不同洪水重現(xiàn)期下橡膠壩壩基防滲抗沖技術(shù)

侯東平

(山東省鄆城縣水務(wù)局，山東 菏澤 274700)

0 引 言

大壩是水資源再利用的關(guān)鍵容器，也是治理洪水、降低洪水災(zāi)害程度的重要手段。隨著自然環(huán)境的破壞，洪水災(zāi)害頻率逐漸上升，并且居高不下，這就對壩基滲流方面、安全方面等提出更高的要求[1]。橡膠壩是新型水工建筑物，具有施工工期短、造價(jià)低、壩體材料性能優(yōu)越等優(yōu)勢，并且壩高能夠根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，壩頂存在溢流功能，可充分發(fā)揮防洪、灌溉、擋潮、發(fā)電等一系列作用。橡膠壩主要由控制系統(tǒng)、壩袋、充排水設(shè)施、錨固件、土建部分等構(gòu)成，隸屬于薄壁柔性結(jié)構(gòu)體系，適用于多種類型閘壩工程，是現(xiàn)今使用較為廣泛的大壩類型。

橡膠壩應(yīng)用時(shí)間較為短暫，建設(shè)經(jīng)驗(yàn)較少，在應(yīng)用過程中依然存在很多問題。如橡膠壩潰壩、防滲鋪蓋翹起、壩底板折斷下沉、壩基滲漏等，威脅著橡膠壩的整體穩(wěn)定性。同時(shí)，橡膠壩材質(zhì)較為特殊，需定期進(jìn)行維修與更換。壩基是橡膠壩的基石部分，防滲、抗沖性能的好壞直接影響著整個(gè)橡膠壩的安全。經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)研顯示，橡膠壩壩基失穩(wěn)、變形、滲漏、液化等問題頻繁發(fā)生，是導(dǎo)致橡膠壩潰壩災(zāi)害發(fā)生的根本原因。

我國幅員遼闊，多數(shù)地區(qū)處于溫帶季風(fēng)帶與亞熱帶季風(fēng)帶，降雨量較大，洪水災(zāi)害發(fā)生概率較大。當(dāng)橡膠壩潰壩發(fā)生時(shí)，洪水會急速沖向下游村莊或城市，威脅著下游人民財(cái)產(chǎn)與生命的安全。中國平均每年潰壩災(zāi)害事件發(fā)生頻次約為60次，潰壩頻率高且數(shù)量大，成為危害人們安全的主要災(zāi)害種類之一。為了防止?jié)螢?zāi)害事件的發(fā)生，本文提出不同洪水重現(xiàn)期下橡膠壩壩基防滲抗沖技術(shù)研究。

1 橡膠壩壩基防滲抗沖技術(shù)研究

1.1 不同洪水重現(xiàn)期分布參數(shù)估計(jì)

依據(jù)洪水重現(xiàn)期的不同，可以將洪水類型進(jìn)行一定的劃分，以便進(jìn)行研究。應(yīng)用HLM算法估計(jì)不同洪水重現(xiàn)期分布參數(shù)，為后續(xù)壩基防滲抗沖技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供支撐。

根據(jù)已有文獻(xiàn)研究可知，依據(jù)洪水重現(xiàn)期的差異將洪水劃分為4種類型，分別為一般洪水、較大洪水、大洪水與特大洪水，對應(yīng)的重現(xiàn)期分別為<10年、10～20年、20～50年以及>50年[2]。根據(jù)上述分類情況，獲取不同洪水重現(xiàn)期的樣本數(shù)據(jù)，將其作為HLM算法的輸入?yún)⒘?，并以此為基礎(chǔ)，估計(jì)不同洪水重現(xiàn)期分布參數(shù)。

HLM算法是HPWM的線性組合，其表達(dá)式為：

(1)

隨著μ數(shù)值的增大，HLM算法對隨機(jī)變量依賴性也隨之增加，從而影響HLM算法的應(yīng)用效果。HLM算法隨機(jī)變量計(jì)算公式為：

(2)

依據(jù)上述確定的HLM算法表達(dá)式與隨機(jī)變量，估計(jì)不同洪水重現(xiàn)期分布參數(shù)——防滲系數(shù)與抗沖系數(shù)，其表達(dá)式為：

(3)

式中：ψp、ζq分別為不同洪水重現(xiàn)期需要的防滲系數(shù)與抗沖系數(shù)；p、q取值范圍為[1,4]；κp為洪水滲透流量；vp為洪水滲透速度；τq為壩基抗剪強(qiáng)度；Pq為超靜孔隙水壓力。

上述過程完成了不同洪水重現(xiàn)期分布參數(shù)——防滲系數(shù)與抗沖系數(shù)的估計(jì)，為橡膠壩壩基防滲抗沖技術(shù)的設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 橡膠壩壩基滲流模型構(gòu)建

為了提升壩基防滲抗沖性能，結(jié)合橡膠壩自身特點(diǎn)，構(gòu)建橡膠壩壩基滲流模型，研究橡膠壩壩基滲流規(guī)律，為后續(xù)防滲處理提供依據(jù)。

根據(jù)分析可知，橡膠壩壩基滲流符合達(dá)西定律，其適用范圍見圖1。

圖1 達(dá)西定律適用范圍示意圖

由圖1可知，達(dá)西定律僅適用于水的層流運(yùn)動(dòng)，指的是流體在均質(zhì)多孔介質(zhì)中的滲流現(xiàn)象[4]。為了簡化研究過程，將橡膠壩壩基看作為均質(zhì)多孔介質(zhì)，其滲流規(guī)律即符合達(dá)西定律，表達(dá)式為：

(4)

由于壩基材質(zhì)影響，洪水在不同方向滲流速度分量也有差異，表達(dá)式為：

(5)

上述過程完成了橡膠壩壩基滲流模型的構(gòu)建，并且計(jì)算了洪水在不同方向滲流速度分量，為后續(xù)防滲抗沖技術(shù)的設(shè)計(jì)做好充足的準(zhǔn)備。

1.3 橡膠壩壩基防滲處理

為了保護(hù)橡膠壩壩基的穩(wěn)定與安全，壩基防滲處理必須能夠抵御特大洪水(重現(xiàn)期>50年)，采用帷幕灌漿方式對壩基進(jìn)行防滲處理，具體如下。

依據(jù)透水率小于3Lu標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)壩基帷幕灌漿結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 壩基帷幕灌漿結(jié)構(gòu)示意圖

依據(jù)圖2設(shè)計(jì)的壩基帷幕灌漿結(jié)構(gòu)，結(jié)合橡膠壩壩基材質(zhì)特點(diǎn)，采用固結(jié)灌漿形式，提升壩基的承載力與完整程度[5]。在壩基防滲處理過程中，設(shè)置灌漿孔為5排梅花樁形式，固結(jié)灌漿深度為8～10m。帷幕灌漿主要分為兩個(gè)階段，分別為前期灌漿施工與后期補(bǔ)強(qiáng)灌漿。其中，前期灌漿施工開始于壩軸線，通過兩個(gè)序孔進(jìn)行依次灌漿，其壓力數(shù)值隨著孔深數(shù)值變化，見表1。

表1 前期帷幕灌漿壓力數(shù)值表

帷幕灌漿施工工序如下：

步驟一：保持金剛石鉆頭為豎直狀態(tài)，控制其傾斜率小于1.5%，進(jìn)行灌漿孔的鉆進(jìn)。

步驟二：當(dāng)灌漿孔深度達(dá)到一定數(shù)值后，采用80%灌漿壓力對鉆孔裂隙進(jìn)行沖洗，直至回水為清水為止。

步驟三：鉆孔沖洗后，后期補(bǔ)強(qiáng)灌漿前，為了保障帷幕灌漿技術(shù)實(shí)施效果，對灌漿孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)，探究鉆孔透水情況，以此為基礎(chǔ)，設(shè)置灌漿參數(shù)。

步驟四：依據(jù)鉆孔不同情況，對漿液濃度、壓力等進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，對灌漿過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制。

步驟五：灌漿結(jié)束后，采用全孔灌漿封孔方式對灌漿孔進(jìn)行封存[6]。需要注意的是，灌漿壓力最大值不能超過1MPa。

后期補(bǔ)強(qiáng)灌漿是在前期灌漿施工基礎(chǔ)上進(jìn)行的。一般情況下，前期灌漿施工結(jié)束后，壩基依然存在著不同程度的滲漏現(xiàn)象，需要對其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)操作。補(bǔ)強(qiáng)灌漿采用GIN灌漿法，能量消耗約為灌漿壓力與漿液累積注入量的乘積。

上述過程完成了橡膠壩壩基的防滲處理，為壩基的穩(wěn)定提供一定的支撐。

1.4 橡膠壩壩基抗沖加固

防滲處理僅防止洪水滲透量過多，橡膠壩壩基依然存在穩(wěn)固性較差的現(xiàn)象，故應(yīng)用振沖加固法對其進(jìn)行抗沖加固處理[7]。振沖加固法實(shí)施步驟如下：

Step 1：獲取橡膠壩壩基物理力學(xué)指標(biāo)，通過抗液化試驗(yàn)確定加固范圍與標(biāo)準(zhǔn)。

Step 2：根據(jù)實(shí)際壩基情況，確定振沖加固法是否適用。

Step 3：選取振沖機(jī)具、振沖填料等相關(guān)施工要素，并探究是否需要輔助材料、器械的應(yīng)用。

Step 4：結(jié)合橡膠壩壩基實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，確定振沖樁樁徑、樁距、樁長等數(shù)值，制定合理的施工工藝，并在施工結(jié)束后對其質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。

Step 5：依據(jù)設(shè)置振沖加固參數(shù)、數(shù)值等進(jìn)行現(xiàn)場施工。在施工過程中，需要定期對加固效果進(jìn)行驗(yàn)證，及時(shí)對參數(shù)與數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，完善振沖加固方案。

Step 6：編制相應(yīng)的振沖加固施工方案，試驗(yàn)方案的可行性，確定可行后全部展開施工。

振沖加固過程中，單位壩基需要填料數(shù)量的確定至關(guān)重要[8]。本文基于振沖孔間距計(jì)算單位壩基需要填料數(shù)量，計(jì)算公式為：

(6)

式中：Ra為單位壩基需要填料數(shù)量；Ψ為加固后孔隙比；Ψ0為加固前孔隙比；Ψ1為回填料孔隙比。

依據(jù)上述確定的單位壩基需要填料數(shù)量，結(jié)合振沖加固法實(shí)施步驟，完成壩基的抗沖加固。綜上所述，實(shí)現(xiàn)了不同洪水重現(xiàn)期下橡膠壩壩基防滲抗沖技術(shù)設(shè)計(jì)，為橡膠壩的應(yīng)用與發(fā)展提供一定的助力。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域介紹

為了驗(yàn)證提出技術(shù)的應(yīng)用性能，選取某橡膠壩應(yīng)用水庫作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)域示例圖

實(shí)驗(yàn)對象——橡膠壩控制流域面積約為8 000km2，占整個(gè)河流面積比例約70%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)域水文氣象站數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)對象——橡膠壩上游降雨量大于下游降雨量，上游溫度小于下游溫度。實(shí)驗(yàn)區(qū)域隸屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域，降雨分布失衡，夏季降雨量較多，平均每年降雨日數(shù)約120d，平均每年降雨量約800mm。

實(shí)驗(yàn)區(qū)域洪水災(zāi)害主要原因?yàn)楸┯?，具備一定的季?jié)性規(guī)律。常規(guī)情況下，每年4-5月份，實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)降雨時(shí)間較長，降水強(qiáng)度較小，洪水類型為較大洪水(重現(xiàn)期為10～20年)；每年6-7月份，實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)降雨時(shí)間較長，降水強(qiáng)度較大，洪水類型為大洪水或者特大洪水(重現(xiàn)期為20～50年或>50年)；每年7月份之后，實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)降雨量顯著減小，洪水類型為一般洪水(重現(xiàn)期為<10年)。由于降雨情況無法預(yù)測，實(shí)驗(yàn)區(qū)域其他時(shí)間也有可能發(fā)生大洪水或者特大洪水災(zāi)害，這屬于例外情況，為了方便進(jìn)行研究，對例外情況進(jìn)行忽略處理。

2.2 不同重現(xiàn)期下洪水模擬

依據(jù)獲取的實(shí)驗(yàn)區(qū)域洪水災(zāi)害相關(guān)信息，采用時(shí)空變源混合產(chǎn)流模型，模擬不同重現(xiàn)期下的洪水類型。由于洪水峰形特點(diǎn)與季節(jié)特性的不同，洪水災(zāi)害量級、數(shù)據(jù)等存在著較大的差異。為了簡化實(shí)驗(yàn)過程，采用同頻率放大法獲取洪水過程線，以此為基礎(chǔ)，模擬不同重現(xiàn)期下的洪水過程。

不同重現(xiàn)期背景下，洪水過程線見圖4。

圖4 洪水過程線示意圖

依據(jù)圖4所示洪水過程線數(shù)據(jù)，對不同重現(xiàn)期背景下的洪水類型進(jìn)行模擬，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供便利。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以上述選取的實(shí)驗(yàn)區(qū)域、模擬的洪水類型為基礎(chǔ)，進(jìn)行橡膠壩壩基防滲抗沖實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，獲得壩基防滲系數(shù)ψp與抗沖系數(shù)ζq，以此來驗(yàn)證提出技術(shù)的應(yīng)用效果。通過實(shí)驗(yàn)獲得壩基防滲系數(shù)數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 壩基防滲系數(shù)數(shù)據(jù)圖

圖5中，依據(jù)不同洪水重現(xiàn)期情況，設(shè)置壩基防滲系數(shù)最低限值分別為0.60、0.72、0.84及1.08。應(yīng)用提出方法獲得的壩基防滲系數(shù)均大于給定最低限值，表明提出技術(shù)具有較好的防滲性能。

通過實(shí)驗(yàn)獲得壩基抗沖系數(shù)數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 壩基抗沖系數(shù)數(shù)據(jù)圖

圖6中，依據(jù)不同洪水重現(xiàn)期情況，設(shè)置壩基抗沖系數(shù)最低限值分別為0.14、0.18、0.24及0.32。應(yīng)用提出方法獲得的壩基抗沖系數(shù)均大于給定最低限值，表明提出技術(shù)具有較好的抗沖性能。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，應(yīng)用提出技術(shù)后在不同重現(xiàn)期背景下，壩基防滲系數(shù)與抗沖系數(shù)均大于給定最低限值，充分證實(shí)了提出技術(shù)的有效性與可行性。

3 結(jié) 語

我國幅員遼闊、橡膠壩水庫數(shù)量較多，但自然災(zāi)害頻率高發(fā)，導(dǎo)致橡膠壩水庫潰壩危險(xiǎn)居高不下。本文依據(jù)洪水重現(xiàn)期的差異，將洪水類型劃分為一般洪水、較大洪水、大洪水與特大洪水，估算不同洪水類型分布參數(shù)——防滲系數(shù)與抗沖系數(shù)，構(gòu)建橡膠壩壩基滲流模型，并提出相應(yīng)的防滲抗沖方案。

但所提出技術(shù)未能將全部情況考慮在內(nèi)，為了能夠更好提升壩基防滲抗沖性能，還需要在以下幾個(gè)方面繼續(xù)深入研究：①各種類型洪水災(zāi)害情況的差異較大，需要對其進(jìn)行詳細(xì)的探究，制定更加完善的防滲抗沖方案；②選取合理、科學(xué)的指標(biāo)，作出更加有效的方案決策；③增大防滲抗沖技術(shù)實(shí)施過程中的管理強(qiáng)度，保障防滲抗沖技術(shù)順利實(shí)施，獲取最佳的防滲抗沖效果，為橡膠壩的應(yīng)用與發(fā)展提供更加有力的幫助。