羽山水庫大壩防滲加固設計淺析

□郭曉萌 □孫玉賢 □梁祥金 □陳秋紅

（河南省水利勘測設計研究有限公司）

0 前言

羽山水庫位于連云港市東海縣橫溝、溫泉兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)交界處的羽山南麓。水庫1979年4月建成蓄水，集水面積7.00 km2，干流長度3.20 km、干流比降2.07‰，水庫防洪標準為50 a一遇設計，1000 a一遇校核，相應的設計水位為49.28m（廢黃河零點，下同），校核水位為49.68m，總庫容1225萬m3。羽山水庫是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、城鎮(zhèn)供水、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。該水庫樞紐工程主要建筑物有：均質(zhì)土壩、灌溉涵洞、泄洪涵洞和進庫涵洞各一座。

羽山水庫大壩全長2870m，壩頂高程52.00m，壩頂寬8m，最大壩高16.50m。受特定歷史環(huán)境和技術(shù)條件限制，壩體土方工程在冬季施工，多為凍土上壩，特別是南壩地處老河槽處，凍土上壩程度較大，自1979年蓄水后沉陷和滲漏現(xiàn)象不斷。經(jīng)現(xiàn)場檢查，大壩壩腳護壩地長期呈沼澤狀，滲水嚴重，說明壩體和壩基存在質(zhì)量隱患，直接威脅大壩的整體安全，急需進行防滲處理。

1 地質(zhì)勘察成果

地質(zhì)勘察成果主要包括以下幾個方面：①羽山水庫地貌屬低山丘陵間的沖洪積平原區(qū)，表層第四系覆蓋層較薄，主要由粉質(zhì)粘土及砂組成，局部含大量石英礫石；下部基巖為下元古界東海群變質(zhì)巖系片麻巖。②壩身填土共分三層，上層為重粉質(zhì)壤土，中層以粉質(zhì)粘土為主，下層為中粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)粘土為主，局部為重粉質(zhì)壤土，壩身土0+000～1+435及2+135～2+735為中等透水性。③壩基第一層土為粉質(zhì)粘土，強度較好，微透水性；第二層土為砂壤土，中等透水性，是大壩不可忽視的透水層；以下土層為風化片麻巖，承載力較好，弱透水性。④壩體與壩基接觸帶上下土性不均，上部多含砂礫，下部多為密實老粘性土層，容易形成貫通的通道，為大壩重要的滲漏通道。壩體與壩基接觸帶屬中等透水性。⑤兩側(cè)壩肩與基巖多為直接接觸，接觸面地勢平緩，上下部物質(zhì)成分相差較大，易產(chǎn)生接觸沖刷，形成貫通的滲漏通道。

2 防滲加固范圍

①根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，壩身土0+000～1+435及2+135～2+735為中等透水性，壩基土0+135、0+839、0+935、2+035～2+335剖面處存在中等－強透水的砂壤土層，應采取防滲加固措施；②大壩施工時為凍土上壩，施工質(zhì)量較差，水庫蓄水后沉陷和滲漏現(xiàn)象不斷；③根據(jù)現(xiàn)場檢查，整個壩體多處滲水，壩址近區(qū)長年呈沼澤狀；④羽山水庫興利水位為49.00m，50 a一遇設計洪水位為49.28m，1000年一遇校核洪水位為49.68m，幾個特征水位差別比較小，水庫長期處于高水位運行狀態(tài)。綜合地質(zhì)資料、安全鑒定、現(xiàn)場勘查以及水庫自身的運行特性，確定做防滲處理的范圍為0+035～2+535。1000 a一遇校核洪水位為49.68m，加上安全超高，防滲墻頂高程取50.50m。

3 加固方案比選

3.1 方案一——高壓噴射灌漿防滲墻方案

高壓噴射灌漿防滲墻即采用鉆機造孔，然后把帶有噴頭的灌漿管下至土層的預定位置，以高壓把漿液或水從噴嘴中噴射出來，形成噴射流沖擊破壞土層，土粒從土體中剝落下來后，一部分細小土粒隨著漿液冒出地面，其余部分與灌入的漿液混合摻攪，在土體中形成凝結(jié)體。其基本原理是利用射流作用切割摻攪地層，改變原地層的結(jié)構(gòu)和組成，同時灌入水泥漿或混合漿液形成凝結(jié)體，借以達到加固地基和防滲的目的。通過高壓噴射灌漿形成防滲墻，完成對壩身、壩基的防滲加固處理，形成一道完整的防滲體，解決壩身與壩基的滲透穩(wěn)定問題，最大深度20.09m。

高壓噴射防滲墻噴射方式有三種：高壓定噴、高壓旋噴、高壓擺噴。高壓定噴形成薄板狀凝結(jié)體，高壓旋噴形成圓柱狀凝結(jié)體，高壓擺噴形成啞鈴狀凝結(jié)體。由于高壓定噴形成的防滲墻厚度較薄，施工較難控制，所以本次不采用此方法防滲。另外，高壓擺噴造墻施工中控制不好容易對壩體穩(wěn)定造成影響。結(jié)合本工程實際情況，采用旋噴防滲墻比較適宜。

方案布置：沿壩軸線方向做高壓噴射灌漿防滲墻，墻頂高程50.50m。優(yōu)點：高壓噴射灌漿是在地基應力不釋放的情況下實施形成的防滲體，屬逐漸過度型，墻體厚度雖然較薄，但兩側(cè)能形成滲透膠結(jié)層，帷幕彈模為10-3MPa，能適應土體的變形，與原地層結(jié)合緊密，防滲效果較好，而且具有施工速度快、固結(jié)體強度大，可靠性高等優(yōu)點。

3.2 方案二——混凝土防滲墻方案

混凝土防滲墻技術(shù)是在松散透水地基中連續(xù)造孔，以泥漿固壁，往孔內(nèi)灌注混凝土而建成的墻形防滲建筑物。它是對閘壩等水工建筑物在松散透水地基中進行垂直防滲處理的主要措施之一。防滲墻按分段建造，一個圓孔或槽孔澆筑混凝土后構(gòu)成一個墻段，許多墻段連成一整道墻。墻體底部嵌入基巖或相對不透水地層中一定深度，即可截斷或減少地基中的滲透水流，對保證地基的滲透穩(wěn)定大壩安全，充分發(fā)揮水庫效益有重要作用。它也可作為土石壩中的防滲心墻，還可用以加固滲漏嚴重的土石壩。混凝土防滲墻的設置，減小了壩下承壓水頭，大大降低了下游壩體浸潤線，增強大壩下游壩坡抗滑穩(wěn)定性。

方案布置：沿壩軸線方向在壩中布置混凝土防滲墻，防滲墻墻頂高程50.50m,形成一道完整的防滲體系，以控制壩體壩基滲流，降低壩體浸潤線，防止壩體產(chǎn)生滲透破壞。優(yōu)點：①適用性廣：幾乎可適應于各種地質(zhì)條件，從松軟的淤泥到密實的沙卵石，甚至漂石和巖層；②適用性強：深可達100m左右；③與其它防滲措施相比，混凝土防滲墻耐久性較好，防滲效率較高，安全、可靠。

4 設計內(nèi)容

4.1 方案一，高噴防滲墻方案

4.1.1 高噴防滲墻厚度

高噴防滲墻厚度按公式T=ΔH/J計算。式中，ΔH—最大上、下游水頭差（m），上游最高洪水位49.68m，相應下游水位35.50m(最低地面高程)；ΔH=49.6835.50=14.18m；J—高噴防滲墻允許水力坡降，按有關資料J為60～70，取60；則T=ΔH/J=14.18/60=0.24m，取0.30m。

4.1.2 高噴灌漿孔距

根據(jù)以往水庫除險加固工程施工時實驗數(shù)據(jù)表明，高壓旋噴灌漿的間距為0.80～1.20m時，高噴防滲墻厚度方可達到0.30m。因此本次高壓旋噴的間距取1.20m。

4.1.3 高噴灌漿孔頂高程

旋噴墻頂取水庫校核洪水位或設計洪水位加0.30～0.60m的超高中大值，通過計算旋噴墻頂高程按校核洪水位取值為50.28m，實際施工取50.50m。

4.1.4 高噴灌漿孔底高程

帷幕的底部深入相對不透水層宜≥5m，據(jù)此確定各樁號高壓噴射灌漿高程為強風化片麻巖向下5m。

4.2 方案二，混凝土防滲墻方案

4.2.1 混凝土防滲墻厚度

混凝土防滲墻厚度按公式T=ΔH/J計算。式中：ΔH—最大上、下游水頭差（m），同前。ΔH=49.68－35.50=14.18m；J—混凝土防滲墻允許水力坡降， 按有關資料J取80.00；T=ΔH/J=14.18/80=0.18m，為施工方便，本次設計取厚度0.30m。

4.2.2 混凝土防滲墻頂高程

墻頂高程取50.50m，高程50.50m至壩頂回填素混凝土C15。

4.2.3 混凝土防滲墻底高程

混凝土防滲墻墻底宜嵌入基巖0.50～1.00m，據(jù)此確定各樁號處混凝土防滲墻底高程為伸入強風化片麻巖0.50m。

5 方案選用

防滲方案主要工程量及投資見表1。

表1 防滲方案主要工程量及投資比較表

基于如下因素，本次設計選方案二為推薦方案，盡管方案一存在“施工程序少、可直接在壩頂施工、施工速度快、施工不受庫水位影響、防滲性能較好等優(yōu)點，但其造價高昂；方案二有“工藝先進、速度快、成墻效果直觀，可靠性高”等優(yōu)點，且與方案一相比，其造價還是節(jié)省很多。

綜合以上分析，最終采用混凝土防滲墻施工方案解決羽山水庫大壩防滲問題，一方面造價省，為高噴防滲墻造價的50%，另一方面在解決水庫大壩防滲問題上技術(shù)是可行的。

6 壩體加固前后滲透穩(wěn)定成果

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，考慮地形、地質(zhì)及壩高等因素，選取大壩樁號0+835、1+335和1+635作為典型斷面，利用滲流有限元分析方法計算加固前后的壩坡滲透坡降以及壩體、壩基滲流量。由計算結(jié)果可知，采用混凝土防滲墻處理后，防滲效果顯著，大壩滲透安全滿足相關要求。