水庫大壩防滲設(shè)計分析

雷 臻

( 新疆水利電力建設(shè)總公司，烏魯木齊830000)

1 項目概況

某水庫自建成后隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷發(fā)展，同時鑒于引水渠沖斷，泥沙帶入水庫而造成水庫嚴(yán)重淤積，根據(jù)實測庫區(qū)地形圖，水庫目前庫容僅為45．1 萬m3，對應(yīng)正常蓄水位557．90 m，已淤積105 萬m3。同時，由于水庫壩頂超高不滿足規(guī)范要求，無法按正常設(shè)計水位蓄水，使西泉灌區(qū)春灌難以保證，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。水庫大壩壩后滲漏嚴(yán)重，同時由于筑壩施工時未清基，形成滲漏安全隱患，伴隨有滲透破壞，直接威脅壩體安全，分析該大壩的滲流問題，從而采取相應(yīng)防滲設(shè)計很有必要。

2 滲漏問題分析

通過結(jié)合該水庫地質(zhì)報告表明，壩基除夾砂層外，其余土為弱－微透水層，土體工程性質(zhì)較好，存在的問題主要是庫水通過砂層，產(chǎn)生壩下滲流問題。以粉細(xì)砂夾層厚度0． 5 ～0．8 m，屬透鏡狀分布，分布范圍為主壩0 +250 ～2 +100 段，最低處底高程為548．10 m，屬中－強(qiáng)透水層，埋藏較淺且基本呈連續(xù)分布，形成了滲漏通道。同時壩后坡腳有滲水現(xiàn)象，壩后坡0 ～1．0 m 厚土體處于流塑狀態(tài)，已基本喪失了強(qiáng)度。因此，應(yīng)加強(qiáng)壩基的防滲處理，建議該段壩基防滲深度在壩基以下6 ～7 m。

壩基上部為青灰色低液限黏土，局部夾淤泥質(zhì)黏土層;下部為土黃色低液限粉土夾粉細(xì)砂層，粉細(xì)砂夾層厚度0．5 ～0．8 m，呈透鏡狀分布。對壩基土在滲流作用下發(fā)生滲透變形破壞判別如下:

表1 壩基土滲透變形類型判別表

2) 臨界水力比降的確定。流土型通過采取下式確定:Jcr=( Gs－1) (1 －n) ;管涌型采用下式確定:Jcr=2．2( Gs－1)式中:Jcr為土的臨界水力比降; Gs為土的顆粒比重;n 為土的孔隙率;d5、d20為分別為占土重的5%、20%的土粒粒徑，mm。

對于低液限粉土:Gs=2．69，n =36%，Jcr=1．08; 對于低液限黏土:Gs=2．70，n =40%，Jcr=1．02; 對于含細(xì)粒土砂:Gs=2．68，n=33．86%，d5=0．003 mm，、d20=0．025 mm，Jcr=0．29。對流土型取安全系數(shù)2．0，則壩基土產(chǎn)生滲透變形的允許比降: 低液限粉土為J允=0． 54，低液限黏土為J允=0．52;對管涌型取安全系數(shù)1．5，則粉細(xì)砂的允許比降為J允=0．19。

3 大壩防滲設(shè)計

該水庫由土墩子農(nóng)場自行建設(shè)，鑒于水庫建設(shè)施工時對壩體碾壓施工不到位，導(dǎo)致壩體欠密實，使其壩體存在裂縫。通過工程地質(zhì)勘察結(jié)果表明，該水庫壩體土干密度在1．50 ～1．58 g/cm3，水庫壩基: 水庫壩基以下分布有0．5 ～0．8 m 的粉細(xì)砂地層，分布范圍為主壩0 +250 ～2 +100 段，最低處底高程為548．10 m，屬中－強(qiáng)透水層，埋藏較淺且基本呈連續(xù)分布。在放水涵洞附近的1 +680 ～1 +850 段壩體填筑土中填筑有0．4 m 厚粉細(xì)砂。由于以上諸因素的存在，造成壩體滲漏嚴(yán)重。通過結(jié)合工程實踐情況來看，提出兩種防滲治理方案:①對壩體內(nèi)采取垂直防滲方案;②通過與防浪護(hù)坡結(jié)合做上游壩坡防滲處理方案。

1) 方案一壩體內(nèi)垂直防滲方案。由于本水庫壩體質(zhì)量較差，壩體存在裂縫以及壩體內(nèi)存在粉細(xì)砂夾層的透水層等問題，再加上上游無防滲護(hù)坡等，所以方案一選擇了在原壩內(nèi)做垂直防滲墻措施。具體設(shè)計如下:自原壩頂開始向下做垂直防滲墻，深入到壩基砂層以下，與壩基防滲相結(jié)合，截斷壩基透水層。垂直防滲墻位于壩頂中間。根據(jù)規(guī)范，防滲墻頂應(yīng)高出設(shè)計水位0． 5 m，本除險加固確定的設(shè)計水位為559．00 m，因此防滲墻頂高程為559．5 m，較設(shè)計壩頂高程560．5 m 低1．0 m。按平均垂直防滲深度5．0 m，在樁號0 +650 ～2 +100 范圍內(nèi)，長度1 450 m，厚15 cm。其余主壩段2 +100 ～2 +370段只做壩坡防滲。

2) 方案二通過采取與防浪護(hù)坡結(jié)合做上游壩坡防滲處理方案。因大壩上游壩段結(jié)合防凍脹設(shè)計做了混凝土防浪護(hù)坡，對防止壩體的滲漏有一定的作用。但由于壩體施工質(zhì)量較差，填筑不密實，壩內(nèi)存在粉細(xì)砂夾層，壩體滲漏仍未解決，滲漏仍然嚴(yán)重，并對大壩的穩(wěn)定造成威脅。因此，為做好壩體的防滲，本方案結(jié)合壩坡的防浪護(hù)坡，在護(hù)坡混凝土板防凍層下設(shè)塑膜防滲材料。該方案的壩體防滲主要依靠防滲塑膜。防滲塑膜鋪設(shè)總長度1 735 m，在現(xiàn)狀主壩段防浪護(hù)坡段布設(shè)。塑膜由混凝土護(hù)坡腳至設(shè)計壩頂560．50 m。

通過設(shè)計對比兩種方案的防滲效果，防滲效果表明，該兩種方案均有效地達(dá)到壩體防滲的效果;但從施工難易程度上看，對水庫在壩體內(nèi)進(jìn)行垂直防滲，該防滲治理方案施工技術(shù)含量較高，施工難度相對較大，而且鑒于本水庫大壩填筑不密實，如果采用壩內(nèi)防滲墻施工，壩體在施工過程中會遭到更多的震動破壞，必然會進(jìn)一步加劇對壩體結(jié)構(gòu)的損害;對于方案二來說，該方案在施工過程中則不會出現(xiàn)此問題，而且其施工相對較易，但是方案一相對方案二來說，其投資較大。兩方案的工程投資比較結(jié)果見表2。在工程施工技術(shù)條件相差無幾的情況下，設(shè)計結(jié)合現(xiàn)狀土壩避免震動破壞的具體情況考慮，選取方案二作為推薦方案。同時為了更好地對水庫壩體做好防滲，本方案結(jié)合壩坡的防浪護(hù)坡，在護(hù)坡混凝土板防凍層下設(shè)塑膜防滲材料。該方案的壩體防滲主要依靠防滲塑膜。防滲塑膜鋪設(shè)總長度1 735 m，在現(xiàn)狀主壩段防浪護(hù)坡段布設(shè)。塑膜由混凝土護(hù)坡腳至設(shè)計壩頂560．50 m。

表2 方案一、方案二壩體防滲工程投資比較表

另外，對壩體防浪護(hù)坡設(shè)計，對主壩段0 +650 ～1 +400，此段壩前淤積層較厚，水庫淤積后水位抬高，原壩體由于填筑質(zhì)量問題，使壩體滲漏嚴(yán)重，壩后存在積水。此段壩體平均加高1．55 m。針對此段問題，在此段設(shè)置混凝土防浪護(hù)坡，既可防止風(fēng)浪對壩坡進(jìn)行淘刷，又可起到防滲作用。護(hù)坡頂與壩頂齊平，防浪護(hù)坡高度3． 1 m，底高程在設(shè)計水位以下1．6 m，高程為557．4 m，在此高程以下的部分，可以利用現(xiàn)有的淤積層形成的土緩坡防止對壩坡的風(fēng)浪淘刷。加高的壩體土填筑時，要求其壓實度≥0．97，內(nèi)外邊坡分別為1∶2．5 和1∶2．0。對主壩段1 +400 ～2 +370，此段壩前淤積層厚較前段偏小，但壩前水深較高，平均1．96 m，水庫淤積后水位抬高，原壩體由于填筑質(zhì)量問題，使壩體滲漏嚴(yán)重，壩后存在積水。針對此段問題，在此段設(shè)置混凝土防浪護(hù)坡，既可防止風(fēng)浪對壩坡進(jìn)行淘刷，又可起到防滲作用。護(hù)坡頂與壩頂齊平，防浪護(hù)坡高度5． 1 m，底高程在死水位以下1．62 m，高程為555．4 m。加高的壩體土填筑時，要求其壓實度≥0．97，內(nèi)外邊坡分別為1∶2．5 和1∶2．0。

4 加固后效果分析

通過對壩基采取滲漏治理后，對其滲漏量采取復(fù)核計算。由于水庫淤積嚴(yán)重，庫盤淤積層平均厚2 m 左右，形成天然的鋪蓋層。如果從壩體開始做垂直防滲，如前所述，易對壩體造成震動破壞。如果與防浪混凝土護(hù)坡相接在壩前坡腳進(jìn)行壩基防滲，需進(jìn)行施工面的清淤，工程投資大，工期長。在現(xiàn)狀水庫淤積層較厚的情況下，也可減少壩基的滲漏量。所以，本次設(shè)計在以恢復(fù)庫容和保證大壩壩體安全的前提下，暫不進(jìn)行壩基的防滲處理。通過對壩后設(shè)排水棱體及排水渠以降低壩體浸潤線，使壩后滲水及時排出壩后，保持壩后坡的干燥，從而保證大壩的安全。

對水庫大壩采取滲漏分析及其防滲設(shè)計對水庫除險加固工程的實施有很大的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益及環(huán)境效益，工程完工后將恢復(fù)水庫設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)，消除了垮壩的潛在危險，保證水庫安全運行，保障了水庫下游人民生命和財產(chǎn)的安全，給下游帶來良好的生活環(huán)境;恢復(fù)已淤積的調(diào)節(jié)庫容，提高水庫的調(diào)蓄能力，減少水庫滲漏，提高水資源的利用率，提高下游灌區(qū)的灌溉保證率，促進(jìn)土墩子農(nóng)場社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高。從國民經(jīng)濟(jì)評價可知，本工程多年平均情況下的經(jīng)濟(jì)效益費用比EBCR=1．12 ＞1．0( is=8%) ，且工程經(jīng)濟(jì)內(nèi)部回收率EIRR=8．56 ＞8%( 社會折現(xiàn)率) ，經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值為18．77 萬元( is =12%) ＞0。各項指標(biāo)表明該工程在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

5 結(jié) 語

通過結(jié)合某水庫壩基存在的滲漏嚴(yán)重等病害問題，對其采取滲漏分析，通過分析結(jié)果采取兩種滲漏治理方案比較，同時對不同的設(shè)計方案進(jìn)行對比分析，選取經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計方案，提出相應(yīng)的水庫加固設(shè)計措施，可為同類工程提供參考借鑒。

［1］封國軍．淺談病險水庫滲漏治理的措施及必要性［J］．城市建設(shè)理論研究，2007，28(10) :118 －119．

［2］張國宗．淺析水庫滲漏治理除險加固措施［J］．科協(xié)論壇，2011，27(01) :31 －33．

［3］葉天是．水庫滲漏加固設(shè)計應(yīng)注意的幾個問題［J］． 人民黃河，2012，32(11) :78 －79．