多元结构地基抬田工程技术参数研究

赵英华，刘波

（莱芜市雪野水库管理处，山东　莱芜　271100）

多元结构地基抬田工程技术参数研究

赵英华，刘波

（莱芜市雪野水库管理处，山东莱芜271100）

以山东莱芜雪野水库增容工程抬田施工设计为例，通过渗流模型实验进行有限元计算模拟，分析淹没区多元地基结构在不同渗流条件下的渗流情况与负压水头势变化规律，确定最有利于农作物生长的土层指标参数，指导后期淹没区抬田工程施工设计。

抬田工程；多元结构地基；渗流；水势变化规律

雪野水库位于莱芜市莱城区以北30 km，水库控制流域面积444 km2，总库容19 977万m3，为保障库区人民生活与经济发展，设计对雪野水库进行增容，而水库增容扩效势必对库区农业造成影响，工程设计对西抬头村、通天河、花峪河等淹没区范围内农田进行抬高，并对相关道路、边坡等进行改造。

1　模型建立与参数设定

1.1物理实验模型建立

多元地基结构通常包含四个部分，由下至上依次为垫高层、防渗层、犁底层以及耕作层，各个土料性质参数存在差异性。以山东省雪野水库库区土料实际测量数据为根据，结合西抬头村抬田工程施工设计方案，建立淹没区地基土物理实验模型。实验模拟工况主要为自由排渗与稳定渗流情况，稳定渗流过程可通过模型顶部加适量水实现，顶部加水厚度控制在2～5 cm，并对耕作层进行适当的松动。

1.2物理实验参数

水库扩容影响区的抬田施工时，首先将抬田影响区40 cm表层土剥离临时堆放，再将取土区其他土料运至抬田区，最后将表层土回填至抬田区表层并整平。因此，根据施工设计方案对不同地层结构土样进行取样测试，测试内容主要包括颗粒级配、最大干密度、最优含水量、不同击实度下土层的饱和渗透性。结合实际施工情况，设定击实度为三种情况，其分别为0.88、0.90和0.92。由于防渗层对整个地基结构渗流起关键作用，按照相关规定，实验所采用防渗层土料颗粒中小于0.1 mm颗粒不低于10%。实验测得各地基结构土料物理参数如表1所示。

表1　土料物理参数测试结果

2　自然排渗条件下地基土层渗流特性

2.1渗流量情况

抬田结构初期渗流量较大，平均渗流量在27 mm/d，但其在较短的时间内（约3 d）就降低至一较低的水平；此后为抬田结构的稳定渗流期间，稳定渗流期间每天渗流量在3.5 mm/d。稳定渗流期间耕作层土料渗流变为饱和状态，且水分逐渐下渗至防渗层中上部，未穿过防渗结构层，这表明防渗层参数设定较为合理。

2.2土壤负压水头势随时间变化情况

利用渗流水势观测设备监测图样水头势随时间变化情况，其结果如图1所示。分析各个位置的水头势变化规律可知，安装在防渗层中上部的#1、#2和#3测点在整个过程中未出现负压的情况，且其水头势数值与0十分接近；安设在垫高层的#5测点负压水头势变化历经增长-降低的过程，水头势增长幅度（4 kPa）与增长用时（50 d）较小，整体变化仍以逐渐降低；防渗层中下部#4测点水头势一直小于#5测点，表明中下部土料渗流状态为非饱和状态，随时间变化，负压水头势逐渐降低，而饱和度在逐渐增加，这亦表明防渗层的防隔水效果比较优异。而在模型渗流稳定之后，降低防渗层厚度，发现其渗流量变化幅度非常有限，工程实践中可适当缩减施工防渗层厚度，以降低施工难度与工程施工成本。

图1　水头势随时间变化曲线

2.3土壤负压水头势随深度变化情况

以5 d作为土壤负压水头势随深度变化的监测周期，得到其变化过程曲线。分析其变化过程可知，抬田地基结构在竖直面上的水头势存在明显的差别，并以防渗层作为分界面，其上犁底层、耕作层土料负压水头势与埋深呈负相关性；而其下部分则随埋深增加，负压水头势逐渐增加，饱和度则逐渐降低。由观测周期内不同深度土层水头势变化速率可知，其在20 d之后曲线变得较为平缓，负压水头势整体保持在一个相对稳定的区间，这可直接反映结构土层的渗流状态为饱和渗透。

综上分析得知，在当前设计抬田工程施工参数条件下，地基土料在自由排流情况下渗流特性可归述为以下几个方面：一是模型初期渗流量较大，初期平均渗透量约在18～35 mm/d，而其经过较短时间（约3 d）就能达到稳定状态，这与工程实际情况较为吻合；二是较为理想的防渗层厚度为30～50 cm，而当防渗层厚度40 cm、渗透系数1×10-6cm/s时，抬田地基结构的稳定渗流量不超过2 mm/d，工程实际中可根据实际情况适当缩减防渗层厚度；三是防渗层两侧渗流水头势有明显的区别，其中上部为饱和渗流，中下部水头随埋深增大逐渐降低。

3　地下水顶托作用下地基结构渗流特性

在模型底部连接加压水管，并保持底部水头的稳定，加压水面线应接近防渗层中部位置，观测抬田结构渗流量与负压水头势情况。分析地下水顶托作用下模型渗流量情况可知，抬田结构渗流仍较为稳定，较自然排流工况虽有些许不同，但整体渗流量变化基本相似。这表明，地下水顶托作用对抬田结构的渗流量影响微乎其微。

而由此阶段抬田结构负压水头势变化情况得到，地下水位较低时，垫高层土料渗流为非饱和状态。随地下水位的增高，防渗层受到渗流产生的顶托作用，负压水头势在2～3 d时间内下降达12 kPa。后期垫高层与防渗层下部结构渗流状态发生变化，由非饱和转变为饱和状态，且防渗层下部承压水头高度为20～30 cm；与此同时，地下水位升高的过程中，防渗层上部与耕作层土料负压变化非常微弱，可视作其受地下水顶托作用十分有限。综合地下水顶托作用下抬田结构渗流特性可知，工程设计较为理想的防渗层厚度为30～40 cm，仍可满足水库增容造成的顶托防渗目的。

4　结语

抬田工程施工设计方案成败的关键因素在于防渗层的处理，对于雪野水库淹没区多元结构地基而言，抬田工程防渗层颗粒级配中粒径小于0.1 mm颗粒不应小于10%，稳定渗透系数需在5×10-6cm/s以内。结合抬田地基渗流特性分析得出，防渗层防渗效果良好，满足水库扩容造成排渗要求，但可适当缩减防渗层厚度（30～40 cm），以保障地表农作物正常生长。

［1］喻跃平.水利工程中抬田施工技术应用［J］.水利技术监督，2014，06：76-78.

［2］万迪文，刘祖斌.峡江水利枢纽抬田工程技术研究方法探析［J］.水利技术监督，2012，03：28-30.

［3］张家发.三维饱和非饱和稳定非稳定渗流场的有限元模拟［J］.长江科学院院报，1997，03：36-39.

（责任编辑赵其芬）

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1009-6159（2016）-06-0052-02

2016-02-13

赵英华（1981—），女，工程师