特殊岩土渠坡排水方案计算分析及实施.pdf

第3 4卷第 1 2 期 2 0 1 2年 1 2月 人民黄河 YELLOW RI VER Vo 1 ． 3 4． No ． 1 2 De c ．． 2 Ol 2 【 水利水 电工程 】 特殊岩土渠坡排水方案计算分析及实施 张世 宝 ， 王帅杰 ， 郭建邦 ， 郭艳利 ( 1 ． 华北水利水电学院， 河南 郑州4 5 0 0 1 1 ； 2 ． 中国水利水电第二工程局有限公司， 北京 1 0 0 1 2 0 ) 摘要： 在膨胀岩渠坡采用换填黏性土方案处理的基础上， 对其排水方案进行了计算分析 ， 得 出不同边界条件下的相关 渗流分析结果。依据对成果的分析， 提 出了预测地下水水位或施工期地下水水位低于渠底的渠段、 预测地下水水位或施 工期地 下水水位 高于渠底 3 m以 内和高于渠底 3 1T I 以上 渠段 渠坡 排水 的处理措 施。所采取 的排 水 系统相 对独 立， 根据 地下水水位及膨胀岩渠段所处位置的不同， 采取了不同形式的排水布置， 并对坡顶截流沟进行防渗处理。 关键词： 膨胀岩；渠坡；渗流；排水；南水北调 中线工程 中图分类号 ：T V 2 2 2 ． 2 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 — 1 3 7 9 ． 2 0 1 2 ． 1 2 ． 0 5 2 Dr a i n a g e Pr o g r a m De s i g n a n d I mpl e me nt a t i o n o f t he Sp e c i a l Ge o t e c h ni c a l Cha n ne l S l o pe Z H A N G S h i — b a o ，WA N G S h u a i - j i e ，G U O J i a n — b a n g 。 ， G U O Y a n — l i ( 1 ． N o a h C h i n a U n i v e r s i t y 0 ， ’ W a t e r R e s o u r c e s a m t E l e c t r ic P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ，C h i n a ； 2 ． S in o h y d r o B u r e a u 2 C o ．L t d ， B e ij i n g 1 0 0 1 2 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：On t h e b a s i s o f t a k i n g c o h e s i v e s o i l a s r e p l a c e me n t t o d e a l wi t h e x pa n s i v e r o c k i n c h a n n e l s l o p e，i t a n a l y z e d a n d c a l c u l a t e d i t s d r a i n a g e p r o g r a m a n d o b t a i n e d s e e pa g e a n a l y s i s r e s u l t s u n de r d i f f e r e n t b o u n d a r y c o n d i t i o ns ．B a s e d o n t h e a n aly s i s o f t h e r e s u l t s ，i t p r o p o s e d t h e n l c a s H r e s t o d e a l wi t h t h e d r a i n a g e o f c h a n n e l s lo p e ，i n c l u d i n g p r e d i c t i o n o f g r o u n d wa t e r t a b l e o r t h e c h a n n e l s e c t i o n s i n c o n s t r u c t io n p e ri o d wh e r e t h e g r o u n d w— a t e r l e v e l wa s b e l o w t h e c h a n n e l b o t t o m ，p r e dic t i o n o f g r o u n d wa t e r t a b l e o r t h e gro u n d wa t e r l e v e l i n c o n s t ru c t i o n p e rio d le s s t h a n 3 in a n d mo r e t h a n 3 m h ig h e r a b o v e t h e c h an n e l b o t t o m．Th e d r a i n a g e s y s t e m wh i c h h a d b e e n t r e a t e d wa s r e l a t i v e l y i n d e p e n d e n t ．a c c o r d i n g t o t h e d i f f e r e n t l o c a t i o n o f t h e g r o u n d wa t e r l e v e l a n d t h e c h a n n e l s e c t i o n wi t h e x p a n s i v e r o c k，a r r a n g e d i f f e r e n t d r a i n i n g f o r m ，a n d d e a l wi t h t h e s e e p a g e o f d i t c h f o r i n t e r c e p — t i n g wa t e r o n t h e t o p o f t h e h i l 1 ． Ke y w o r d s ：e x p a n s i v e r o c k ； c h ann e l s l o p e ； s e e p a g e f l o w；d r a i n a g e ；m i d d l e r o u t e o f S o u t h—t o—N o r t h Wa t e r T r a n s f e r P r o j e c t 1 工程概述 汤阴段是南水北调中线一期工程总干渠Ⅳ渠段( 黄河北至 菱河北) 的组成部分， 位于黄菱段的最北部， 汤阴段是黄美段最 后一个设计单元。汤阴段总干渠设计流量为 2 4 5 m ／ s ， 加大流 量为2 8 0 i n ／ s 。渠道渠底纵比降采用 1 ／ 2 3 0 0 0、 1 ／ 2 8 0 0 0两种。 设计水深均为7 ． 0 in， 加大水深为7 ． 3 9 8～ 7 ． 4 2 1 m， 渠道过水断 面为梯形断面， 内边坡为 1 ： 2 ． 0 0—1 ： 3 ． 2 5 ， 外坡为 1 ： 1 ． 5～1 ： 2 ． 5 ， 底宽为 1 0 ． 5—1 8 ． 5 m。明渠段中渠道分为全挖方段、 全填 方段和半挖半填段。渠道最大挖深约为 1 9 ． 0 In， 最大填高约为 1 1 ． 5 m。汤阴段渠段内分布的膨胀岩长约 1 6 ． 3 6 k m， 其中绝大 部分为弱膨胀岩及挖深小于 1 5 m的中等膨胀岩。膨胀岩是一 种具有吸水膨胀 、 失水收缩特殊性质的软岩， 容易造成渠坡失 稳 ， 必须对其进行处理。膨胀岩分布渠段 ， 受膨胀岩裂隙发育 的影响， 普遍具有上层滞水性 ， 均可能导致膨胀岩裂隙水位在 短时间内迅速上升， 从而对膨胀岩渠坡稳定造成不利影响。 膨胀岩的胀缩性及裂隙性使得水成为膨胀岩渠坡失稳破 坏的重要诱发因素之一 ， 因此， 膨胀岩渠坡处理措施中必须考 】 46 虑排水， 尽量减少膨胀岩因含水量变化而导致的胀缩效应⋯。 根据膨胀岩渠坡失稳破坏的特点 ， 对高地下水位和强透水地层 条件下的膨胀岩渠坡， 可以采用换填处理方案， 以保证工程安 全。经多次方案调整， 最终对该渠道膨胀岩采用换填黏性土方 案处理。该方案中， 弱膨胀岩换填垂直厚度为 1 1 33 ， 中等膨胀岩 换填垂直厚度为2 In， 渠道全断面采用同种土料进行换填。换 填黏土本质上是对膨胀岩进行保护， 在渠道边坡顶部采取截排 水措施， 防止因降水入渗而导致膨胀岩含水量增加， 也可阻止 因蒸发而引起膨胀岩含水量减少， 即避免膨胀岩含水量的急剧 变化 。 2 排水方案计算分析 2 ． 1 计算断面 渠道边坡稳定计算时， 根据地表至渠底 以下 5 n l 范围内岩 收稿 日期 ： 2 0 1 2 —0 7 — 1 6 作者简介： 张世宝( 1 9 6 6 一) ， 男， 河北蔚县人， 教授， 主要从事水利工程方面的 研 究工作。 E- ma i l ：z h a n g s h ib a o @ n c wu ． e d u ． c n 人 民 黄 河2 0 1 2年第 1 2期 体的岩性组合特征 、 地下水水位及渠道挖填情况， 并考虑不使 渠坡坡比变化频繁而影响水流的流态和糙率等进行稳定计算 分段。排水方案选取一典型断面进行计算分析， 该断面在进行 稳定计算时， 安全系数均满足要求。该断面处于半挖半填渠 段， 设计内边坡为 1 ： 2 。 2 ． 2 计算原理 不考虑土体和水体的压缩性， 符合达西定律的非均质各向 异性土体， 二维稳定渗流问题的基本方程 。 为 ( ) + 茜 ( ) = 0 ( 1 ) 式中： h为水头函数 ； 、 k 是以x , y轴为主轴方向的渗透系数。 为使式( 1 ) 的解唯一 ， 必须附加一定的定解条件， 定解条件 包括初始条件和边界条件。对于土坝稳定渗流问题 ， 其定解条 件仅有边界条件。第一类边界( 边界 上水头已知) 为 h I F i=_厂 ( ， Y ) ( 2 ) 第二类边界( 即边界 f 2 上流量已知) 为 k f =q ()n 3 a n l 厂 2 式中 ， Y ) 为给定水头函数； q为边界上单位面积的流量 ； 厂 l 为已知水头值的边界； r 2 为给定流量的边界； n为渗流边界的 外法线方向； k 为以 n方向为主轴方向的渗透系数。 若渗流自由面上的水头压力等于大气压力 ， 则该面上任一 点水头 h等于该点的位置高程。对于不透水层面及渗流 自由 面， 没有流量流进或流出， 故 q= 0 。 2 ． 3 计算条件 不同排水条件下渗流计算模型见图 1 ～图6 。计算模型 1 集水暗管位于换填层下部， 地下水水位高于渠底 3 m或6 m； 计 算模型2集水暗管位于换填层上部， 地下水水位高于渠底 3 m 或 6 m； 计算模型3集水暗管位于换填层上部 ， 布置有排水井 ， 地下水水位高于渠底 3 m或 6 m； 计算模型 4集水暗管位于换 填层上部 ， 布置有排水垫层 ， 地下水水位高于渠底 3 m或 6 m； 计算模型5 集水暗管位于换填层上部 ， 布置有排水垫层及 2排 集水暗管 ， 地下水水位高于渠底 6 m； 计算模型6集水暗管位于 换填层上部 ， 布置有排水垫层及 2排集水暗管 ， 并将排水垫层 局部连通 ， 地下水水位高于渠底 6 m。 图 1 计算模型 1 图6计算模型 6 2 ． 4 计算成果分析 不同计算模型计算的浸润线高度对比见表 1 。由表 1 可知， ①集水暗管布置在换填层下部相比在换填层上部可以提前降低 浸润线 ， 且浸润线所包含的面积相对较小， 在坡脚处降低浸润线 的作用明显。但这种排水方式可能在换填结合面产生薄弱带， 不利于渠坡稳定 ， 如何处理降水与边坡稳定是个难点。②高地 下水水位时， 排水井和逆止阀共同作用的降水效果最为理想， 不 仅有效降低了浸润线， 而且浸润线所包含的面积也最小。但设 置排水井对于泥灰岩这种渗透系数不均一的材料， 理论计算与 实际排水效果差别较大， 并且投资较大。③设置排水垫层， 可以 有效沟通换填层前后的水力联系， 及时将换填层后的地下水向 坡面排出， 避免排水不畅及地下水长时间滞留， 但在换填结合面 易形成软弱带。④采用垫层排水， 在高水位时设置 2排纵向集 水暗管， 并且将局部垫层连通的排水效果好， 该方案投资相对较 少， 施工也较方便 ， 但排水效果对逆止阀的依赖性较大。 表 1 不同计算模型渗流计算结果 计算 地下水水位土工膜与沙垫层换填结合面处浸 换填结合面处 模型 高于渠底／ m 处浸润线高度／ m 润线高度／ m 水力坡降 1 47 人 民 黄 河2 0 1 2年第 1 2期 3 拟采用的处理措施 膨胀岩渠坡处理的目的之一是将高地下水水位的水排出， 避免在换填结合面产生软弱结合带， 还要避免因扰动深层膨胀 岩引起强度降低而导致深层滑动， 以及保持表层混凝土衬砌板 的抗滑稳定。膨胀岩的换填排水系统与渠道衬砌排水系统是 两套相对独立的排水体系， 因此 ， 综合以上计算结果及分析， 最 终考虑对弱膨胀岩及挖深小于 1 5 m的中等膨胀岩渠段采取以 下处理措施 。 ( 1 ) 对预测地下水水位或施工期地下水水位低于渠底的渠 段， 采用换填无排水方案。 ( 2 ) 对预测地下水水位或施工期地下水水位高于渠底 3 m 以内的渠段， 在换填层后增加 1 排水措施。即在坡面换填层后 坡脚处设置一道纵向 +1 5 0 m m软式透水暗管集水， 通过横向 + 1 5 o m m P V C波纹管连接逆止阀将水排入渠内。渠底铺设 1 0 C m厚粗沙垫层与纵向6 1 5 o mm软式透水暗管， 软式透水暗管 与竖向6 1 5 0 m m P V C波纹管通过逆止阀连接。逆止阀间隔 8 m布置。为更好排泄和汇集膨胀岩坡面的裂隙水 ， 在坡面距离 坡脚 3 m范围内， 坡面上间隔 1 ． 5 m铺设0 ． 3 m宽三维排水网 垫与纵向集水暗管连通， 开挖时根据裂隙发育情况可以适当调 整铺设部位及范围。l 排水措施横断面布置见图7 。 图 7 1 排水措施横断面( 单位 ： ram) ( 3 ) 对预测地下水水位或施工期地下水水位高于渠底 3 m 以上的渠段 ， 在换填层后增加 2 排水措施。即在坡面换填层后 坡脚处、 距离坡脚高 3 m处分别设置一道纵向+1 5 o m m软式透 水暗管集水 ， 通过横向 + 1 5 o m m P V C波纹管连接逆止阀将水 排入渠内， 在3 m以上坡面间隔8 m设横向+1 5 o m m软式透水 暗管集水， 与逆止阀连通。渠底铺设 1 0 C m厚粗沙垫层和纵向 +1 5 o mm软式透水暗管， 软式透水暗管与竖向 + 1 5 o mm P V C 波纹管通过逆止阀连接， 逆止阀间隔 8 m布置。与 1 排水方案 相同， 坡面距离坡脚 3 m范围内， 在坡面上间隔 1 ． 5 m铺设 0 ． 3 m宽三维排水网垫与纵向集水暗管连通， 开挖时根据裂隙发育 情况可以适当调整铺设部位及范围。2 排水措施横断面布置 见图 8 。 以上3种情况下， 均需要对坡面及截流沟采取防渗措施。 对坡面因雨水冲刷而造成的雨淋沟应进行处理， 清除表面风化 层 ， 处理妥当后进行换填土的施工， 以及保温板 、 复合土工膜、 l 48 混凝土衬砌板的施工， 从而达到防渗的目的。渠坡坡顶截流堤 与纵向截流沟之间地面应做成倾向截流沟一侧的缓坡 ， 以确保 排水畅通， 严禁坡顶积水。地表清基时， 可向截流沟一侧按 1 ％ 坡度修坡。对截流沟的防渗处理： 截流沟护砌采用 C 1 5现浇混 凝土衬砌， 厚 8 c m， 分缝间距为 5 m， 缝宽为 1 c m， 采用聚氯乙 烯胶泥填缝止水； 对地下水水位较高的弱膨胀岩及 中膨胀岩渠 段， 为了加强排水， 在渠道左岸布置辅助强排井， 间距为 5 0 0 m， 处理长度不足5 0 0 m时， 布置在处理段中间位置， 强排井与逆 止阀相重合时可适当调整排水井的位置。此外， 排水措施在施 工时有以下要求： ①为固定铺设在斜坡面上 的三维排水 网垫 ， 用 U形钢筋固定， 每延米不少于2个； ②穿过换填层的排水管 采用+1 5 o m m P V C波纹管 ， 为防止施工过程 中机械碾压对管 子的破坏， 应在完成相应的碾压高度、 人工挖槽铺设后， 再进行 后续铺土碾压施工 ， 采取其他施工方法时 ， 应进行论证， 以保证 P V C波纹管的安全； ③为防止运行期渠道渗水通过逆止阀反渗 入换填结合面， 在伸缩波纹管接头处各缠一道 止水生胶带； ④排水网垫铺设前 ， 对局部凹处用粗沙进行找平处理， 铺沙宽 度以不超过网垫边缘 1 0 c m为宜。 4 结语 图8 2 排水措施横断面( 单位： m m) 膨胀岩渠坡换填处理的关键之一是做好排水工作 ， 要在坡 顶采取截流防渗措施， 并在膨胀岩与换填土之间做好排水布 置， 以满足地表渗水及地下水的排水要求 ， 使渠坡保持稳定。 通过对集水暗管在不同部位、 处于不同地下水水位等条件下换 填土的渗流分析计算， 得 出不同边界条件下相关渗流分析成 果。依据对成果的分析， 提出渠坡排水的处理措施。所采取措 施的排水系统相对独立， 根据地下水水位及膨胀岩渠段所处位 置的不同， 采取了不同形式的排水布置， 并对坡顶截流沟进行 防渗处理。 参考文献： [ 1 ] 李青云， 程展林， 马黔， 等． 膨胀土( 岩) 渠道破坏机理和处理技术研究[ J ] ． 南水北调与水利科技， 2 0 0 9 ， 7 ( 6 ) ： 1 3—1 9 ． [ 2 ] 林继镛． 水工建筑物[ M] ． 5 版． 北京： 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 毛昶熙． 渗流计算分析与控制[ M] ． 2版． 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 3 【 责任编辑吕艳梅】