東平湖圍壩滲透穩(wěn)定性分析

東平湖圍壩滲透穩(wěn)定性分析

1壩身滲流影響東平湖位于山東省涼山市、東平川和泉霞河的交匯處。東平湖是一條重要的節(jié)水工程，將黃河洪水切斷，確保艾山以下狹窄河的防洪安全。東平湖水庫工程由圍壩、隔堤(以下通稱二級(jí)湖堤)、山口隔堤、進(jìn)出湖閘等組成。東平湖圍壩從徐莊閘至東平武家漫全長88.30km。東平湖圍壩于1958年秋修建,施工質(zhì)量差,問題較多,1960年試蓄水后整個(gè)圍壩背湖均有不同程度的滲水,個(gè)別壩段出現(xiàn)嚴(yán)重的滲透變形,之后國家投入了相當(dāng)?shù)娜肆Α⒇?cái)力對其進(jìn)行加固,雖經(jīng)過多次加修仍未全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),加之多年沉蟄風(fēng)蝕,壩基下又有多條古河道穿過,土層復(fù)雜多變,每遇洪水,險(xiǎn)情不斷,存在壩身填筑質(zhì)量差、地基復(fù)雜、滲透穩(wěn)定性差,難以確保分洪安全。故應(yīng)對東平湖圍壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固,以解決該壩段存在的嚴(yán)重隱患,提高圍壩的蓄滯洪水能力。壩段壩身主要由低液限粘土和低液限粉土組成,部分壩段夾有砂層透鏡體;壩基地層結(jié)構(gòu)可分為上部低液限粘土下部砂層的雙層地基結(jié)構(gòu),局部為單層和多層結(jié)構(gòu),部分壩段砂層在壩背湖側(cè)出露。其主要滲透穩(wěn)定問題為:一是部分壩段壩身土料為粉土質(zhì)砂,壩身填筑質(zhì)量不好,出現(xiàn)裂隙空洞等引起壩身滲漏;二是壩基下部的透水砂層較厚,背湖側(cè)存在諸多的坑塘和溝渠,使上部弱透水覆蓋層變薄而發(fā)生滲透變形破壞;三是臨湖側(cè)河道大量采砂,減弱了入滲的鋪蓋作用;四是某些壩段壩身下砂層埋深較淺,有的直接坐落在砂層上,在水位較高時(shí)湖水通過透水性較強(qiáng)的砂層而產(chǎn)生滲透破壞。2固、防滲處理由于該段圍壩既是東平湖圍壩的一部分,又在大清河上,壩基存在透水砂層和多條古河道,壩身存在裂隙、空洞和松散體,需要采取措施進(jìn)行加固處理。針對圍壩隱患可以采取的措施有:放淤固堤、后戧加固、防滲處理及其它處理方法,即:(1)臨湖側(cè)設(shè)置粘土防滲鋪蓋;(2)背湖側(cè)壩腳設(shè)置反濾排滲體;(3)填塘固腳;以上方法可組合使用。本壩段河道由于切穿了強(qiáng)透水砂層,臨湖側(cè)設(shè)置粘土防滲鋪蓋的方法不可取;以前的防滲加固措施中,已經(jīng)應(yīng)用了背湖側(cè)壩腳設(shè)置反濾排滲體的方法,但由于管理和淤堵等原因,基本報(bào)廢。同時(shí)地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,采用此措施從施工上和管理上有較大的難度;填塘固腳只能作為輔助措施。通過對以上幾種防滲加固方案的定性比較,考慮東平湖圍壩現(xiàn)存的主要問題及工程實(shí)施的難易程度,結(jié)合臨湖側(cè)的地形和水文條件,推薦采用壩頂截滲墻法的防滲加固方案。3截滲墻墻設(shè)計(jì)目前,截滲墻加固堤壩有多種材料類型如:混凝土截滲墻、塑性混凝土截滲墻、柔性材料截滲墻、水泥土攪拌樁截滲墻、振沖防滲板墻、高壓噴射成墻和垂直鋪塑等。3.1無砂混凝土截滲墻墻體施工目前先開槽然后澆注混凝土(或塑性、柔性材料)以形成連續(xù)截滲墻的施工工藝很多,如:液壓鋸槽法、射水法、導(dǎo)管反循環(huán)法、薄型液壓抓斗法等。其特點(diǎn)為:(1)機(jī)械化程度高、工效快,施工技術(shù)較成熟。(2)成墻深度大。(3)成墻連續(xù),強(qiáng)度高,防滲效果好。(4)適宜各類砂性土、粘土及濕陷性黃土。(5)混凝土截滲墻單位墻體造價(jià):液壓鋸槽法一般為150~180元/m2;射水法一般為170~200元/m2;薄壁液壓抓斗法一般為220~400元/m2;導(dǎo)管反循環(huán)法一般為240元/m2左右。液壓鋸槽法、薄壁液壓抓斗法開槽受地質(zhì)條件影響較大,遇壩身裂縫、空洞和松散砂層等情況易漏漿、塌孔;射水法開槽除以上問題外,且受深度限制。從近幾年黃河堤防混凝土截滲墻加固工程施工情況來看,由于堤身填土質(zhì)量差,施工時(shí)塌孔、漏漿嚴(yán)重,漿液從堤坡滲出,造成堤頂無法施工。導(dǎo)管反循環(huán)法成墻深度可達(dá)60m,能適應(yīng)地層的范圍廣,不僅適用于粘土,在砂類土層及卵石含量較高的土層中深層成槽更具獨(dú)特的優(yōu)越性,護(hù)壁效果好。根據(jù)調(diào)研資料,該工法在長江重要堤防隱蔽工程施工中,未發(fā)現(xiàn)塌孔和周圍堤身開列現(xiàn)象,與其它工法相比優(yōu)勢明顯。3.2施工技術(shù)特點(diǎn)水泥土攪拌樁截滲墻是運(yùn)用特制的深層攪拌樁機(jī),把水泥漿噴入土體并攪拌形成水泥土,這種水泥土具有一定的強(qiáng)度和防滲性能,從而形成水泥土截滲墻達(dá)到防滲目的。它具有以下特點(diǎn):(1)形成的水泥土墻體厚度均勻連續(xù),接頭少,柔性好、適應(yīng)地基變形能力強(qiáng),施工效率高,成墻深度可達(dá)22m(目前已經(jīng)研制成功25m)。(2)施工時(shí)不需要開槽,因此可避免因開槽出現(xiàn)的塌孔、漏漿、槽內(nèi)填土無法夯實(shí)等問題。(3)在施工中不破壞堤壩,經(jīng)過地質(zhì)雷達(dá)探測證實(shí)在墻體兩側(cè)兩米范圍內(nèi)土層密度明顯改善,增加了堤壩的強(qiáng)度,該技術(shù)施工工藝簡單,使用人力少,施工工效高,可縮短工程建設(shè)工期。工程造價(jià)低,其造價(jià)100~120元/m2。該工法目前可以達(dá)到22m的深度。(4)適用土層范圍廣,粘性土、砂土、粉質(zhì)粘土,含礫直徑少于0.05m的砂礫層,淤泥,甚至有土體架空或洞穴。3.3墻的特點(diǎn)及造價(jià)振沖防滲板墻是利用大功率高頻振動(dòng)設(shè)備將振管和切頭振入地層,在擠入和提升切頭的同時(shí),使水泥漿液從底部噴出,從而建成連續(xù)完整的截滲墻,它具有以下特點(diǎn):(1)形成的板墻墻體質(zhì)量好,厚度均勻,墻體連續(xù)可靠。(2)工序簡單,不需泥漿護(hù)壁,幾乎不產(chǎn)生廢渣,無污染。(3)對地層有一定的擠密作用。(4)成墻深度可達(dá)到27m,單位造價(jià)為160元/m2左右。(5)從投資方面來看,在相同的設(shè)計(jì)條件下,振沖防滲板墻單位造價(jià)為160元/m2左右,比水泥土攪拌樁截滲墻略高,但均低于各種施工工藝混凝土截滲墻的單位造價(jià)。3.4旋噴式駁岸法該法是利用能量高度集中的射流沖切地層,并將隨之帶入的漿液與土層中顆?；旌夏Y(jié),形成防滲體的方法,分為定噴、擺噴和旋噴。該法防滲效果較好,可增強(qiáng)堤壩強(qiáng)度,成墻深度可達(dá)40m,適宜砂土、砂礫土、黃土、粘性土、淤泥等土質(zhì)。但成墻厚度不均勻,工效低,工期長,投資偏高,單位造價(jià)為460元/m2左右。3.5樁截滲墻用成墻防滲效果較好,施工速度快,造價(jià)低,但易塌槽,回填土質(zhì)量難以保證,對壩體整體性有影響。通過以上截滲墻方案比較可以看出,水泥土攪拌樁截滲墻的單價(jià)最低,目前采用的多頭小直徑水泥土攪拌工藝已經(jīng)在長江、黃河、淮河等江河堤防上采用并取得了很好的效果,但受設(shè)備及工藝限制,深度不超過22m;導(dǎo)管反循環(huán)法成墻雖然單價(jià)較高,但使用地層的范圍廣,護(hù)壁效果好,在長江重要堤防隱蔽工程施工中,未發(fā)現(xiàn)塌孔和周圍堤身開列現(xiàn)象,與其它置換成墻工法相比優(yōu)勢明顯;振沖防滲板墻在黃河下游菏澤段堤防防滲處理中得到應(yīng)用,且單價(jià)相對較低,成墻深度可達(dá)27m。4東平湖周邊加固方案4.1截滲墻深度的確定采用截滲墻加固堤壩有上述多種方式,其適用范圍和取得的結(jié)果各有不同,針對東平湖圍壩坐落于黃河沖積平原與汶河沖積平原內(nèi),第四系松散地層發(fā)育,層厚達(dá)千米。沉積物的成因類型主要有河流沖積層、沖積湖積層及湖積層。地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。壩基為河流沖積層、湖積層和沖、湖積層,為雙層結(jié)構(gòu),上部低液限粘土、高液限粘土層,夾有一些的砂層或夾低液限粉土透鏡體,下部為層厚大于5m的砂層。考慮到壩身存在隱患,需截滲墻進(jìn)行處理,根據(jù)圍壩地質(zhì)條件及滲流計(jì)算,截滲墻底部應(yīng)坐落在粘土層相對較厚、滲透系數(shù)較小(小于或等于10-5cm/s)的低液限粘土層中,墻頂設(shè)計(jì)高程應(yīng)高于設(shè)計(jì)蓄洪水位0.5m,則截滲墻深度在8.9~33.4m之間。在最初的截滲墻加固中,截滲墻選用型式是按照,墻體深度在22m以內(nèi)的堤段采用深層水泥土攪拌樁截滲墻,墻體深度在22~27m的堤段采用振沖防滲板截滲墻,截滲墻深度超過27m的堤段采用混凝土截滲墻。在施工過程中,截滲墻深度大于22m時(shí)采用的振沖防滲板截滲墻和混凝土截滲墻施工較為困難,施工造價(jià)高,尤其在有深淺不一的地下障礙物(棄渣、亂石)以及鈣質(zhì)結(jié)核層時(shí)很難保證施工的正常進(jìn)行,為此對截滲墻深度超過22m和地下有障礙物的堤段進(jìn)行優(yōu)化。(1)將截滲墻深度在22~27m的堤段采用的振沖防滲板樁、深度超過27m的堤段采用的混凝土墻統(tǒng)一修改為深層水泥土深層攪拌與高噴相結(jié)合水泥土截滲墻,截滲墻上部22m采用水泥土深層攪拌樁,22m以下采用高壓擺噴;(2)截滲墻不利地層以上采用水泥土攪拌樁成墻,不利地層以下采用高壓擺噴成墻兩種墻上下搭接高度0.5m,搭接范圍采用高壓擺噴和旋噴相結(jié)合。4.2深層地下連續(xù)防滲墻的施工在施工深度小于25m的土層中,使用深層攪拌地下連續(xù)墻施工裝備的BJS-L50型主機(jī)施工,利用水泥土的固化機(jī)理,形成水泥土攪拌地下連續(xù)墻;在施工深度大于25m的土層中,或施工深度小于25m的砂礫石層或不利地層中,采用高噴技術(shù),使用鉆機(jī)鉆孔,然后再使用高噴臺(tái)車高壓噴射水泥漿,凝結(jié)后形成高噴地下連續(xù)墻;對上述所形成的水泥土攪拌地下連續(xù)墻和高噴地下連續(xù)墻,采用旋、擺噴水泥漿進(jìn)行連接,最終形成符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的深層地下連續(xù)防滲墻。(1)深攪:首先主機(jī)就位,調(diào)平;啟動(dòng)主機(jī),通過主機(jī)的傳動(dòng)裝置帶動(dòng)主機(jī)上的鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng),以一定的推動(dòng)力把鉆頭向土層鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度;提升攪拌到孔口。在鉆進(jìn)和提升的同時(shí),用漿泵將水泥漿由高壓輸漿管輸進(jìn)鉆桿,經(jīng)鉆頭噴入土體,使水泥漿和原土充分拌和完成一個(gè)單元墻的施工?？v向移動(dòng)主機(jī),多次重復(fù)上述過程形成一道水泥土防滲墻。(2)高噴:高噴是在水泥土墻凝固7天后進(jìn)行。高噴是先用鉆機(jī)在地層中造孔,然后高噴臺(tái)車將帶有噴頭的噴射管下至孔內(nèi)預(yù)定位置,使高壓泵形成的高速液流、空壓機(jī)形成的氣流從噴嘴中同軸噴射出去,直接沖擊、切割、破壞、腐蝕地層,灌注的水泥漿的膠凝顆粒表面的強(qiáng)烈吸附活性與被破壞的地層土石顆粒之間發(fā)生完全的強(qiáng)制性摻攪混合,充填擠壓,至凝結(jié)硬化,從而構(gòu)成堅(jiān)固的凝結(jié)體,成為結(jié)構(gòu)密實(shí)、強(qiáng)度大、有足夠防滲性能的防滲墻。(3)搭接處理:在深攪和高噴搭接部位采取擺噴、旋噴結(jié)合的方式施工,即擺噴提升至深攪墻墻底高程以上不小于0.5m處,然后再下管至深攪墻墻底,改用旋噴提升至深攪墻墻底高程以上不小于0.5m處。4.3墻體應(yīng)力分析為了比較不同的墻體厚度、墻體不同彈模情況下的應(yīng)力應(yīng)變成果,計(jì)算中分別考慮了墻體厚度為0.15m和0.22m兩種情況墻體厚度由15cm增至22cm時(shí),墻體的應(yīng)力減小,分析原因,可認(rèn)為墻體厚度變大后可使應(yīng)力更加均勻,從而引起應(yīng)力的減小。分析認(rèn)為,采用截滲墻作為防滲體在各種荷載的作用下對東平湖圍壩的受力情況沒有不利影響,墻體自身的應(yīng)力條件也比較好;相對而言墻厚為22cm時(shí)的應(yīng)力條件好于墻厚15cm時(shí),及當(dāng)截滲墻材料為塑性混凝土?xí)r的應(yīng)力條件好于截滲墻材料為剛性混凝土?xí)r,混凝土材料采用線性或非線性指標(biāo)對結(jié)果基本沒有影響。4.4流量法迭代求解滲流計(jì)算采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所編制的水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)(AutoBANKv3.2)。此程序可以用于平面穩(wěn)定滲流問題的分析,包括有壓滲流和有自由面的滲流。有壓滲流分析采用有限單元法直接求解滲流控制方程(Laplace方程),有自由面滲流采用有限單元法和節(jié)點(diǎn)虛流量法迭代求解。AutoBANK使用四邊形八節(jié)點(diǎn)等參元求解。目前滲流分析包括的功能有穩(wěn)定滲流分析輸出等勢線、滲流量、浸潤線、水力坡降、任意點(diǎn)的流場數(shù)據(jù)、任意斷面的流場數(shù)據(jù)分布圖。滲流計(jì)算微分方程,對符合達(dá)西定律的二向滲流,且土體與液體壓縮性可以忽略的條件下,水頭函數(shù)滿足拉普拉斯方程:式中h———水頭函數(shù);x、z———坐標(biāo);kx、kz———滲透系數(shù)。壩基滲流場計(jì)算的基本假定:壩基滲流場計(jì)算按平面問題考慮;壩基滲流場計(jì)算按穩(wěn)定場問題考慮。計(jì)算邊界條件:由于地質(zhì)給定的滲透剖面的范圍有限,計(jì)算中對上、下游計(jì)算邊界按給定的地層進(jìn)行適當(dāng)延伸,一般取至壩腳100m以外。臨湖側(cè)水位取設(shè)防水位,背湖側(cè)水位取壩后地面高程。滲透系數(shù)根據(jù)地質(zhì)報(bào)告經(jīng)分析后選取各地層的滲透系數(shù),允許出逸比降取為0.4。根據(jù)滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行的分析,參照歷年出險(xiǎn)的情況以及地質(zhì)地形條件,確定的截滲墻設(shè)計(jì)方案是合適的,采用截滲墻加固后,滲透穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)要求。5研究施工技術(shù),優(yōu)化混凝土深截滲墻段通過東平湖圍壩加固工程,面對施工戰(zhàn)線長、施