引黄济青输水渠改造设计方案数值计算分析

庞 正，隋 昕，谢 忱

(1.山东省调水工程运行维护中心博兴管理站，山东 博兴 256500；2.山东省调水工程运行维护中心胶州管理站，山东 胶州 266300)

1 工程背景

引黄济青输水渠自建成至今已运行20余年，部分输水渠道的内壁在各类外界因素的作用下发生明显的变形破坏，给输水水利工程结构的安全运行带来极大困扰。此外，由于水质含沙量较高，渠道底部淤积严重，最终减小了渠道的过流能力。例如，昌邑市4.057km石方渠段喷射混凝土衬砌已损坏，漏水较严重。

鉴于此，有必要对当前引黄济青的输水渠道水工结构进行详细的安全鉴定，定量计算分析堤防土体的渗流情况，包括浸润线、流网和渗流等势线，如复核结果不满足水利工程安全的相关要求，则针对实际存在的工程安全问题，有关部门及时设计出相应的工程治理措施，从而保证渠道相关水工结构的安全与稳定，最终让引黄济青的输水渠道正常运行，达到延长工程寿命的目的。

2 现状堤防存在的问题

2.1 小清河子槽堤防存在的问题

根据《山东省引黄济青改扩建工程地质报告》，勘探桩号42+450～54+636段子槽两岸分布堤体，堤体填土以壤土为主，根据现场注水试验，其渗透系数为6.86×10-5～1.44×10-2cm/s，具弱～强透水性，说明填筑不均匀，透水性差异较大，堤后多处出现明流，已造成了渗透破坏，须采取适当处理措施，以保证大堤的安全。

据地下水水质分析成果，勘探桩号40+860～46+000段场区地下水的水化学类型主要为SO4·Cl-Na型、SO4·HCO3-Mg·Na型，其矿化度一般2.853～3.387g/L，为微咸水～咸水，全硬度为933.5～1594.0mg/L，pH值为7.57～7.75，属弱碱性极硬水。

勘探桩号46+000～46+900段场区地下水的水化学类型主要为HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型，其矿化度一般为1.136g/L，为微咸水，全硬度为356mg/L，pH值为7.50，属弱碱性极硬水。经判定，该段场区地下水对混凝土无腐蚀性，对混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

勘探桩号46+900～58+000段场区地下水的水化学类型主要为Cl·SO4-Na·Ca·Mg型、Cl-Na型，其矿化度一般为2.454～6.319g/L，为微咸水～强咸水，全硬度为761.0～1680.0mg/L，pH值为7.24～7.72，属弱碱性极硬水。经判定，该段场区地下水对混凝土具硫酸盐型强腐蚀性，对混凝土结构中钢筋具中等腐蚀性，对钢结构具中等腐蚀性。

2.2 小清河子槽堤防现状渗流计算

引黄济青输水工程小清河子槽堤防现状的渗流计算采用加拿大有限元软件GeoStudio的seep/w模块[1-6]，GeoStudio是一款大型的通用岩土有限元计算软件，其功能强大且模块十分丰富。在渗流数值计算之前，根据子槽堤防的地质剖面图选择有代表性的3个断面进行计算分析，计算断面划分为44+810、46+700和48+540三个桩号。渗流计算工况包含工程实际遇到的两种运行工况，即(工况1)渠道内水位为5.05m，外水位为3.1m；(工况2)渠道内水位为4.50m，外水位为2.10m。堤防渗流数值计算模型从上到下的各土层有限元渗透系数以断面44+810为例，详见表1。

表1 小清河子槽堤防断面44+810土层渗透系数表

本次计算了子槽堤防断面为44+810、46+700和48+540三个桩号的地质剖面在不同运行工况下的渗流现状，由于篇幅限制，仅给出断面为44+810的相关计算结果图(如图1—2所示)，相关渗流计算结果见表2。由表2的渗流计算结果可知：该处粉砂及砂壤土允许出逸坡降为0.15，壤土允许出逸坡降为0.22，下游排水沟出逸坡降基本都大于0.4，最小也达到了0.32，远远大于壤土的允许出逸坡降，结合工程实际情况分析，故认为该堤防产生了渗透破坏，渗漏较为严重，最小的单天渗漏量也达到了1.07m3，位于桩号44+810的地质剖面，已严重影响到堤防工程的安全，这与工程实际观测结果基本一致。

表2 小清河子槽堤防现状渗流计算结果表

图1 小清河子槽堤防的典型地质剖面浸润线与等势线图(工况1)

图2 小清河子槽堤防的典型地质剖面浸润线与等势线图(工况2)

3 堤防整改方案合理性分析

3.1 确定整改方案

根据子槽堤防的坝体材料、地质条件，综合考虑工程施工、运行管理、安全等多方面因素[7-10]，结合本工程的实际情况以及省内外已建类似工程的成功经验，可以选择水平防渗和垂直截渗两种防渗方案。

水平防渗方案：该河道为小清河的汛期行洪河道，底宽30m，分洪流量为200m3/s，行洪期流速较大。如果河道内采用复合土工膜防渗，在行洪期间洪水易对土工膜及上面的保护层造成破坏，同时施工难度较大，工程投资较大，约为7280万元。所以经过综合比较，不宜采用水平防渗方案。

垂直防渗方案：在现状河堤中心线处以防渗板墙进行截渗。拟定多头小直径深层水泥土搅拌桩防渗墙、薄混凝土防渗墙、高压喷射灌浆防渗板墙方案进行比选。

(1)水泥土搅拌桩防渗墙

水泥土搅拌桩防渗墙适宜于处理淤泥、淤泥质土、粉土、粉质黏土等软弱地基，是一种利用水泥类浆液与原土通过叶片强制搅拌形成墙体的技术[11-14]。在堤防中心线处施工多头小直径深层水泥土搅拌桩防渗墙，墙厚度为0.3m，最大深度为13.0m，插入淤泥质壤土层内，与淤泥质壤土形成相对防渗体系。

(2)薄混凝土防渗墙

薄混凝土防渗墙技术是利用液压抓斗开槽建造薄防渗墙。该方案即在现状堤顶轴线位置设0.3m厚的砼防渗墙，最大深度为13.0m。

(3)高压喷射灌浆防渗板墙

高压喷射灌浆防渗板墙方案即在现状堤顶轴线位置设高喷板墙防渗墙，钻孔间距为1.5m，深度为13.0m，采用摆喷。

经过上述三个方案在技术、经济、施工等方面的比较与论证，考虑到当地实际情况，设计拟推荐投资适中、工效高、防渗效果好的多头小直径深层水泥土搅拌桩防渗墙。具体的堤防截渗设计方案为：桩号42+450～54+636段共12.186km，子槽两岸大堤采用多头小直径深层水泥土搅拌桩防渗墙防渗，在现状堤顶轴线位置设0.3m厚单排深层搅拌桩，深度根据淤泥质壤土的深度来确定，最大深度为13.0m。

3.2 截渗后堤防渗流稳定计算

针对具体的堤防截渗设计方案，同样采用有限元软件GeoStudio的seep/w模块对该方案的可靠性进行验证。与前文堤防现状的渗流计算相同，分为工况1和工况2，本次截流后的渗流和堤身稳定计算了选取了断面为44+810、46+700和48+540三个桩号的地质剖面，数值分析计算用到的稳定计算参数见表3，主要包括容重、黏聚力和内摩擦角等，渗透系数参数的取值与表1保持一致。

表3 小清河子槽堤防堤身稳定计算参数表

子槽堤防截渗后渗流计算相关结果见表4和图3。由表4的渗流计算结果可知，该处粉砂及砂壤土允许出逸坡降为0.15，壤土允许出逸坡降为0.22，下游排水沟出逸坡降全部都小于0.1，最大也仅有0.08，远远小于对应土层的允许出逸坡降。而单天的堤身水流渗漏量与表2相比也大大减小，比如最大的单天渗漏量也减小到了0.245m3，截流前为4m3，位于桩号46+700的地质剖面(工况2)，仅为截流前渗漏量的1/20左右，说明截流整改后的堤防渗流情况满足工程安全的相关要求。

表4 小清河子槽堤防截渗后渗流计算结果表

图3 小清河子槽堤防44+810断面截渗后堤身浸润线与等势线图

小清河子槽堤防截渗后渗流稳定计算结果见表5。由表5的堤身稳定计算结果可知，选取的三个堤防典型断面44+810、46+700和48+540在两种工况时的上、下游坝坡稳定安全系数均大于2，最小为2.242，位于桩号48+540部位的渠道内水位为4.50m、外水位为2.10m对应工况，同样满足规范对堤防最小抗滑稳定安全系数的规定。说明截流整改后的堤防结构的稳定情况满足工程安全的相关要求，堤防截渗设计方案合理可行。

表5 小清河子槽堤防截渗后稳定计算结果表

4 结论

文章针对引黄济青输水渠部分渠段衬砌砼板坍塌等相关工程问题，以小清河子槽堤防为例，采用GeoStudio软件分析了该堤防当前的渗流情况，发现下游出逸坡降最小值达到0.32，远大于壤土允许值，单天渗漏量在1.07m3以上，渗透破坏严重。鉴于此，提出采用水泥土搅拌桩防渗墙的工程方案进行整治，并对截流后子槽堤防的渗流和稳定情况进行了定量计算，发现治理后的下游出逸坡降均小于0.1，远小于对应壤土层的允许出逸坡降，渗漏量也较截流前大大减少，同时截流后两种工况下的堤防坝坡稳定安全系数均大于2，满足工程安全的相关要求，堤防截渗设计方案合理可行。