防穩(wěn)定性計算

2.4.1 計算工況

堤坡穩(wěn)定計算考慮如下三種工況：

（1）正常運用條件：迎水面正常蓄水位時的下游堤坡；

（2）非常運用條件Ⅱ：迎水面正常蓄水位遭遇地震時的下游堤坡；

（3）非常運用條件Ⅰ：施工完建期無滲流時的上游堤坡。

2.4.2 堤坡穩(wěn)定計算結(jié)果

計算結(jié)果見圖4～圖6。

圖4 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期下游堤坡滑弧位置圖

圖5 正常蓄水位+ 地震下游堤坡滑弧位置圖

圖6 施工完建期（無滲流）上游堤坡滑弧位置圖

計算成果見表4。

表4 堤防穩(wěn)定性計算成果表

由表4 可見堤坡抗滑穩(wěn)定均已滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

桑干河固定橋生態(tài)蓄水工程堤基為全新統(tǒng)沖積（Q4al）低液限粉土、級配不良砂、級配不良礫層，結(jié)構(gòu)松散，具中等透水性，而且在堤內(nèi)外連續(xù)分布，形成滲漏層位，堤基下部Q1l低液限粘土為相對隔水底板。堤基存在滲漏問題。為防止閘基及右堤滲透破壞、減小左岸浸沒影響，改造段混凝土重力式擋土墻基礎(chǔ)下設(shè)防滲墻，閘室基礎(chǔ)防滲墻為高壓噴射（擺噴）灌漿、堤防基礎(chǔ)防滲墻為水泥土攪拌樁。通過建立模型，求解模型滲流場，根據(jù)比降等輸出數(shù)據(jù)對工程堤防和蓄水閘防滲效果進(jìn)行評價，判斷滲透穩(wěn)定性，得出設(shè)計方案是可靠合理的。