哈密市南湖托布塔水庫除險加固設計方案

【摘要】哈密市南湖托布塔水庫始建于1985年10月，工程存在問題和遺留下來的安全隱患較多。水庫處于帶病運行狀態，運行數年來，存在嚴重的壩體、壩基滲漏，對壩體和壩基礎通過三種處理方案比選，采用前壩坡鋪設復合土工膜，壩基采用復合土工膜水平防滲。施工后壩基和壩體的滲漏量減少明顯，原壩體出漏、壩后積水消失，水庫的除險加固效果良好，

【關鍵詞】哈密托布塔水庫；滲漏；方案比選；復合土工膜；水庫防滲

1、工程概況

南湖托布塔水庫始建于1985年10月，1987年8月水庫完工并開始蓄水，水庫原設計總庫容為30萬m3，擔負著下游896畝哈密瓜地的灌溉任務。是典型的“三邊”工程。受當時的人力、物力及歷史背景條件限制，前期工作不足，各項工程設施簡陋而不完善，施工質量無法保證，工程存在問題和遺留下來的安全隱患較多。水庫處于帶病運行狀態，運行數年來，由于存在嚴重的壩體、壩基滲漏，水庫年滲漏量為25.0萬m3。占總庫容的30%，水庫滲漏嚴重。水庫蓄水達不到設計庫容，目前蓄水量僅為20萬m3，下游灌區灌溉用水矛盾突出。由于壩基存在嚴重透水層，壩體、壩基滲漏致使壩后積水嚴重，水庫存在潰壩危險。水庫位于南湖鄉上游，水庫大壩一旦潰壩，將造成下游居民區和耕地等受淹，嚴重威脅著下游人民生命、財產的安全。針對水庫存在的問題，為消除水庫安全隱患，水庫除險加固應盡早實施。

2、水庫壩基和壩體存在的主要問題分析

南湖托布塔原水庫屬于“三邊”工程，設計前期地質勘察工作做的不夠充分，鑒于當時歷史條件及施工機械情況。壩體填筑質量差，碾壓不密實，壩體斷面不規則，水庫壩基未做防滲處理，壩基存在嚴重透水層，壩體、壩基滲漏嚴重，水庫在蓄水運行后即出現壩后滲水現象，致使壩后積水嚴重。壩體上游漿砌石護坡及防滲塑膜多處破損，導致壩體經常出現管涌、流土等現象，雖然經過多次搶修，在一定程度上暫時避免了水庫潰壩、沖決等方面險情。

在除險加固設計中通過地質鉆孔勘察和探坑開挖試驗資料成果，壩址區地質情況為：壩址區沉積第四系風成砂（Q4eol）和第四系上更新統沖積物，地層最大厚度在15米左右，上部為含細粒土砂，地層最大厚度在5米左右，青灰色，稍密，滲透系數k=1.58×10 -3cm/s屬中等透水層。下部為砂礫石的沉積層，中密—密實狀，最大粒徑50mm，常見粒徑5～30mm，最大深度15m左右，天然密度2.01—2.17g/cm3，內摩擦角Φ=31°～34°，滲透系數k=7.2×10 -3cm/s屬中等透水層。壩址區沉積層以下為巨厚的第三系泥巖層，磚紅色。含細粒土砂和砂礫石為中等透水層，因此沿壩基存在嚴重的滲漏。

南湖托布塔水庫的病害主要表現在壩基和壩體的滲漏，解決水庫的病害就必須把壩基、壩體必須形成連續的防滲體，控制壩體、壩基的滲流流量，盡量減少滲漏損失，防止壩體滲透變形破壞，降低水庫潰壩、沖決的危險。

3、水庫壩基和壩體防滲加固方案比選

要解決壩基和壩體的滲漏與穩定，必須降低壩基揚壓力，通常進行水平防滲和垂直防滲兩種形式，在防滲設計中遵循“上堵下排”原則，上游迎水面攔截滲水，下游設置排水、導滲。

根據地質資料，上部地層為數米至數十米沖洪積碎石土和粉土，下部地層為第三系厚層泥巖，根據地質鉆孔成果泥巖埋深為12.5m～15m。根據以上原則，參考近年來水庫除險加固基礎的各種方案設計，并結合水庫壩基基礎的地質條件和壩體存在的實際問題，選擇以下三種方案作以比較：

方案一：壩體劈裂灌漿，壩基采用高噴灌漿。

本方案布置于壩頂軸線處，劈裂灌漿深入壩體基礎，高噴灌漿深入壩體基礎以下深度12.5m～15m。

劈裂灌漿技術不僅能夠形成垂直連續的防滲帷幕，解決壩體的滲透穩定問題，還能夠通過漿壩互壓和濕化變形，調整壩體內部的應力水平，使弱應力得到補充，強應力得到釋放；使漿脈兩側各3～5m范圍內土體得到密實，變形穩定得到保證，擴大防滲帷幕，使防滲體更加可靠。通過劈裂灌漿，可在壩體內形成5～20cm之間的脈狀泥墻，水平向滲透系數可達到1×10-6～1×10-8cm/s。

高噴灌漿是利用鉆機造孔，然后作用高壓水頭漿液，極大的降低壩體內的自由水面，減少壩體滲流量，有利于下游壩坡的穩定。

主要建筑工程投資623.56萬元。

方案二：壩前坡鋪設復合土工膜，壩基采用深層攪拌防滲墻。

上游壩坡采用復合土工膜（250g/m2/PE0.50mm/250g/m2）防滲，復合土工膜上部設置混凝土防浪護坡，壩基采用深層攪拌防滲墻，形成深層攪拌防滲墻，

混凝土防滲墻利用專用造槽機械設備營造槽孔，并在孔內注滿泥漿，以防孔壁坍塌，最后用導管在注滿泥漿的槽孔中澆筑混凝土并置換出泥漿，筑城防滲砼墻體。

本方案深層攪拌防滲墻軸線沿上游壩坡坡腳布設，深度12.5m～15m，防滲墻底部深入壩基底部泥巖0.5m，頂部與壩前坡砼護坡下的土工膜相連，形成整體防滲體。防滲墻有厚度為0.3m，防滲墻滲透系數K<1×10-5cm/s。

壩體復合土工膜與防滲墻形成一個防滲的整體，在施工時可以與其它建筑物同時進行施工，互不干擾。該方案具有結構簡單，施工方便，防滲效果好，工程造價低，施工工期短等顯著優點。

主要建筑工程投資558.90萬元。

方案三：前壩坡鋪設復合土工膜，壩基采用復合土工膜水平防滲。

上游壩坡采用復合土工膜（250g/m2/PE0.50mm/250g/m2）防滲，設置混凝土防浪護坡，庫盤采用復合土工膜（PE0.50mm/250g/m2）防滲，庫盤復合土工膜上覆蓋厚0.5m的墊層，庫盤防滲范圍為壩軸線上游方向土工膜鋪設至高程534.8m。

通過除險加固后壩體的滲流穩定計算，庫盤鋪筑土工膜從壩坡腳向上游鋪設長32m可滿足要求。土工膜施工快捷直觀，但塑膜焊接困難，鋪筑易損壞，機械化程度較低。庫盤有淤泥層平均厚度約為1m左右，庫盤斷面不規則，給庫盤清基和土工膜鋪設增加了難度，大大延長施工工期，影響水庫蓄水和效益的發揮。

主要建筑工程投資520.28萬元。

上述三種方案均能提高壩體的抗滲性能，延長壩基滲流的滲徑，解決壩體、壩基的滲透破壞、變形破壞，達到除險加固的目的。就三種方案各自的特點，方案一對于本工程防滲處理總量較小，需要機械化程度高，需要專業性較強的施工隊伍，施工投入較大，且施工工期較長，不能滿足工期要求，影響水庫的蓄水，經濟型較差。方案二機械化程度高。需要專業性較強的施工隊伍，充分利用原壩土體，使用的普通水泥構成墻體。但易形成水泥夾層和土夾層，鉆頭易被泥土堵塞，影響施工質量和效率；對地層密實均勻度有一定要求，施工質量控制較為困難。方案三施工快捷直觀，但土工膜膜焊接困難，鋪筑容易損壞，機械化程度較低。但施工干擾較少，結構簡單，技術性要求較低，操作廣便，在施工中需要嚴格控制土工膜鋪設及焊接質量，最大程度上減少土工膜損壞。綜合比較方案三投資最為經濟，施工方便，相對于前兩種方案優勢明顯。方案三作為南湖托布塔水庫壩基和壩體防滲處理選定方案。

4、結語

哈密市南湖托布塔水庫2012年施工完成。3年來每年都達到水庫正常蓄水運行，壩基和壩體的滲漏量減少明顯，原壩體出漏、壩后積水消失，水庫的除險加固效果良好，保障了下游人民生命財產安全，保證下游耕地的灌溉，提高當地農民的生活水平，促進各民族的團結穩定。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部. SL274-2001 《碾壓式土石壩設計規范》.北京：中國水利水電出版社，2002.

[2]中華人民共和國水利部. SL231-1998《聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術規范》.北京：中國水利水電出版社，1999.