蓄水池工程施工方法及围堰稳定性分析研究

王 东

(武威市水利水电勘测设计院有限公司，甘肃 武威 733000)

0 引言

在我国，水利工程大多是由国家投资建设的，在基础设施建设领域具有重要地位，其带有一定的公益属性，能够产生非常显著的政治效益和经济效益。随着经济的快速发展，我国建设了大量的水利工程，其中以调蓄工程为代表的水利工程在提高我国人民的生活水平上起到了关键作用。调蓄工程是指以河流水系为脉络、调蓄水池为骨干、受益村庄为节点，建设的河流调蓄水池输水工程，以达到修复水域、恢复生态、统一调配水资源、充分利用地表水、置换保护地下水的目的。在调蓄工程中，蓄水池的设计以及围堰的稳定性问题至关重要，其中蓄水池设计的重点一般为地基承载力核算和防渗技术，目前对于该问题已有了不少研究。侯智勇[1]依托某供水工程项目进行对高架蓄水水池地基承载力问题以及施工组织设计问题进行研究，重点进行了基础承载力的核算和施工中的脚手架工程设计。张世茂[2]对常规的斜坡土方填筑碾压施工方法进行了改进，结合水泥砂土碾压沉降试验确定铺料厚度可减少工程投资，同时解决施工进度较慢的问题。范勋礼[3]基于某半挖半填开敞式蓄水池实际工程为例，研究了在池底和坝坡位置采用封闭复合土工膜技术的防渗效果。魏咏[4]以天祝县金强川三期工程为例，对该工程中的调蓄水池复合土工膜防渗技术进行研究。史尧等[5]依托某码头工程，利用GeoStudio软件，分析高边坡土石围堰的渗流分布规律及边坡稳定性，研究了深井降水对围堰稳定性的影响。江平等[6]为评估围堰堰坡的稳定性、研究不同水位条件下抛填饱和粉质黏土围堰边坡的变形破坏模式，利用有限元软件对围堰开展不同水位条件下的稳定性计算分析。孙永广[7]利用有限元软件建立2种围堰数值模型，进行了渗流稳定、坝坡稳定及应力变形分析。许亮[8]基于广东省某水利工程，利用Midas有限元数值分析软件，对深厚淤泥层地质条件下双排钢板桩围堰施工期稳定性进行了预测。

本文依托甘肃省武威市凉州区调蓄工程，总结了蓄水池的施工流程，介绍了水池工程、复合土工膜以及围堰的施工方法。同时，利用有限元软件分析了不同地基条件下围堰的稳定性问题，以期为其他蓄调工程的设计施工起到一定指导作用。

1 工程概况

武威市凉州区调蓄工程以河流水系为脉络、调蓄水池为骨干、受益村庄为节点，建成河流调蓄水池输水工程，以达到修复水域、恢复生态、统一调配水资源、充分利用地表水、置换保护地下水的目的。工程在西营灌区、金塔灌区、杂木灌区、黄羊灌区计划新建调蓄水池11座，总容积1265万m3、输水工程6项，输水流量1～2m3/s。按建设位置划分为西营、杂木、黄羊3个片区。主体工程施工安排在非主汛期，导流方式采取河床分段导流，施工期需在靠近建筑物侧设置围堰挡水，另一侧束窄河床的导流。

2 蓄水池工程施工方法

蓄水池工程施工主要分为2个部分，分别为水池工程施工和复合土工膜施工，在进行蓄水池施工前，往往需要进行围堰的施工，本节对这3部分都施工工艺及流程进行简介。

2.1 水池工程施工

水池的施工主要包括土方开挖、堤坝土方填筑、细沙保护层及砂砾碎石压重层、水泥土施工四个部分，施工流程如图1所示。

图1 水池工程施工流程

在进行水池工程施工时，应注意以下事项：

(1)在蓄水池的开挖、清基以及基础开挖过程中应采取自上而下，分层分段多工作面进行。

(2)土方明挖应从上到下分层分段依次进行，边坡开挖按设计的坡度进行，且边坡削成平整斜面以利排水。

(3)堤坝填筑以蓄水池池区的挖方砂卵砾石为料源，推土机铺料、振动碾采用进退错距法压实。

(4)细沙保护层及砂砾碎石压重层施工中，垫层料均选择库区开挖料，经筛分处理后采用自卸汽车运至施工处。

(5)水泥土施工过程中应分段依次施工，层间水泥土的接缝位置可削成齿坎状，对接缝处应加强夯实，从而保证水泥土的压实度。

2.2 复合土工膜施工

蓄水池的防渗技术是蓄水池施工的一大重点，该蓄水池工程中的防渗层部分采用复合土工膜技术。复合土工膜防渗层施工顺序为：复合土工膜铺设→对正、搭齐→压膜、定型→缝合底层土工布→擦净拼接面→焊接试验→焊接→检测→修补→复验→上层土工布缝合→验收，复合土工膜防渗层施工流程图如图2所示。

图2 复合土工膜防渗层施工流程图

在进行复合土工膜防渗层时，应注意以下事项：

(1)复合土工膜应保存在通风干燥的环境处，应避免遭受日光照射，同时远离其他热源。

(2)复合土工膜的施工应在环境温度为5～35℃，无雨雪、无沙尘的天气条件下进行。若遇特殊环境需要施工，应采取有效的防护措施。

(3)清除场地范围内的各种尖锐杂物。施工区域应做好防护围挡。施工范围内严禁烟火，加热工器应设置隔热装置。

(4)进入施工作业人员应穿软底鞋或棉袜。禁止穿钉鞋、高跟鞋及硬底鞋在土工膜上踩踏。严禁车辆在复合土工膜上碾压。

(5)复合土工膜铺设过程中必须进行搭接宽度和焊缝质量控制。施工质量控制人员必须全过程监督膜的焊接和检验。

2.3 围堰工程施工

凉州区调蓄工程的主体工程在非主汛期进行施工，导流方式采取河床分段导流，施工期需在靠近建筑物侧设置围堰挡水，另一侧束窄河床的导流。围堰工程的现场施工内容主要包括充填袋挡埝及吹填黑砂、抛填袋装砂及砂垫层、打设塑料排水板、铺设土工软体排以及充填袋施工。

3 不同地基条件下围堰稳定性分析

3.1 数值模型建立

根据地质勘查资料显示，围堰工程的地基以软土层为主，软土层厚度最小处为4m，最大处超过240m。为研究不同地基条件下的围堰稳定性，本节选取了2个典型工点，利用有限元分析软件PLAXIS分别建立均质软土地基和双层地基(上层为软土，下层为硬土)的围堰模型进行数值计算，围堰底部宽度为60m，施工坡度为1∶2，为减小边界效应的影响，地基宽度取8倍围堰的底宽，即480m，地基厚度取4倍围堰底宽，即240m，双层地基中软土厚度为4m。数值模型如图3所示。

图3 不同地基条件下的围堰数值模型示意图

围堰由砂土进行充填，根据室内土工试验得到不同土体材料的力学参数，见表1。

表1 数值模型地基土体力学参数

3.2 失稳判据与安全系数

在有限元计算中，将极限破坏状态对应的填筑高度作为该工况下围堰的极限填土高度。目前利用有限元方法进行岩土工程计算尚未形成统一的失稳判定标准，本节结合数值计算不收敛和特征点位移突变两种失稳标志，综合判断围堰是否达到极限破坏状态。

PLAXIS软件利用强度折减法计算整体安全系数。计算时模型所受荷载保持不变，按照式(1)—(2)的方式对岩土体的强度指标c、φ进行折减与更新，逐步降低岩土体的强度指标，经过反复的试算，求得临界破坏状态下的岩土体抗剪强度指标，临界破坏状态下的抗剪强度指标与岩土体的抗剪强度指标之比，即为安全系数Fs[9]。

(1)

(2)

3.3 计算结果分析

为确定不同地基条件下的围堰的极限填高，在计算过程中对围堰底面中心点位置的沉降值以及坡角位置的水平位移进行监测，同时利用强度折减法计算不同地基条件下所得结果如图4所示。

图4 数值计算结果

如图4所示，在围堰填筑高度一致的情况下，均质软土地基条件下围堰底部中心点的沉降值和坡角水平位移值均大于双层地基条件。在均质软土地基条件下，随着围堰填筑高度逐渐增大，围堰底部中心沉降以及坡角水平位移逐渐增大，安全系数逐渐减小，当围堰填筑高度达到2.5m时，围堰底部中心沉降和坡角水平位移均发生突变，同时数值计算无法收敛，说明2.5m为均质软土地基条件下围堰的极限填土高度。在双层地基条件下，围堰底部中心沉降及坡角水平位移随围堰填筑高度增大而逐渐增大，围堰底部中心沉降未出现数值增大的情况，但当围堰填筑高度达到3.0m时，坡角水平位移值发生突变，且数值计算无法收敛，说明3.0m为双层地基条件下围堰的极限填土高度。均质软土地基条件下围堰底部中心沉降出现突变，而双层地基条件下未出现的原因为：均质软土地基在临界失稳条件下，土体内部出现贯通的潜在滑动面，围堰底部中心位置在潜在滑动面的范围内，而在双层地基情况下，软土层下存在硬土层，且软土层的厚度较小，围堰中心下方的土体不在潜在滑动面内。

综上所述，通过数值计算不收敛以及特征点位移突变，可以得到均质软土地基上围堰的极限填高为2.5m，双层地基上围堰的极限填高为3m。

3.4 软土层厚度对围堰稳定性的影响

土体的形成过程非常复杂，因此在地基中不同类型的土层厚度差异较大，使得地基中土层的情况错综复杂[10]。根据地质勘查资料显示，该围堰工程的地基土以软土层为主，其中软土层厚度最小处为4m，最大处超过240m。当软土层厚度较小时，地基为上软下硬的双层地基，而软土层厚度较大时，可将其视为均质软土地基。不同类型的地基条件对围堰稳定性的影响也存在较大差异，本节为探究软土层厚度对围堰稳定性的影响，设置了软土层厚度为4、8、10、20m四种工况进行计算，得到不同软土层厚度下位移增量矢量图如图5所示。

图5 不同软土层厚度下位移增量矢量图

如图5所示，当软土层厚度为4、8、10m时，围堰的破坏模式为边坡-地基滑动破坏，滑动面从围堰下方软土层中的某一位置向两侧对称延伸至地基表面。当软土层厚度增至20m时，破坏模式变为地基整体剪切破坏。综上可知，软土层厚度对围堰的破坏模式有较大的影响，潜在破坏滑动面的范围随软土层厚度的增大逐渐加深扩宽，滑动面与硬土层表面的接触面积逐渐减小。

4 结论

本文依托甘肃省武威市凉州区调蓄工程，介绍了水池工程、复合土工膜以及围堰的施工方法。同时，利用有限元软件分析了不同地基条件下围堰的稳定性问题，计算结果显示：均质软土地基条件下围堰的沉降值和坡角水平位移均大于双层地基条件，随着围堰填筑高度逐渐增大，围堰底部中心沉降以及坡角水平位移逐渐增大，安全系数逐渐减小。在上软下硬的双层地基中，软土层厚度对围堰的破坏模式有较大的影响。

本文因基于实际工程，仅考虑了均质软土地基和上软下硬的双层地基2种地基条件下的围堰稳定性问题，后续可增加其他工况，进一步探究不同地基条件下的围堰稳定性问题。