蓄水池工程施工方法及圍堰穩(wěn)定性分析研究

王 東

(武威市水利水電勘測設計院有限公司，甘肅 武威 733000)

0 引言

在我國，水利工程大多是由國家投資建設的，在基礎設施建設領域具有重要地位，其帶有一定的公益屬性，能夠產生非常顯著的政治效益和經濟效益。隨著經濟的快速發(fā)展，我國建設了大量的水利工程，其中以調蓄工程為代表的水利工程在提高我國人民的生活水平上起到了關鍵作用。調蓄工程是指以河流水系為脈絡、調蓄水池為骨干、受益村莊為節(jié)點，建設的河流調蓄水池輸水工程，以達到修復水域、恢復生態(tài)、統(tǒng)一調配水資源、充分利用地表水、置換保護地下水的目的。在調蓄工程中，蓄水池的設計以及圍堰的穩(wěn)定性問題至關重要，其中蓄水池設計的重點一般為地基承載力核算和防滲技術，目前對于該問題已有了不少研究。侯智勇[1]依托某供水工程項目進行對高架蓄水水池地基承載力問題以及施工組織設計問題進行研究，重點進行了基礎承載力的核算和施工中的腳手架工程設計。張世茂[2]對常規(guī)的斜坡土方填筑碾壓施工方法進行了改進，結合水泥砂土碾壓沉降試驗確定鋪料厚度可減少工程投資，同時解決施工進度較慢的問題。范勛禮[3]基于某半挖半填開敞式蓄水池實際工程為例，研究了在池底和壩坡位置采用封閉復合土工膜技術的防滲效果。魏詠[4]以天祝縣金強川三期工程為例，對該工程中的調蓄水池復合土工膜防滲技術進行研究。史堯等[5]依托某碼頭工程，利用GeoStudio軟件，分析高邊坡土石圍堰的滲流分布規(guī)律及邊坡穩(wěn)定性，研究了深井降水對圍堰穩(wěn)定性的影響。江平等[6]為評估圍堰堰坡的穩(wěn)定性、研究不同水位條件下拋填飽和粉質黏土圍堰邊坡的變形破壞模式，利用有限元軟件對圍堰開展不同水位條件下的穩(wěn)定性計算分析。孫永廣[7]利用有限元軟件建立2種圍堰數值模型，進行了滲流穩(wěn)定、壩坡穩(wěn)定及應力變形分析。許亮[8]基于廣東省某水利工程，利用Midas有限元數值分析軟件，對深厚淤泥層地質條件下雙排鋼板樁圍堰施工期穩(wěn)定性進行了預測。

本文依托甘肅省武威市涼州區(qū)調蓄工程，總結了蓄水池的施工流程，介紹了水池工程、復合土工膜以及圍堰的施工方法。同時，利用有限元軟件分析了不同地基條件下圍堰的穩(wěn)定性問題，以期為其他蓄調工程的設計施工起到一定指導作用。

1 工程概況

武威市涼州區(qū)調蓄工程以河流水系為脈絡、調蓄水池為骨干、受益村莊為節(jié)點，建成河流調蓄水池輸水工程，以達到修復水域、恢復生態(tài)、統(tǒng)一調配水資源、充分利用地表水、置換保護地下水的目的。工程在西營灌區(qū)、金塔灌區(qū)、雜木灌區(qū)、黃羊灌區(qū)計劃新建調蓄水池11座，總容積1265萬m3、輸水工程6項，輸水流量1～2m3/s。按建設位置劃分為西營、雜木、黃羊3個片區(qū)。主體工程施工安排在非主汛期，導流方式采取河床分段導流，施工期需在靠近建筑物側設置圍堰擋水，另一側束窄河床的導流。

2 蓄水池工程施工方法

蓄水池工程施工主要分為2個部分，分別為水池工程施工和復合土工膜施工，在進行蓄水池施工前，往往需要進行圍堰的施工，本節(jié)對這3部分都施工工藝及流程進行簡介。

2.1 水池工程施工

水池的施工主要包括土方開挖、堤壩土方填筑、細沙保護層及砂礫碎石壓重層、水泥土施工四個部分，施工流程如圖1所示。

圖1 水池工程施工流程

在進行水池工程施工時，應注意以下事項：

(1)在蓄水池的開挖、清基以及基礎開挖過程中應采取自上而下，分層分段多工作面進行。

(2)土方明挖應從上到下分層分段依次進行，邊坡開挖按設計的坡度進行，且邊坡削成平整斜面以利排水。

(3)堤壩填筑以蓄水池池區(qū)的挖方砂卵礫石為料源，推土機鋪料、振動碾采用進退錯距法壓實。

(4)細沙保護層及砂礫碎石壓重層施工中，墊層料均選擇庫區(qū)開挖料，經篩分處理后采用自卸汽車運至施工處。

(5)水泥土施工過程中應分段依次施工，層間水泥土的接縫位置可削成齒坎狀，對接縫處應加強夯實，從而保證水泥土的壓實度。

2.2 復合土工膜施工

蓄水池的防滲技術是蓄水池施工的一大重點，該蓄水池工程中的防滲層部分采用復合土工膜技術。復合土工膜防滲層施工順序為：復合土工膜鋪設→對正、搭齊→壓膜、定型→縫合底層土工布→擦凈拼接面→焊接試驗→焊接→檢測→修補→復驗→上層土工布縫合→驗收，復合土工膜防滲層施工流程圖如圖2所示。

圖2 復合土工膜防滲層施工流程圖

在進行復合土工膜防滲層時，應注意以下事項：

(1)復合土工膜應保存在通風干燥的環(huán)境處，應避免遭受日光照射，同時遠離其他熱源。

(2)復合土工膜的施工應在環(huán)境溫度為5～35℃，無雨雪、無沙塵的天氣條件下進行。若遇特殊環(huán)境需要施工，應采取有效的防護措施。

(3)清除場地范圍內的各種尖銳雜物。施工區(qū)域應做好防護圍擋。施工范圍內嚴禁煙火，加熱工器應設置隔熱裝置。

(4)進入施工作業(yè)人員應穿軟底鞋或棉襪。禁止穿釘鞋、高跟鞋及硬底鞋在土工膜上踩踏。嚴禁車輛在復合土工膜上碾壓。

(5)復合土工膜鋪設過程中必須進行搭接寬度和焊縫質量控制。施工質量控制人員必須全過程監(jiān)督膜的焊接和檢驗。

2.3 圍堰工程施工

涼州區(qū)調蓄工程的主體工程在非主汛期進行施工，導流方式采取河床分段導流，施工期需在靠近建筑物側設置圍堰擋水，另一側束窄河床的導流。圍堰工程的現場施工內容主要包括充填袋擋埝及吹填黑砂、拋填袋裝砂及砂墊層、打設塑料排水板、鋪設土工軟體排以及充填袋施工。

3 不同地基條件下圍堰穩(wěn)定性分析

3.1 數值模型建立

根據地質勘查資料顯示，圍堰工程的地基以軟土層為主，軟土層厚度最小處為4m，最大處超過240m。為研究不同地基條件下的圍堰穩(wěn)定性，本節(jié)選取了2個典型工點，利用有限元分析軟件PLAXIS分別建立均質軟土地基和雙層地基(上層為軟土，下層為硬土)的圍堰模型進行數值計算，圍堰底部寬度為60m，施工坡度為1∶2，為減小邊界效應的影響，地基寬度取8倍圍堰的底寬，即480m，地基厚度取4倍圍堰底寬，即240m，雙層地基中軟土厚度為4m。數值模型如圖3所示。

圖3 不同地基條件下的圍堰數值模型示意圖

圍堰由砂土進行充填，根據室內土工試驗得到不同土體材料的力學參數，見表1。

表1 數值模型地基土體力學參數

3.2 失穩(wěn)判據與安全系數

在有限元計算中，將極限破壞狀態(tài)對應的填筑高度作為該工況下圍堰的極限填土高度。目前利用有限元方法進行巖土工程計算尚未形成統(tǒng)一的失穩(wěn)判定標準，本節(jié)結合數值計算不收斂和特征點位移突變兩種失穩(wěn)標志，綜合判斷圍堰是否達到極限破壞狀態(tài)。

PLAXIS軟件利用強度折減法計算整體安全系數。計算時模型所受荷載保持不變，按照式(1)—(2)的方式對巖土體的強度指標c、φ進行折減與更新，逐步降低巖土體的強度指標，經過反復的試算，求得臨界破壞狀態(tài)下的巖土體抗剪強度指標，臨界破壞狀態(tài)下的抗剪強度指標與巖土體的抗剪強度指標之比，即為安全系數Fs[9]。

(1)

(2)

3.3 計算結果分析

為確定不同地基條件下的圍堰的極限填高，在計算過程中對圍堰底面中心點位置的沉降值以及坡角位置的水平位移進行監(jiān)測，同時利用強度折減法計算不同地基條件下所得結果如圖4所示。

圖4 數值計算結果

如圖4所示，在圍堰填筑高度一致的情況下，均質軟土地基條件下圍堰底部中心點的沉降值和坡角水平位移值均大于雙層地基條件。在均質軟土地基條件下，隨著圍堰填筑高度逐漸增大，圍堰底部中心沉降以及坡角水平位移逐漸增大，安全系數逐漸減小，當圍堰填筑高度達到2.5m時，圍堰底部中心沉降和坡角水平位移均發(fā)生突變，同時數值計算無法收斂，說明2.5m為均質軟土地基條件下圍堰的極限填土高度。在雙層地基條件下，圍堰底部中心沉降及坡角水平位移隨圍堰填筑高度增大而逐漸增大，圍堰底部中心沉降未出現數值增大的情況，但當圍堰填筑高度達到3.0m時，坡角水平位移值發(fā)生突變，且數值計算無法收斂，說明3.0m為雙層地基條件下圍堰的極限填土高度。均質軟土地基條件下圍堰底部中心沉降出現突變，而雙層地基條件下未出現的原因為：均質軟土地基在臨界失穩(wěn)條件下，土體內部出現貫通的潛在滑動面，圍堰底部中心位置在潛在滑動面的范圍內，而在雙層地基情況下，軟土層下存在硬土層，且軟土層的厚度較小，圍堰中心下方的土體不在潛在滑動面內。

綜上所述，通過數值計算不收斂以及特征點位移突變，可以得到均質軟土地基上圍堰的極限填高為2.5m，雙層地基上圍堰的極限填高為3m。

3.4 軟土層厚度對圍堰穩(wěn)定性的影響

土體的形成過程非常復雜，因此在地基中不同類型的土層厚度差異較大，使得地基中土層的情況錯綜復雜[10]。根據地質勘查資料顯示，該圍堰工程的地基土以軟土層為主，其中軟土層厚度最小處為4m，最大處超過240m。當軟土層厚度較小時，地基為上軟下硬的雙層地基，而軟土層厚度較大時，可將其視為均質軟土地基。不同類型的地基條件對圍堰穩(wěn)定性的影響也存在較大差異，本節(jié)為探究軟土層厚度對圍堰穩(wěn)定性的影響，設置了軟土層厚度為4、8、10、20m四種工況進行計算，得到不同軟土層厚度下位移增量矢量圖如圖5所示。

圖5 不同軟土層厚度下位移增量矢量圖

如圖5所示，當軟土層厚度為4、8、10m時，圍堰的破壞模式為邊坡-地基滑動破壞，滑動面從圍堰下方軟土層中的某一位置向兩側對稱延伸至地基表面。當軟土層厚度增至20m時，破壞模式變?yōu)榈鼗w剪切破壞。綜上可知，軟土層厚度對圍堰的破壞模式有較大的影響，潛在破壞滑動面的范圍隨軟土層厚度的增大逐漸加深擴寬，滑動面與硬土層表面的接觸面積逐漸減小。

4 結論

本文依托甘肅省武威市涼州區(qū)調蓄工程，介紹了水池工程、復合土工膜以及圍堰的施工方法。同時，利用有限元軟件分析了不同地基條件下圍堰的穩(wěn)定性問題，計算結果顯示：均質軟土地基條件下圍堰的沉降值和坡角水平位移均大于雙層地基條件，隨著圍堰填筑高度逐漸增大，圍堰底部中心沉降以及坡角水平位移逐漸增大，安全系數逐漸減小。在上軟下硬的雙層地基中，軟土層厚度對圍堰的破壞模式有較大的影響。

本文因基于實際工程，僅考慮了均質軟土地基和上軟下硬的雙層地基2種地基條件下的圍堰穩(wěn)定性問題，后續(xù)可增加其他工況，進一步探究不同地基條件下的圍堰穩(wěn)定性問題。