东平湖围坝渗透稳定性分析

东平湖围坝渗透稳定性分析

1坝身渗流影响东平湖位于山东省凉山市、东平川和泉霞河的交汇处。东平湖是一条重要的节水工程，将黄河洪水切断，确保艾山以下狭窄河的防洪安全。东平湖水库工程由围坝、隔堤(以下通称二级湖堤)、山口隔堤、进出湖闸等组成。东平湖围坝从徐庄闸至东平武家漫全长88.30km。东平湖围坝于1958年秋修建,施工质量差,问题较多,1960年试蓄水后整个围坝背湖均有不同程度的渗水,个别坝段出现严重的渗透变形,之后国家投入了相当的人力、财力对其进行加固,虽经过多次加修仍未全部达到标准,加之多年沉蛰风蚀,坝基下又有多条古河道穿过,土层复杂多变,每遇洪水,险情不断,存在坝身填筑质量差、地基复杂、渗透稳定性差,难以确保分洪安全。故应对东平湖围坝进行除险加固,以解决该坝段存在的严重隐患,提高围坝的蓄滞洪水能力。坝段坝身主要由低液限粘土和低液限粉土组成,部分坝段夹有砂层透镜体;坝基地层结构可分为上部低液限粘土下部砂层的双层地基结构,局部为单层和多层结构,部分坝段砂层在坝背湖侧出露。其主要渗透稳定问题为:一是部分坝段坝身土料为粉土质砂,坝身填筑质量不好,出现裂隙空洞等引起坝身渗漏;二是坝基下部的透水砂层较厚,背湖侧存在诸多的坑塘和沟渠,使上部弱透水覆盖层变薄而发生渗透变形破坏;三是临湖侧河道大量采砂,减弱了入渗的铺盖作用;四是某些坝段坝身下砂层埋深较浅,有的直接坐落在砂层上,在水位较高时湖水通过透水性较强的砂层而产生渗透破坏。2固、防渗处理由于该段围坝既是东平湖围坝的一部分,又在大清河上,坝基存在透水砂层和多条古河道,坝身存在裂隙、空洞和松散体,需要采取措施进行加固处理。针对围坝隐患可以采取的措施有:放淤固堤、后戗加固、防渗处理及其它处理方法,即:(1)临湖侧设置粘土防渗铺盖;(2)背湖侧坝脚设置反滤排渗体;(3)填塘固脚;以上方法可组合使用。本坝段河道由于切穿了强透水砂层,临湖侧设置粘土防渗铺盖的方法不可取;以前的防渗加固措施中,已经应用了背湖侧坝脚设置反滤排渗体的方法,但由于管理和淤堵等原因,基本报废。同时地层结构较为复杂,采用此措施从施工上和管理上有较大的难度;填塘固脚只能作为辅助措施。通过对以上几种防渗加固方案的定性比较,考虑东平湖围坝现存的主要问题及工程实施的难易程度,结合临湖侧的地形和水文条件,推荐采用坝顶截渗墙法的防渗加固方案。3截渗墙墙设计目前,截渗墙加固堤坝有多种材料类型如:混凝土截渗墙、塑性混凝土截渗墙、柔性材料截渗墙、水泥土搅拌桩截渗墙、振冲防渗板墙、高压喷射成墙和垂直铺塑等。3.1无砂混凝土截渗墙墙体施工目前先开槽然后浇注混凝土(或塑性、柔性材料)以形成连续截渗墙的施工工艺很多,如:液压锯槽法、射水法、导管反循环法、薄型液压抓斗法等。其特点为:(1)机械化程度高、工效快,施工技术较成熟。(2)成墙深度大。(3)成墙连续,强度高,防渗效果好。(4)适宜各类砂性土、粘土及湿陷性黄土。(5)混凝土截渗墙单位墙体造价:液压锯槽法一般为150~180元/m2;射水法一般为170~200元/m2;薄壁液压抓斗法一般为220~400元/m2;导管反循环法一般为240元/m2左右。液压锯槽法、薄壁液压抓斗法开槽受地质条件影响较大,遇坝身裂缝、空洞和松散砂层等情况易漏浆、塌孔;射水法开槽除以上问题外,且受深度限制。从近几年黄河堤防混凝土截渗墙加固工程施工情况来看,由于堤身填土质量差,施工时塌孔、漏浆严重,浆液从堤坡渗出,造成堤顶无法施工。导管反循环法成墙深度可达60m,能适应地层的范围广,不仅适用于粘土,在砂类土层及卵石含量较高的土层中深层成槽更具独特的优越性,护壁效果好。根据调研资料,该工法在长江重要堤防隐蔽工程施工中,未发现塌孔和周围堤身开列现象,与其它工法相比优势明显。3.2施工技术特点水泥土搅拌桩截渗墙是运用特制的深层搅拌桩机,把水泥浆喷入土体并搅拌形成水泥土,这种水泥土具有一定的强度和防渗性能,从而形成水泥土截渗墙达到防渗目的。它具有以下特点:(1)形成的水泥土墙体厚度均匀连续,接头少,柔性好、适应地基变形能力强,施工效率高,成墙深度可达22m(目前已经研制成功25m)。(2)施工时不需要开槽,因此可避免因开槽出现的塌孔、漏浆、槽内填土无法夯实等问题。(3)在施工中不破坏堤坝,经过地质雷达探测证实在墙体两侧两米范围内土层密度明显改善,增加了堤坝的强度,该技术施工工艺简单,使用人力少,施工工效高,可缩短工程建设工期。工程造价低,其造价100~120元/m2。该工法目前可以达到22m的深度。(4)适用土层范围广,粘性土、砂土、粉质粘土,含砾直径少于0.05m的砂砾层,淤泥,甚至有土体架空或洞穴。3.3墙的特点及造价振冲防渗板墙是利用大功率高频振动设备将振管和切头振入地层,在挤入和提升切头的同时,使水泥浆液从底部喷出,从而建成连续完整的截渗墙,它具有以下特点:(1)形成的板墙墙体质量好,厚度均匀,墙体连续可靠。(2)工序简单,不需泥浆护壁,几乎不产生废渣,无污染。(3)对地层有一定的挤密作用。(4)成墙深度可达到27m,单位造价为160元/m2左右。(5)从投资方面来看,在相同的设计条件下,振冲防渗板墙单位造价为160元/m2左右,比水泥土搅拌桩截渗墙略高,但均低于各种施工工艺混凝土截渗墙的单位造价。3.4旋喷式驳岸法该法是利用能量高度集中的射流冲切地层,并将随之带入的浆液与土层中颗粒混合凝结,形成防渗体的方法,分为定喷、摆喷和旋喷。该法防渗效果较好,可增强堤坝强度,成墙深度可达40m,适宜砂土、砂砾土、黄土、粘性土、淤泥等土质。但成墙厚度不均匀,工效低,工期长,投资偏高,单位造价为460元/m2左右。3.5桩截渗墙用成墙防渗效果较好,施工速度快,造价低,但易塌槽,回填土质量难以保证,对坝体整体性有影响。通过以上截渗墙方案比较可以看出,水泥土搅拌桩截渗墙的单价最低,目前采用的多头小直径水泥土搅拌工艺已经在长江、黄河、淮河等江河堤防上采用并取得了很好的效果,但受设备及工艺限制,深度不超过22m;导管反循环法成墙虽然单价较高,但使用地层的范围广,护壁效果好,在长江重要堤防隐蔽工程施工中,未发现塌孔和周围堤身开列现象,与其它置换成墙工法相比优势明显;振冲防渗板墙在黄河下游菏泽段堤防防渗处理中得到应用,且单价相对较低,成墙深度可达27m。4东平湖周边加固方案4.1截渗墙深度的确定采用截渗墙加固堤坝有上述多种方式,其适用范围和取得的结果各有不同,针对东平湖围坝坐落于黄河冲积平原与汶河冲积平原内,第四系松散地层发育,层厚达千米。沉积物的成因类型主要有河流冲积层、冲积湖积层及湖积层。地层结构复杂。坝基为河流冲积层、湖积层和冲、湖积层,为双层结构,上部低液限粘土、高液限粘土层,夹有一些的砂层或夹低液限粉土透镜体,下部为层厚大于5m的砂层。考虑到坝身存在隐患,需截渗墙进行处理,根据围坝地质条件及渗流计算,截渗墙底部应坐落在粘土层相对较厚、渗透系数较小(小于或等于10-5cm/s)的低液限粘土层中,墙顶设计高程应高于设计蓄洪水位0.5m,则截渗墙深度在8.9~33.4m之间。在最初的截渗墙加固中,截渗墙选用型式是按照,墙体深度在22m以内的堤段采用深层水泥土搅拌桩截渗墙,墙体深度在22~27m的堤段采用振冲防渗板截渗墙,截渗墙深度超过27m的堤段采用混凝土截渗墙。在施工过程中,截渗墙深度大于22m时采用的振冲防渗板截渗墙和混凝土截渗墙施工较为困难,施工造价高,尤其在有深浅不一的地下障碍物(弃渣、乱石)以及钙质结核层时很难保证施工的正常进行,为此对截渗墙深度超过22m和地下有障碍物的堤段进行优化。(1)将截渗墙深度在22~27m的堤段采用的振冲防渗板桩、深度超过27m的堤段采用的混凝土墙统一修改为深层水泥土深层搅拌与高喷相结合水泥土截渗墙,截渗墙上部22m采用水泥土深层搅拌桩,22m以下采用高压摆喷;(2)截渗墙不利地层以上采用水泥土搅拌桩成墙,不利地层以下采用高压摆喷成墙两种墙上下搭接高度0.5m,搭接范围采用高压摆喷和旋喷相结合。4.2深层地下连续防渗墙的施工在施工深度小于25m的土层中,使用深层搅拌地下连续墙施工装备的BJS-L50型主机施工,利用水泥土的固化机理,形成水泥土搅拌地下连续墙;在施工深度大于25m的土层中,或施工深度小于25m的砂砾石层或不利地层中,采用高喷技术,使用钻机钻孔,然后再使用高喷台车高压喷射水泥浆,凝结后形成高喷地下连续墙;对上述所形成的水泥土搅拌地下连续墙和高喷地下连续墙,采用旋、摆喷水泥浆进行连接,最终形成符合设计指标的深层地下连续防渗墙。(1)深搅:首先主机就位,调平;启动主机,通过主机的传动装置带动主机上的钻杆转动,以一定的推动力把钻头向土层钻进至设计深度;提升搅拌到孔口。在钻进和提升的同时,用浆泵将水泥浆由高压输浆管输进钻杆,经钻头喷入土体,使水泥浆和原土充分拌和完成一个单元墙的施工。纵向移动主机,多次重复上述过程形成一道水泥土防渗墙。(2)高喷:高喷是在水泥土墙凝固7天后进行。高喷是先用钻机在地层中造孔,然后高喷台车将带有喷头的喷射管下至孔内预定位置,使高压泵形成的高速液流、空压机形成的气流从喷嘴中同轴喷射出去,直接冲击、切割、破坏、腐蚀地层,灌注的水泥浆的胶凝颗粒表面的强烈吸附活性与被破坏的地层土石颗粒之间发生完全的强制性掺搅混合,充填挤压,至凝结硬化,从而构成坚固的凝结体,成为结构密实、强度大、有足够防渗性能的防渗墙。(3)搭接处理:在深搅和高喷搭接部位采取摆喷、旋喷结合的方式施工,即摆喷提升至深搅墙墙底高程以上不小于0.5m处,然后再下管至深搅墙墙底,改用旋喷提升至深搅墙墙底高程以上不小于0.5m处。4.3墙体应力分析为了比较不同的墙体厚度、墙体不同弹模情况下的应力应变成果,计算中分别考虑了墙体厚度为0.15m和0.22m两种情况墙体厚度由15cm增至22cm时,墙体的应力减小,分析原因,可认为墙体厚度变大后可使应力更加均匀,从而引起应力的减小。分析认为,采用截渗墙作为防渗体在各种荷载的作用下对东平湖围坝的受力情况没有不利影响,墙体自身的应力条件也比较好;相对而言墙厚为22cm时的应力条件好于墙厚15cm时,及当截渗墙材料为塑性混凝土时的应力条件好于截渗墙材料为刚性混凝土时,混凝土材料采用线性或非线性指标对结果基本没有影响。4.4流量法迭代求解渗流计算采用河海大学工程力学研究所编制的水工结构有限元分析系统(AutoBANKv3.2)。此程序可以用于平面稳定渗流问题的分析,包括有压渗流和有自由面的渗流。有压渗流分析采用有限单元法直接求解渗流控制方程(Laplace方程),有自由面渗流采用有限单元法和节点虚流量法迭代求解。AutoBANK使用四边形八节点等参元求解。目前渗流分析包括的功能有稳定渗流分析输出等势线、渗流量、浸润线、水力坡降、任意点的流场数据、任意断面的流场数据分布图。渗流计算微分方程,对符合达西定律的二向渗流,且土体与液体压缩性可以忽略的条件下,水头函数满足拉普拉斯方程:式中h———水头函数;x、z———坐标;kx、kz———渗透系数。坝基渗流场计算的基本假定:坝基渗流场计算按平面问题考虑;坝基渗流场计算按稳定场问题考虑。计算边界条件:由于地质给定的渗透剖面的范围有限,计算中对上、下游计算边界按给定的地层进行适当延伸,一般取至坝脚100m以外。临湖侧水位取设防水位,背湖侧水位取坝后地面高程。渗透系数根据地质报告经分析后选取各地层的渗透系数,允许出逸比降取为0.4。根据渗流稳定计算结果进行的分析,参照历年出险的情况以及地质地形条件,确定的截渗墙设计方案是合适的,采用截渗墙加固后,渗透稳定满足设计要求。5研究施工技术,优化混凝土深截渗墙段通过东平湖围坝加固工程,面对施工战线长、施