某山區河道蓄水堰砂卵石基礎防滲處理設計

劉 聰，邱 超

(南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

中小河流含義為流域面積為200～3000km2的河流，我國中小河流面廣量大，治理任務艱巨而繁重。隨近幾年水利部辦建設〔2022〕206、230號等文件的印發，山區中小河流治理將成為近期水利工程的一項重點[1]。山區河道功能以行洪、灌溉為主，相較于一般平原河道，典型特點為平面形態蜿蜒，河床比降大(i≥1～3‰)，汛期山洪源短流急、水位陡漲陡落、峰值流量高[2]，而日常河槽蓄水量低、水深較淺。為滿足區域周邊生產、生活用水需求，河道中需建設蓄水堰壩以抬升水位[3]，而山區河道河床土質常見為砂、卵石，相應壩基防滲處理工作尤為重要。本文以青陽縣九華河某新建蓄水堰工程為例，提出了一種就地取材的卵石砼截滲槽方案，在滿足防滲效果的同時確保了一定的經濟適用性。

1 工程概況

1.1 項目簡介

九華河為長江南岸一級支流，河道全長58km，流域面積533km2，其中山區面積348.8km2，占65.4%，丘陵區100.6km2，占18.9%，圩畈區76.5km2，占14.4%。九華河沿線屬被山體包裹的相對平坦地帶，為典型山丘區河道，村莊沿河分布。某新建蓄水堰靠近望華禪寺，屬村莊集中區域，位于河道整體C字形走向頂點處。工程河段以天然未整治形態為主，河床存在灘地，河段總長1.2km，河道上口寬74.0～95.0m，河底寬45.0～56.5m，河底高程19.6～17.5m，整體比降為1.8‰。結合蓄水需求及縱坡分析，擬新建蓄水堰頂高程為20.00m，主體采用固定堰型式[4]。如圖1所示。

圖1 山區河道天然狀態下日常蓄水位低

1.2 地質情況

九華河望華禪寺段屬皖南低山丘陵區，總體為東南高西北低。項目區及周邊地貌類型為中山、低山、山前斜坡地和山間谷地。本次岸坡揭露的地層主要為第四系蕪湖組及寒武系青坑組石灰巖土層，分別描述如下：

①素填土，松散～稍密，層表分布大量植被，主要成分為黏性填土，夾砂礫。層厚0.20～2.40m，層底標高17.18～21.22m。

②卵石，中密～密實，由硬質巖風化碎屑經洪沖積而形成，其中卵石含量約50%～60%，一般粒徑2～15cm，顆粒多呈圓形、亞圓形，粒徑最大可達20cm，分選性一般。層厚5.00～12.20m，層底標高5.08～16.12m。

③中風化石灰巖，主要礦物成份為方解石，結構部分破壞，風化裂隙發育，沿節理面有次生礦物，巖體較完整，屬較硬巖，巖體基本質量等級為Ⅲ類，層頂埋深5.00～12.50m。

蓄水堰壩基礎土質為典型二元地層結構(卵石+基巖)，上部為強透水卵石層，下部為極微透水基巖。河道內堰壩蓄水時滲流為壩基滲流和壩肩繞滲之和，相對于素填土為主的壩肩繞滲，位于強透水層的壩基滲流為主要作用。

2 堰基防滲方案

2.1 堰身主體型式

堰壩主體的設計結合蓄水需求和周邊場地條件共同確定，本堰壩位于風景區北門戶，造型以“山疊水”為主旨，設兩級弧形跌水坎，設計堰身及底板采用C30鋼筋砼，堰高1.8m，堰寬54.0m，平面呈山巒造型。如圖2所示。

圖2 蓄水堰壩身設計方案

2.2 堰基防滲比選

河道攔河建筑物滲流計算主要控制比降、滲流量兩項指標。其中滲流比降控制以延長滲徑、提高抗滲流變形能力措施為主，如鋪蓋、反濾層等措施；而滲流量控制以封閉滲流路徑為主，如垂直截滲墻、截滲槽等措施。本次蓄水堰防滲分析主要控制滲流量。常用的垂直防滲措施包括：砼/鋼筋砼防滲墻、攪拌/旋噴樁帷幕、黏土截滲槽、土工膜/復合土工膜等[5]。各種型式的特點及適用性比選見表1。

表1 蓄水堰基礎垂直防滲方案比選

蓄水堰基礎土層為砂卵石，距離下臥基巖層約4.0～5.0m，通過比選幾種常見的防滲方式，較為可行的方案為鋼筋砼防滲墻和黏土截滲槽方案，但鋼筋砼防滲墻存在基坑開挖深、降水難、混凝土澆筑操作難度高等問題，而黏土截滲槽存在項目區域防滲黏土土料缺乏、購運成本高、壓實不便等問題，均存在一定缺陷。

2.3 因地制宜優化防滲方案

結合當地實際條件和施工操作難度，本次設計采用就地取材河床卵石拌合混凝土截滲槽方案：結合基槽開挖選取符合要求的河床基礎卵石，以C25砼配合比要求拌制混凝土，并作為防滲體回填至原河床基槽。卵石砼截滲槽底寬0.5m，兩側坡比1∶0.75，進入中風化石灰巖層0.5m，卵石砼防滲體滲透系數k<1.0×10-6cm/s。本方案結合了施工工藝簡潔性的同時，又結合了主材取材的便利性，更適合大部分施工單位進行操作。如圖3所示。

圖3 堰基卵石砼防滲設計方案

2.4 防滲體方案要點

(1)卵石砼配合比

卵石砼防滲體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等規范。結合水工混凝土耐久性要求取設計砼標號為C25，相應卵石砼配合比水泥：砂：碎石：水為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)卵石砼造價

根據一般市場行情及施工預算，普通C25混凝土預算價格為501元/m3，而就地取材卵石砼，節省了原材料中的碎石粗集料，實際發生價格約450元/m3，整體節省約50元/m3，減少投資約10%。

3 防滲效果驗證

3.1 有限元模型

Plaxis有限元軟件廣泛應用于巖土設計計算，適用范圍包括基坑與周邊環境相互影響、盾構隧道施工與周邊既有建筑物相互作用、板樁碼頭應力變形分析、庫水位驟升驟降對壩體穩定性的影響、軟土地基固結排水分析、基坑降水滲流分析及完全流固耦合分析等等。擬基于Plaxis平臺對卵石砼防滲堰基進行滲流模擬計算[6]，從而分析防滲效果。

①計算模型。計算模型為平面應變十五節點二維模型，平面方向為x軸，豎向為y軸；初始應力采用重力加載生成，根據土體積重度生成應力，孔隙水壓采用穩態滲流計算生成。

②結構參數。土體采用摩爾-庫倫本構模型，參數根據地勘確定，詳見表2。

表2 模型土層計算參數

③網格劃分與邊界條件。計算模型取平面尺寸50m，計算深度(已至基巖層)10m，網格劃分中等。模型滲流邊界xmax、xmin、ymax左右上方向開放，ymin底部下方向關閉。

3.2 模型計算結果

分兩種工況計算對比分析：工況A為天然地基時的穩定滲流，工況B為設卵石砼防滲體時的穩定滲流。兩種工況的堰基滲流場計算結果圖如圖4—6所示，見表3。

表3 基礎剖面沿深度滲流量計算結果

圖4 工況A天然地基堰基滲流矢量場圖

圖5 工況B設卵石砼防滲體堰基滲流矢量場圖

圖6 工況A、B堰基剖面滲流量分布圖

根據計算結果分析，對于卵石+基巖二元地層結構，堰壩正常蓄水時的穩態滲流主要發生在覆蓋層卵石層中，層厚約4.0～5.0m。天然地基時滲流在卵石層中隨深度約均勻分布，堰基總滲流量約14.09m3/d/m；當設置卵石砼防滲槽并封閉垂直滲流路徑以后，滲流主要集中在層體交界處，且滲流量大大較少，堰基總滲流量約0.00283m3/d/m。工程采用卵石砼截滲槽方案，可有效較少壩基滲流量約14.09m3/d/m，相應減少的滲流量主要通過壩頂增加溢流，并提升跌水效果。本防滲方案對于山區河道較少的日常來水量可起到攔蓄保障提升作用，有效增加蓄水堰的蓄水效率。

4 結語

依托青陽縣九華河某山區河道蓄水堰項目，通過比選設計基礎防滲型式，并采用Plaxis有限元軟件計算驗證，可以得到以下結論。

(1)就地取材的卵石砼截滲槽設計方案，既具備施工工藝的便捷性，又具備投資造價的經濟性，可作為一種可行的設計方案供以后的山區河道蓄水堰設計參考。

(2)通過設置基礎卵石砼防滲體，可減少本項目卵石河床壩基滲流量約14.09m3/d/m，有效增加蓄水堰的蓄水效率。