某山区河道蓄水堰砂卵石基础防渗处理设计

刘 聪，邱 超

(南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

中小河流含义为流域面积为200～3000km2的河流，我国中小河流面广量大，治理任务艰巨而繁重。随近几年水利部办建设〔2022〕206、230号等文件的印发，山区中小河流治理将成为近期水利工程的一项重点[1]。山区河道功能以行洪、灌溉为主，相较于一般平原河道，典型特点为平面形态蜿蜒，河床比降大(i≥1～3‰)，汛期山洪源短流急、水位陡涨陡落、峰值流量高[2]，而日常河槽蓄水量低、水深较浅。为满足区域周边生产、生活用水需求，河道中需建设蓄水堰坝以抬升水位[3]，而山区河道河床土质常见为砂、卵石，相应坝基防渗处理工作尤为重要。本文以青阳县九华河某新建蓄水堰工程为例，提出了一种就地取材的卵石砼截渗槽方案，在满足防渗效果的同时确保了一定的经济适用性。

1 工程概况

1.1 项目简介

九华河为长江南岸一级支流，河道全长58km，流域面积533km2，其中山区面积348.8km2，占65.4%，丘陵区100.6km2，占18.9%，圩畈区76.5km2，占14.4%。九华河沿线属被山体包裹的相对平坦地带，为典型山丘区河道，村庄沿河分布。某新建蓄水堰靠近望华禅寺，属村庄集中区域，位于河道整体C字形走向顶点处。工程河段以天然未整治形态为主，河床存在滩地，河段总长1.2km，河道上口宽74.0～95.0m，河底宽45.0～56.5m，河底高程19.6～17.5m，整体比降为1.8‰。结合蓄水需求及纵坡分析，拟新建蓄水堰顶高程为20.00m，主体采用固定堰型式[4]。如图1所示。

图1 山区河道天然状态下日常蓄水位低

1.2 地质情况

九华河望华禅寺段属皖南低山丘陵区，总体为东南高西北低。项目区及周边地貌类型为中山、低山、山前斜坡地和山间谷地。本次岸坡揭露的地层主要为第四系芜湖组及寒武系青坑组石灰岩土层，分别描述如下：

①素填土，松散～稍密，层表分布大量植被，主要成分为黏性填土，夹砂砾。层厚0.20～2.40m，层底标高17.18～21.22m。

②卵石，中密～密实，由硬质岩风化碎屑经洪冲积而形成，其中卵石含量约50%～60%，一般粒径2～15cm，颗粒多呈圆形、亚圆形，粒径最大可达20cm，分选性一般。层厚5.00～12.20m，层底标高5.08～16.12m。

③中风化石灰岩，主要矿物成份为方解石，结构部分破坏，风化裂隙发育，沿节理面有次生矿物，岩体较完整，属较硬岩，岩体基本质量等级为Ⅲ类，层顶埋深5.00～12.50m。

蓄水堰坝基础土质为典型二元地层结构(卵石+基岩)，上部为强透水卵石层，下部为极微透水基岩。河道内堰坝蓄水时渗流为坝基渗流和坝肩绕渗之和，相对于素填土为主的坝肩绕渗，位于强透水层的坝基渗流为主要作用。

2 堰基防渗方案

2.1 堰身主体型式

堰坝主体的设计结合蓄水需求和周边场地条件共同确定，本堰坝位于风景区北门户，造型以“山叠水”为主旨，设两级弧形跌水坎，设计堰身及底板采用C30钢筋砼，堰高1.8m，堰宽54.0m，平面呈山峦造型。如图2所示。

图2 蓄水堰坝身设计方案

2.2 堰基防渗比选

河道拦河建筑物渗流计算主要控制比降、渗流量两项指标。其中渗流比降控制以延长渗径、提高抗渗流变形能力措施为主，如铺盖、反滤层等措施；而渗流量控制以封闭渗流路径为主，如垂直截渗墙、截渗槽等措施。本次蓄水堰防渗分析主要控制渗流量。常用的垂直防渗措施包括：砼/钢筋砼防渗墙、搅拌/旋喷桩帷幕、黏土截渗槽、土工膜/复合土工膜等[5]。各种型式的特点及适用性比选见表1。

表1 蓄水堰基础垂直防渗方案比选

蓄水堰基础土层为砂卵石，距离下卧基岩层约4.0～5.0m，通过比选几种常见的防渗方式，较为可行的方案为钢筋砼防渗墙和黏土截渗槽方案，但钢筋砼防渗墙存在基坑开挖深、降水难、混凝土浇筑操作难度高等问题，而黏土截渗槽存在项目区域防渗黏土土料缺乏、购运成本高、压实不便等问题，均存在一定缺陷。

2.3 因地制宜优化防渗方案

结合当地实际条件和施工操作难度，本次设计采用就地取材河床卵石拌合混凝土截渗槽方案：结合基槽开挖选取符合要求的河床基础卵石，以C25砼配合比要求拌制混凝土，并作为防渗体回填至原河床基槽。卵石砼截渗槽底宽0.5m，两侧坡比1∶0.75，进入中风化石灰岩层0.5m，卵石砼防渗体渗透系数k<1.0×10-6cm/s。本方案结合了施工工艺简洁性的同时，又结合了主材取材的便利性，更适合大部分施工单位进行操作。如图3所示。

图3 堰基卵石砼防渗设计方案

2.4 防渗体方案要点

(1)卵石砼配合比

卵石砼防渗体配制即以河床卵石取代普通混凝土拌合物中的粗集料部分，配合比遵循SL 352等规范。结合水工混凝土耐久性要求取设计砼标号为C25，相应卵石砼配合比水泥：砂：碎石：水为1∶1.76∶3.33∶0.55，即每立方米混凝土水泥用量411kg，砂0.45m3，石子0.8m3，水0.18m3。

(2)卵石砼造价

根据一般市场行情及施工预算，普通C25混凝土预算价格为501元/m3，而就地取材卵石砼，节省了原材料中的碎石粗集料，实际发生价格约450元/m3，整体节省约50元/m3，减少投资约10%。

3 防渗效果验证

3.1 有限元模型

Plaxis有限元软件广泛应用于岩土设计计算，适用范围包括基坑与周边环境相互影响、盾构隧道施工与周边既有建筑物相互作用、板桩码头应力变形分析、库水位骤升骤降对坝体稳定性的影响、软土地基固结排水分析、基坑降水渗流分析及完全流固耦合分析等等。拟基于Plaxis平台对卵石砼防渗堰基进行渗流模拟计算[6]，从而分析防渗效果。

①计算模型。计算模型为平面应变十五节点二维模型，平面方向为x轴，竖向为y轴；初始应力采用重力加载生成，根据土体积重度生成应力，孔隙水压采用稳态渗流计算生成。

②结构参数。土体采用摩尔-库伦本构模型，参数根据地勘确定，详见表2。

表2 模型土层计算参数

③网格划分与边界条件。计算模型取平面尺寸50m，计算深度(已至基岩层)10m，网格划分中等。模型渗流边界xmax、xmin、ymax左右上方向开放，ymin底部下方向关闭。

3.2 模型计算结果

分两种工况计算对比分析：工况A为天然地基时的稳定渗流，工况B为设卵石砼防渗体时的稳定渗流。两种工况的堰基渗流场计算结果图如图4—6所示，见表3。

表3 基础剖面沿深度渗流量计算结果

图4 工况A天然地基堰基渗流矢量场图

图5 工况B设卵石砼防渗体堰基渗流矢量场图

图6 工况A、B堰基剖面渗流量分布图

根据计算结果分析，对于卵石+基岩二元地层结构，堰坝正常蓄水时的稳态渗流主要发生在覆盖层卵石层中，层厚约4.0～5.0m。天然地基时渗流在卵石层中随深度约均匀分布，堰基总渗流量约14.09m3/d/m；当设置卵石砼防渗槽并封闭垂直渗流路径以后，渗流主要集中在层体交界处，且渗流量大大较少，堰基总渗流量约0.00283m3/d/m。工程采用卵石砼截渗槽方案，可有效较少坝基渗流量约14.09m3/d/m，相应减少的渗流量主要通过坝顶增加溢流，并提升跌水效果。本防渗方案对于山区河道较少的日常来水量可起到拦蓄保障提升作用，有效增加蓄水堰的蓄水效率。

4 结语

依托青阳县九华河某山区河道蓄水堰项目，通过比选设计基础防渗型式，并采用Plaxis有限元软件计算验证，可以得到以下结论。

(1)就地取材的卵石砼截渗槽设计方案，既具备施工工艺的便捷性，又具备投资造价的经济性，可作为一种可行的设计方案供以后的山区河道蓄水堰设计参考。

(2)通过设置基础卵石砼防渗体，可减少本项目卵石河床坝基渗流量约14.09m3/d/m，有效增加蓄水堰的蓄水效率。