寧夏吳忠市同心縣丁家二溝水庫除險加固工程壩基防滲墻設(shè)計

摘 要：寧夏吳忠市同心縣丁家二溝水庫是一座以防洪為主、兼顧灌溉的多功能水庫。文章主要闡述了丁家二溝水庫目前存在的主要問題，并有針對性的提出了壩基、壩體防滲墻的設(shè)計對策。

關(guān)鍵詞：壩基；防滲；設(shè)計

丁家二溝水庫是一座以防洪為主、兼顧灌溉的多功能水庫，其于1997年10月建成，位于吳忠市同心縣以東丁塘鎮(zhèn)的八方村，設(shè)計總庫容1036.25萬m3，控制流域面積為184.0km2。水庫由擋水建筑物土壩、泄洪建筑物溢洪道及放水建筑物臥管、涵洞三部分組成。土壩為碾壓式黃土均質(zhì)壩，最大壩高29.55m，壩頂寬8.0m，壩頂長819.0m。泄洪建筑物為開敞式河岸溢洪道，結(jié)合壩址右岸上游岔溝修建，溢洪道軸線基本平行壩軸，溢洪道出口導(dǎo)入右側(cè)相鄰溝道-沙溝，溢洪道為梯形斷面底寬19.3m，邊坡1：0.75，進(jìn)口底高程1458.30m，全斷面未砌護(hù)，無控制建筑物。放水建筑物為涵、臥管，采用臥管放水，涵洞輸水，臥管位于土壩上游壩坡右側(cè)，沿壩坡布設(shè)，臺高0.5m，每臺設(shè)一個孔徑為0.35m的放水孔，輸水涵洞為現(xiàn)澆矩形鋼筋砼方涵，斷面尺寸1.6×1.6m。

1 目前水庫存在的問題

1.1 主壩存在的問題

丁家二溝水庫建于1997年，由于當(dāng)初設(shè)計施工缺陷及多年來自然破壞，壩體存在諸多問題：土壩施工由于缺乏有效的質(zhì)量控制及監(jiān)測手段，施工質(zhì)量較差，壩體內(nèi)存在較大的裂隙和孔洞，壩體沉降變形較明顯，壩頂不平整，壩軸各部位壩頂寬、窄不一，前后壩坡受雨水的沖蝕嚴(yán)重；當(dāng)時施工時，壩基僅開挖了一道結(jié)合槽進(jìn)行防滲處理，對壩基處的砂礫石層未作徹底挖除及其它防滲處理，導(dǎo)致壩基滲漏非常嚴(yán)重；現(xiàn)狀壩高滿足不了規(guī)范規(guī)定的防洪要求。

1.2 建筑物存在的問題

1.2.1 泄洪建筑物。泄洪建筑物溢洪道位于右岸上游，進(jìn)口距大壩壩軸0.8 km，為開敞式河岸溢洪道，梯形斷面土渠，底寬19.3m，邊坡1：0.75，溢洪道全斷面為土渠，沒有任何砌護(hù)防護(hù)措施，受水流沖刷破壞嚴(yán)重，局部出現(xiàn)嚴(yán)重坍塌。陡坡出口沒有抗沖消能設(shè)施。

1.2.2 放水建筑物。臥管結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，現(xiàn)臥管表觀質(zhì)量較好，局部混凝土已剝落，臥管頂放水孔大部分孔塞丟失；涵洞為鋼筋砼方涵，涵洞內(nèi)淤積嚴(yán)重，涵洞過水?dāng)嗝媸芩g破損嚴(yán)重；明渠及陡坡為梯形斷面，局部砌護(hù)砼板及漿砌石破壞脫落。

1.3 基礎(chǔ)設(shè)施存在的問題

丁家二溝水庫的勘測、設(shè)計資料幾乎為空白，從建庫至今沒有購置任何的觀測及監(jiān)測設(shè)備，主壩沒有滲流和沉陷、位移觀測設(shè)施，無法對主壩進(jìn)行監(jiān)測；缺乏必要的工情觀測設(shè)施及水、雨情監(jiān)測設(shè)施對該水庫流域內(nèi)的降水、洪量及泥沙等沒有任何記錄資料，缺乏科學(xué)合理的管理運(yùn)營制度導(dǎo)致庫區(qū)淤積及輸水渠道淤塞嚴(yán)重、水庫經(jīng)濟(jì)效益低下。

2 壩基、壩體防滲墻的設(shè)計對策

根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，在土壩樁號范圍0+080-0+680段，壩體填土以下連續(xù)分布有第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q42apl）角礫，厚度6.7m-13.0m，當(dāng)初填筑土壩時未進(jìn)行防滲處理，是造成壩基滲漏的主要原因；土工試驗資料表明，原壩體碾壓不均勻，填土干容重偏小，土料粘粒含量偏低，壩體滲透系數(shù)2.7E-3～1.3E-4cm/s偏大，均不符合規(guī)范要求，現(xiàn)壩體質(zhì)量差，為保證加高土壩以后壩體的安全運(yùn)行，設(shè)計對現(xiàn)壩體上游坡采用鋪設(shè)土工膜防滲，同時結(jié)合壩基防滲沿現(xiàn)壩軸布設(shè)塑性混凝土防滲墻進(jìn)行加固處理。

2.1 壩基防滲形式

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL-2001）規(guī)定，對砂礫石壩基滲流控制的形式中垂直防滲能可靠有效的截斷滲透水流，在技術(shù)條件可能而又經(jīng)濟(jì)合理時應(yīng)優(yōu)先采用，故本工程采用垂直防滲。垂直防滲主要有三種措施，分別是明挖回填截水槽、混凝土防滲墻和灌漿帷幕，當(dāng)砂礫石層深度在15m以內(nèi)，宜采用明挖回填粘土截水槽，砂礫石層深度在80m以內(nèi)，可采用混凝土防滲墻，砂礫石層很深時，可采用灌漿帷幕。本工程砂礫石厚度加上淤泥厚度總厚度為25.7～32m，宜選用混凝土防滲墻防滲。

2.2 防滲墻范圍

根據(jù)地質(zhì)資料，在土壩樁號范圍0+080-0+680段，壩體填土以下連續(xù)分布有第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q42apl）角礫，厚度6.7m-13.0m，壩軸地質(zhì)鉆孔在ZK07（樁號0+128）～ZK12（樁號0+628）段之間壩基明顯分布有角礫層，在鉆孔ZK06及ZK13處未發(fā)現(xiàn)角礫層，在ZK07～ZK07、ZK12～ZK13間沒有加密鉆探，砂礫層尖滅點難以準(zhǔn)確確定，為確保防滲效果及防滲安全，設(shè)計防滲墻范圍為壩軸樁號0+030（ZK06）至0+730（ZK13）段，長700m。

2.3 防滲墻設(shè)計

防滲墻厚度應(yīng)滿足墻體抗?jié)B性、耐久性、滿足墻體應(yīng)力及變形的要求，同時還應(yīng)考慮到地質(zhì)情況及施工設(shè)備等因素。

2.3.1 防滲墻厚度

根據(jù)防滲墻允許滲透比降確定墻體厚度，參考有關(guān)資料，防滲墻厚度按照下式計算：T=H/J

式中：T-防滲墻厚度（m）；H-防滲墻承受的水頭（m）；J-滲透梯度。

根據(jù)已建成的混凝土防滲墻統(tǒng)計及參照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）規(guī)定，混凝土防滲墻的一般允許滲透比降J=80～100，而塑性混凝土防滲墻允許滲透比降要小一些，從安全考慮，設(shè)計選用允許滲透比降為80。

作用在防滲墻上的最大水頭差主要是考慮截引后防滲墻前后的水位差，由于校核洪水及設(shè)計洪水歷時較短，難于形式穩(wěn)定滲流，故墻前水頭按設(shè)計淤泥面高程考慮為23.3m，計算的墻后水頭為1m，防滲墻承受的水頭為22.3m，將各值帶入上式求得防滲墻厚度為0.40m。

2.3.2 防滲墻布置

為了方便施工并結(jié)合壩體防滲，防滲墻布置于現(xiàn)狀壩頂軸線處，根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，設(shè)計防滲墻范圍為現(xiàn)狀壩軸樁號0+030（ZK07）至0+730（ZK13），防滲墻面積2.41萬m2。

2.3.3 防滲墻材料

塑性混凝土墻實際就是降低了標(biāo)號的粘性混凝土，是由石子、砂子、水、水泥、膨潤土和粘土等組成，只不過水泥用量少，粘土用量多而已。它的抗壓強(qiáng)度2～5Mpa（28d），彈性模量500～1500Mpa。國外上世紀(jì)五六十年代就開始使用塑性混凝土防滲墻，國內(nèi)則進(jìn)入八十年代開始使用，國內(nèi)許多的大中型水利工程防滲墻均使用了塑性混凝土防滲墻，北京十三陵抽水蓄能電站使用了4萬多平米的塑性混凝土，在目前國內(nèi)是最多的。

塑性混凝土具有彈性模量低，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，極限應(yīng)變大，抗?jié)B性好，以及具有良好的和易性和較長的終凝時間，易于水下混凝土澆筑等優(yōu)點。同時具有強(qiáng)度低，變形能力大，便于防滲墻槽孔接頭施工和保證施工質(zhì)量。

鑒于上述特點，本工程設(shè)計采用塑性混凝土防滲墻，使墻體和地基具有相同（近）的變形模量，這樣就能避免或大大降低兩者之間的不均勻沉降，使墻體承受的外荷載大大減小，同時仍具有必要的強(qiáng)度和抗?jié)B性。塑性混凝土防滲墻的設(shè)計指標(biāo)為：28d彈性模量800～1000mpa，抗壓強(qiáng)度≥2.5mpa，滲透系數(shù)<（1～9）×10-8cm/s，配合比為水泥：粘土：水：砂子：石子（5～200mm）：木鈣=160kg：80kg：260kg：848kg：848kg：0.66kg，粘土的塑性指數(shù)大于14%，有機(jī)物含量小于1%。鑒于地下水SO42-含量極高，故材料中水泥采用高抗水泥。

2.3.4 防滲墻施工

槽孔開挖采用沖擊鉆配合液壓抓斗機(jī)成槽施工，按單個槽段長6.6m進(jìn)行槽段劃分，用沖擊鉆鉆孔，液壓抓斗機(jī)配合成槽，成一個槽孔澆筑一個。

作者簡介：陳海全（1976，5-），男，寧夏西吉，寧夏固原市水利勘測設(shè)計院，水利工程師，大學(xué)，研究方向：農(nóng)田水利。