砂砾石深覆盖层坝基处理及防渗设计研究

2023-09-12陈宋斌曹孟智

海河水利 2023年8期

陈宋斌，曹孟智

（山东省水利勘察设计院有限公司贵州分公司，贵州贵阳 550002）

塑性混凝土是水泥用量较低，并掺加较多膨润土、黏土等材料的具有较大流动性的混凝土。塑性混凝土具有初始弹性模量低、极限应变大、与周围土体的变形模量相近、易保证墙体的安全以及抗渗性强等优点［1，2］，因而被广泛应用于土石坝覆盖层地基的防渗处理、围堰的堰体和堰基的防渗处理以及病险水库的除险加固［3，4］。本文以抱都水库为例，验证在砂砾石地基采用塑性混凝土心墙防渗的可行性。

1 工程概况

1.1 工程总体情况

抱都水库处于毕节市威宁县么站镇抱都村西北，地理位置为东经104°15´54″，北纬26°42´43″，位于珠江流域北盘江水系可渡河一级支流响水河中上游河段。水库大坝坝轴线以上集水面积18.3 km2，总库容481 万m³，兴利库容305.9 万m³，为小（1）型水利工程，主要任务为灌溉及人畜供水。水库主要建筑物包括黏土心墙砂砾石坝、开敞式溢洪道、取水兼放空洞、提水泵站以及输水管线、高位水池等［5］。

1.2 工程地质

水库坝址两岸第四系覆盖层为残坡积层，成份为黏性土夹风化岩屑、岩块等，孔隙较大，结构松散，密实度较差，厚度0～2 m。坝址河床为冲洪积层，成分以砂砾石为主，厚度为20.5～26.4 m，局部有中细砂夹层。砂砾石平均粒径为3～5 cm，以次圆状及次棱角状为主，由重力触探可知上部呈松散状，下部呈中密～密实状。

水库工程区地震基本烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.10 g，地震动反应谱特征周期为0.45 s［6］。

《水利水电工程地质勘察规范》［7］（GB50487-2008）附录G 关于级配不连续的土和级配连续的土的规定如下。

颗粒大小分布曲线上至少有一个以上粒组的颗粒含量小于或等于3%的土，称为级配不连续的土。以上述粒组在颗粒大小分布曲线上形成的平缓段的最大粒径和最小粒径的平均值或最小粒径作为粗、细颗粒的区分粒径d，相应于该粒径的颗粒含量为细颗粒含量P。

级配连续的土粗、细粒径的区分粒径计算公式为：

式中：d为粒径（mm）；d70为小于该粒径的含量占总土重70%的颗粒粒径（mm）；d10为小于该粒径的含量占总土重10%的颗粒粒径（mm）。

本次进行9 组砂砾石颗粒大小筛分，其分布曲线如图1所示。

图1 砂砾石颗粒大小分布曲线

对于不均匀系数大于5 的无黏性土渗透变形类型的判别方法为：流土P≥35%；过渡型25%≤P＜35%，取决于土的密度、粒径和形状；管涌P＜25%。渗透变形类型判别，详见表1。

表1 渗透变形类型判别

由表1 可知，抱都水库坝趾处砂砾石层的渗透变形类别为管涌。

2 坝型选择

由于抱都水库工程坝址河床覆盖层较深，因此不宜修建重力坝和拱坝等刚性坝，推荐修建柔性坝。当地砂砾石储量较为丰富，性质满足筑坝要求、易于开采且距坝址较近，可为工程建设提供足够的原料，故宜修建塑性混凝土心墙砂砾石坝。

3 坝体防渗设计

抱都水库坝址区有黏土分布，土料黏粒含量、塑性指数、渗透系数、有机质含量、水溶盐含量和天然含水率均满足土石坝心墙防渗要求，故本次采用黏土心墙作为大坝防渗体。

大坝黏土心墙上下游坡度均采用1∶0.75，防渗黏土心墙与砂砾石坝壳间设置水平宽度为1.5 m 的中粗砂反滤层，坝体防渗（黏土心墙）结构设计如图2所示。

图2 坝体防渗（黏土心墙）结构设计

4 坝基防渗处理

抱都水库坝址砂砾石层较厚，推荐采用“墙接幕”形式。对砂砾石覆盖层采用塑性混凝土防渗墙，对砂砾石覆盖层下部基岩采用帷幕灌浆进行防渗处理，从而形成上有防渗墙、下有灌浆帷幕的一种坝基联合防渗体，同时与坝体黏土心墙结合构成一个完整的防渗体系。

坝体防渗设计，如图3所示。

图3 坝体防渗设计

根据《水工设计手册》[7]，防渗墙厚度主要根据其容许水力梯度、工程类比和施工设备确定，公式为：

式中：δ为防渗墙厚度（m）；H为防渗墙承受最大作用水头（m）；Jp为防渗墙的容许水力梯度（m）。刚性混凝土防渗墙的Jp可达80～100 m，塑性混凝土防渗墙的Jp可达50～60 m。

经计算，得防渗墙厚度δ=0.58 m。由于本工程防渗墙深度较深，最大深度达51.86 m，按3‰偏差计算，单侧偏斜为0.16 m。根据防渗墙厚度和偏差计算，防渗墙厚度为0.74 m，另根据坝址地质条件和已建工程经验，防渗墙厚度取0.8 m。

防渗墙轴线位于大坝轴线上游侧1.0 m，底部伸入基岩1.0 m，墙体采用塑性混凝土材料。

坝基基岩防渗采用帷幕灌浆。帷幕灌浆坝基控制在基岩透水率5 Lu线以下5.0 m，其伸入两岸的长度根据渗流计算成果和水库蓄水前两岸的地下水位与正常蓄水相交位置综合确定。

5 大坝计算分析

5.1 渗流计算

渗流计算采用河海大学开发的AutoBank 软件进行分析，抱都水库大坝渗流计算结果详见表2。

表2 大坝渗流计算结果

由表2可知，4种工况下渗透坡降均小于坝体允许渗流坡降0.42，不会发生渗透破坏，大坝渗流稳定满足规范要求。

5.2 稳定计算

采用河海大学开发的AutoBank 软件进行分析，抱都水库大坝稳定计算结果详见表3。

表3 大坝稳定计算结果

由表3可知，各种工况下大坝稳定满足规范要求。

5.3 沉降计算

5.3.1 计算方法

采用分层总和法计算，坝体分层厚度为1.0 m，坝基按土的性质和类别分层。受压层的计算深度按坝体附加应力等于坝基自重应力20%处的深度确定。

（1）坝体沉降量计算公式为：

式中：S为坝体沉降量（m）；ei0为第i层的起始孔隙比；eit为第i层在上部荷载作用下的孔隙比，从各土层e-p曲线内插求得；hi为第i层土层厚度（m）；n为土层分层数。

（2）坝基沉降量计算公式为：

式中：S∞为坝基的最终沉降量（m）；Pi为第i层由坝体荷载产生的竖向应力（kN）；Ei为第i层的变形模量（MPa）。

（3）竖向应力计算。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2020）附录E.2 竖向应力计算要求，坝体任一点竖向总应力应由自重和坝体荷载引起的附加应力叠加，同时当中低坝满足式（5）要求时，可不考虑坝体荷载引起的附加应力在坝基的应力扩散，取坝顶以下的最大坝体自重应力作为坝基的附加应力。

式中：Y为坝基可压缩层厚度（m），取26 m；B为坝底宽度（m），取146 m。

根据Y/B=0.18＜0.25，可不考虑坝体荷载引起的附加应力在坝基的应力扩散，因此取坝顶以下的最大坝体自重应力作为坝基的附加应力。

5.3.2 计算结果

大坝沉降计算结果，详见表4。

表4 大坝沉降计算结果cm

取3 处断面的最大值，经计算大坝总沉降量为70.6 cm。根据工程经验，施工期沉降量约占总沉降量的70%，故竣工后预留沉降超高0.25 m。根据坝顶高程确定，在满足安全超高要求下，富余超高可以满足竣工后沉降要求。

5.4 抗震安全复核

5.4.1 水库场地情况

根据《中国地震动参数区划图》，工程区地震动峰值加速度为0.10 g，相应地震基本烈度为Ⅶ度，地震动反应谱特征周期为0.45 s。

5.4.2 地震液化判别

根据水库场地情况，需对坝基砂砾石层进行地震液化判别。

（1）初判。坝址处砂砾石层位于地下水位以下，呈饱和状态，松散～稍密，具备振动液化的条件，由此判定坝基砂砾石存在液化可能性，应进行工程处理。

（2）标准贯入锤击数法。当标准贯入点试验深度和地下水位在试验地面以下的深度不同于工程正常运行时，实测标准贯入锤击数按式（6）进行校正，并以校正后的标准贯入锤击数N63.5作为复判依据。符合式（7）要求的土可判为液化土。

式中：N为工程正常运用时，标准贯入点在当时地面以下ds深度处的标准贯入锤击数；N´为实测标准贯入锤击数；Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值；ds为工程正常运用时，标准贯入点在当时地面以下的深度（m）；ds´为标准贯入试验时，标准贯入点在当时地面以下的深度（m）；dw为工程正常运用时地下水位在当时地面以下的深度（m），当地面淹没于水面以下时dw取0；dw´为标准贯入试验时地下水位在当时地面以下的深度（m），当地面淹没于水面以下时dw´取0；No为液化判别标准贯入锤击数基准值；ρc为土的黏粒含量质量百分率（%），当ρc＜3%时取3%。

坝基砂砾石振动液化判别，详见表5。

表5 坝基砂砾石振动液化判别

由表5 可知，在地震动峰值加速度0.10 g 条件下，坝基砂砾石层存在液化可能性，为可液化土层。

（3）相对密度复判法。坝址河床砂砾石层相对密度为75%，依据《水利水电工程地质勘察规范》，判别坝址河床砂砾石层为可能液化土，存在液化可能性。

（4）液化指数与液化等级判定。液化指数和划分地基液化等级的主要目的是将预估的液化程度定量化，以便采取相应的抗液化措施。本工程选用《工程地质手册》（第五版）[8]中的面积法计算坝基液化指数：

式中：Ile为液化指数；n为在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验的总数；Ni，Ncri分别为第i点标准贯入锤击数的实测值和临界值，当实测值大于临界值时取临界值；Ai为第i点代表土层厚度所对应的权函数所围面积（m²）；A（zi），A（zi-1）分别为从地面算起的深度Zi和Zi-1的权函数所围面积（m²）；Zi，Zi-1分别表示所代表土层的下界面和上界面深度（m）。

《工程地质手册》（第五版）地基液化等级的判定标准为：0＜Ile≤6 时液化等级为轻微，6＜Ile≤18 时液化等级为中等，Ile＞18 时液化等级为严重。坝基砂砾石振动液化指数计算及判别结果，详见表6。

表6 坝基砂砾石振动液化指数计算及判别结果

（5）计算结果与分析。本次液化分析主要针对坝基液化进行判断。根据计算结果可知，坝基液化为浅层液化，为深度3.5～9.9 m 范围内的砂砾石层。根据《工程地质手册》（第五版）第七章液化指数计算判定方法，地基液化属于中等液化。本工程地震烈度为Ⅶ度，设防类别为丁类，查阅相关规范及资料，当液化砂土层、粉土层较平坦时，抗震设防类别为丁类，地基液化等级为轻微和中等时可不采取抗液化措施。

本工程上部设有围堰及风化料压重，其液化区域基本在坝脚外侧。在大坝上游高程2167.00 m 以下增加风化料压重后，液化区域向上游移动至压重平台外侧，结合其他工程经验分析，坝体上游坝坡稳定性满足规范要求。下游坝脚液化区域由于贴坡排水压重作用，促使液化区域外移至坝脚外，液化深度比坝前略深，深度范围为3.5～9.9 m。结合以往工程经验及相关规范，坝基液化不影响坝坡安全，且下游坝脚填高至2153.00 m 高程，故不再进行抗液化处理。