細沖溝水庫大壩滲流分析及評價

鄒 林，湯能見，覃智清

（1.長江工程職業技術學院，武漢 430212；2.咸寧水利勘查設計院，湖北 咸寧 437000）

1 概 況

細沖溝水庫始建于1974年冬季，1976年春竣工，位于通城縣大坪鄉韓嶺村，座落在陸水支流鐵柱港上游的鴉雀山。水庫承雨面積0.4km2，水庫原總庫容25.75萬m3，是一座以灌溉為主，兼有防洪、養殖等綜合效益的小（2）型水庫。該工程等級為Ⅴ等，主要建筑物是黏土心墻壩，級別為5級。細沖溝水庫設計洪水標準為20年一遇，設計洪水位為188.44 m，相應下泄洪流量為5.5m3／s；校核洪水標準200年一遇，校核洪水位為188.8m，相應下泄流量為8.9 m3／s。水庫正常高水位187.7m，死水位172.0m。

細沖溝水庫運行30多年來，出現不少問題。如壩基透水性強，未做防滲處理；大壩填筑質量差，滲透系數較大，不滿足規范要求，壩腳存在滲水現象，無排水設施；設計、校核水位高出心墻頂部，造成壩體滲流狀態不安全等等。本次對細沖溝水庫進行除險加固，需進行大壩滲流計算，為制定加固方案提供依據。

2 大壩滲流計算

2.1 心墻、代料土體透水特征

心墻填筑料物質組成主要為粉質黏土，局部夾有黏土、壤土、碎石、淤泥質壤土和少量植物根莖等，填筑較混亂，無明顯的規律，粉質黏土呈黃褐色、灰褐色，可塑狀，稍濕，黏性較強，可搓成細條。大壩心墻填筑土不均勻，其防滲性相對較差，滲透系數為6.79×10-5cm／s，具有弱透水性。

大壩代料主要為壤土料，呈褐黃色、灰褐色，稍濕，可塑，見有鐵錳質浸染，夾有較多的風化塊石、碎石，其成分主要為附近山體殘積土，可見有原巖結構，但大部分礦物成分已經風化，塊石浸水易崩解。壤土料分布于大壩上下游，是大壩代料的主要組成成分。滲透系數為3.1×10-3cm／s，具有中等透水性，滲透偏大。

表1 大壩體滲透系數表

滲流計算指標根據安全鑒定地質勘察土工試驗物理力學指標，計算參數見表1。

2.2 大壩現狀滲流計算

2.2.1 計算內容及工況選取

滲流計算的內容是根據上、下游水位，求出壩體浸潤線及其出逸點位置、壩體和壩基滲流量以及壩體內部滲透坡降，為大壩壩坡穩定復核和水庫除險加固工程設計提供可靠的依據。本工程土質心墻壩根據滲流計算需要擬定了2個正常工況和1個非常工況，如表2所示。

表2 大壩滲流計算工況表 （單位：m）

2.2.2 計算原理

平面穩定滲流計算的基本原理可歸結為求解滿足具體問題邊界條件的擬調和方程：

式中：H＝y＋p／γ為滲流場的水頭函數；p為壓力；γ為水的容重；kx為土的水平方向滲透系數；ky為土的垂直方向滲透系數。

2.2.3 計算參數及結果

通過有限元軟件對大壩現狀進行滲流計算，結果如下：各種工況下大壩等勢線圖見圖1；各種工況下壩體滲透坡降、滲流量、逸出點高程見表3。

圖1 各種工況下大壩滲流計算等勢線圖

表3 大壩滲流計算成果表

3 滲流計算結果分析與安全評價

結合大壩安全鑒定及本次除險加固補充地質勘察及初步設計滲流計算復核，對細沖溝水庫大壩滲流分析的結果歸納如下：

（1）壩基基巖透水性強，且未做防滲處理，致使壩體單位滲流量大。

（2）心墻防滲性能差，不能起到好的防滲作用，致使壩體浸潤線位置較高。

（3）地勘報告建議心墻J允許取1.13，壩體代料J允許取0.15。計算成果表明心墻滲透坡降和壩殼代料逸出坡降均不滿足要求，且下游逸出點高程較高，容易發生滲透破壞。

（4）設計洪水位和校核洪水位均高出心墻頂部，造成壩體滲流性態極不安全。

4 結論與建議

通過本次對大壩現狀的分析，水庫運行至今由于施工質量和運行管理不善等方面的原因，主要建筑物在滲流方面存在病險情，嚴重威脅水庫的正常安全運行，水庫大壩迫切需要整治加固，以消除水庫建筑物的隱患，使水庫達到規定的防洪標準，恢復正常興利功能。

根據本工程的實際情況，大壩防滲處理的原則是“上堵下排”，上堵的措施有垂直防滲和水平鋪蓋防滲，下排的措施有反濾透水鋪蓋、導滲溝和減壓井等。一般而言，垂直防滲措施能有效地解決滲漏問題，適用于新建壩的防滲處理和已建壩的防滲加固，水平防滲措施能在一定程度上控制大壩的滲透問題，但對改善大壩的滲透穩定效果不明顯，且只適用于新建壩；下排措施雖然施工簡單，但投資較大，只能在一定程度上控制大壩的滲透穩定問題，對減小大壩的滲漏問題不起作用，且易失效，日后維護工作量大，對水庫大壩的防滲除險加固應根據大壩的工程地質條件、歷年險情、水庫的功能等因素，合理分析，使工程措施經濟合理，行之有效。

該壩防滲處理措施主要考慮如下3種比選方案：

方案1：壩體高壓噴射灌漿。高壓噴射灌漿方法是利用射流作用切割摻攪地層，改變原地層的結構和組成，同時灌入水泥漿和復合漿形成凝結體，以達到加固心墻和防滲的目的。

高噴灌漿，單排，灌漿孔距0.8m，根據經驗，允許滲透坡降為60，設計有效成墻厚度1.0m。

方案2：壩體混凝土防滲墻。對壩體心墻采用混凝土防滲墻進行防滲處理，墻體有效成墻厚度為0.3m，防滲墻自壩頂從心墻中心線灌至心墻底深入基巖強風化層1.0m。

方案3：壩體黏土灌漿。黏土灌漿是將鉆孔內的漿液在灌漿壓力作用下，直徑較小顆粒組成的漿液滲透到土體大顆粒的空隙內。其滲透程度隨壓力而增加，由于在滲透過程中能量消耗大，影響范圍小，灌溉壓力對地層的擠壓作用也很有限，如果適當地增大灌漿壓力，當其在孔壁上引起的切向拉應力大于地層的小主應力與土壤的抗拉強度之和時，應會使土體發生劈裂，漿液沿裂縫流動，能量消耗小，浸入范圍大，當灌漿停止時，壓力減小，土體回彈壓縮漿液，促使漿體排水固結，進而提高漿體密度。

3個方案其他技術經濟指標比較如表4。

表4 比選方案工程量及工程投資對照表

上述3種方案中，從工程技術方面來看，心墻加固采用高噴灌漿、混凝土防滲墻和粘土灌漿都是可行的，都是十分成熟的防滲處理技術，廣泛用于堤防和水庫大壩的加固工程中。

從投資來看，黏土灌漿投資最省，高噴灌漿最多，其次是混凝土防滲墻。

從施工難度看，混凝土防滲墻施工較簡單，也易于保證工程質量，彈性模量低，適應變形能力強，從根本上控制壩身滲漏及白蟻隱患，且在其它工程上已積累了相當豐富的經驗。本著投資合理，措施安全，技術可行的原則，綜合比選，推薦混凝土防滲墻方案為大壩防滲除險加固處理措施。