幸福溝水庫壩基防滲設(shè)計(jì)研究

宋國濤，王曉旭

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

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幸福溝水庫壩基防滲設(shè)計(jì)研究

宋國濤，王曉旭

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

摘要：文章介紹了幾種目前常用的壩基防滲處理方法及其適用條件。通過工程實(shí)例的壩基防滲處理設(shè)計(jì)計(jì)算對壩基防滲處理效果進(jìn)行了驗(yàn)證，得出了一些實(shí)用性的結(jié)論，壩基滲流控制的措施，應(yīng)根據(jù)壩高、壩型、水庫的用途、壩基地質(zhì)條件及允許的水庫滲漏損失，選擇一種或幾種適合本水庫工程的方案，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較最終確定壩基防滲處理措施。

關(guān)鍵詞：滲流；壩基防滲；鋪蓋；截水槽；防滲墻；帷幕灌漿

1壩基防滲處理方法簡介

1.1砂礫石壩基的滲流控制方法

砂礫石壩基滲流控制的措施，應(yīng)根據(jù)壩高、壩型、水庫的用途及壩基地質(zhì)條件，選擇上游防滲鋪蓋、明挖回填截水槽、混凝土防滲墻、灌漿帷幕中的一種或幾種可能的方案，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，上游水平鋪蓋防滲措施運(yùn)行效果不如垂直防滲措施，工程造價也較高，鋪蓋所用黏土料常涉及征地問題，目前采用較少，更多采用垂直防滲措施來處理覆蓋層滲漏問題。幾種垂直防滲措施的選用原則和設(shè)計(jì)方法參照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)[1]。

1.2巖石壩基的滲流控制方法

當(dāng)巖石壩基有較大透水性、軟弱夾層、風(fēng)化破碎或有化學(xué)溶蝕以致通過地層的滲流量影響水庫效益，影響壩體和壩基的穩(wěn)定或滲透穩(wěn)定時，應(yīng)對壩基進(jìn)行處理。重力壩常采用固結(jié)灌漿加帷幕灌漿的處理方法，土石壩常采用帷幕灌漿的處理方法[2]。

2幸福溝水庫工程概況

2.1工程簡介

幸福溝水庫位于尚志市黑龍宮鄉(xiāng)以西約1.5km，距尚志鎮(zhèn)約24km，地處大亮子河支流幸福溝下游；地理坐標(biāo)為E127°16＇、N44°28＇，控制流域面積為108 km2。該水庫是一座以城鎮(zhèn)供水為主，兼顧灌溉和防洪的中型水利樞紐工程。工程建設(shè)內(nèi)容主要包括攔河壩、溢洪道、輸水洞等[3]。

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252—2000)規(guī)定，幸福溝水庫總庫容為0.31×108m3，<1×108m3，>0.1×108m3，為中型，屬Ⅲ等工程，主要建筑物土石壩、溢洪道、輸水隧洞進(jìn)水口為3級，其相應(yīng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50 a一遇洪水設(shè)計(jì)，1 000 a一遇洪水校核。消能防沖建筑物設(shè)計(jì)采用30 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)[4]。

樞紐工程布置由土石壩、岸邊溢洪道和輸水隧洞組成。主壩體采用碎石混合土，黏土心墻防滲，壩基防滲采用塑性混凝土防滲墻加帷幕灌漿。溢洪道基礎(chǔ)座落于大壩右岸基巖弱風(fēng)化層，采取帷幕灌漿防滲，輸水隧洞布置在大壩左岸山體中。

土石壩壩長536 m，壩頂高程264.45 m，鋼筋混凝土防浪墻頂高程265.65 m，壩頂寬度7.0 m，最大壩高24.55 m，上游邊坡1∶2.5，下游邊坡1∶2.0。壩頂采用瀝青混凝土路面，厚度為8 cm，下設(shè)12 cm砂礫石墊層；壩體防滲采用黏土心墻形式，基礎(chǔ)防滲采用塑性混凝土防滲墻加帷幕灌漿，心墻頂寬3.0 m，靠近上游布置，心墻中心線與壩體中心線相距2.0 m，心墻上、下游邊坡均為1∶0.25，心墻底寬約為最大水頭的1/2，兩側(cè)各設(shè)3.0 m反濾過渡帶，心墻頂高程為262.55 m。

2.2壩基地質(zhì)資料

壩基上部為第四系松散層，巖性為卵石混合土、碎石混合土，最大厚度14 m，卵石混合土滲透系數(shù)K=100 m/d，屬于強(qiáng)透水土體，碎石混合土滲透系數(shù)K=0.8 m/d，屬于中等透水土體。允許水力比降卵石取J允=0.10，級配不良中礫取J允=0.15。

壩基第四系松散層下面巖體為閃長玢巖。左壩肩巖體為中等透水巖體；右壩肩巖體為弱透水巖體，河谷部位壩基巖體上部為中等透水巖體，中等透水以下巖體為弱透水巖體。

3滲流計(jì)算采用軟件介紹

建堤防滲流計(jì)算采用理正巖土工程軟件。《理正滲流分析軟件》主要設(shè)計(jì)原理如下：

1)平衡方程：[K]{H}={F}。

2)單元剛度矩陣：

(1)

3)由節(jié)點(diǎn)水頭求三角形單元內(nèi)任意點(diǎn)水頭：

(2)

式中：N1=(a1+b1x+c1y)2A；N2=(a2+b2x+c2y)2A；N3=(a3+b3x+c3y)2A；A為三角形面積。

4)由節(jié)點(diǎn)水頭求三角形單元內(nèi)任意點(diǎn)流速：

(3)

5)內(nèi)源或蒸發(fā)所引起的力向量：

(4)

式中：Q為單元內(nèi)源或蒸發(fā)造成的流量。

6)邊界流量所引起的力向量：

(5)

7)已知水頭邊界的處理方法：

方法1：類似與結(jié)構(gòu)力學(xué)處理強(qiáng)制位移的“乘大數(shù)”法，采用迭代法搜索浸潤面，每次計(jì)算水頭增量時，對應(yīng)于已知水頭節(jié)點(diǎn)的力增量項(xiàng)均為零。

方法2：將已知節(jié)點(diǎn)的水頭項(xiàng)全部移到方程的右端，采用迭代法搜索浸潤面，每次計(jì)算水頭增量時，對應(yīng)于已知水頭節(jié)點(diǎn)的力增量項(xiàng)均為零。

8)剩余流量法計(jì)算浸潤面：

a)自由面的求法：

找出滿足“正負(fù)兩端節(jié)點(diǎn)水頭—正—負(fù)”的所有邊線，通過線形插值分別求出各自由點(diǎn)，再根據(jù)位置關(guān)系生產(chǎn)一條等值線。

b)Vn的求法：

得到節(jié)點(diǎn)的H后，可求出每個單元的Vx、VY，再由Vn=IxVx+IYVy得到單元自由面上的Vn，在三角形單元的情況下，Vx、VY、Vn均為常數(shù)。

c)關(guān)于力增量的求法：

(6)

4壩基滲流控制設(shè)計(jì)

4.1壩基覆蓋層滲流控制設(shè)計(jì)

幸福溝水庫壩基覆蓋層達(dá)到14m厚，上部卵石混合土屬于強(qiáng)透水土體，下部碎石混合土屬于中等透水土體。在正常蓄水位情況下，壩基覆蓋層年滲漏量為7 300 萬 m3，水庫允許年滲漏量為65 萬 m3，壩基覆蓋層滲漏量遠(yuǎn)高于允許值，需對壩基覆蓋層進(jìn)行防滲處理。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)6.2.13條款，鋪蓋應(yīng)與下游排水設(shè)施聯(lián)合作用，對高中壩、復(fù)雜地層、滲透系數(shù)較大和防滲要求較高的工程應(yīng)慎重選用。所以，鋪蓋防滲不適用于本水庫工程，故而不選鋪蓋防滲進(jìn)行方案比較。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)條文說明6.2.12，國內(nèi)在砂礫石中做灌漿帷幕，1958年以來成功的只有密云、下馬嶺和岳城水庫，近年來基本上沒有用此方法進(jìn)行砂礫石壩基處理。加之本工程覆蓋層不是很厚，所以不選帷幕灌漿做為砂礫石壩基的防滲措施。

設(shè)計(jì)選用黏土截水槽防滲方案、混凝土防滲墻防滲方案兩方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

方案1：黏土截水槽方案，黏土截水槽底寬3m，入巖1m，邊坡為1∶1.5，選用與壩體黏土心墻相同的防滲土料。

方案2：混凝土防滲墻方案，混凝土防滲墻厚度為0.8m，入巖1m，頂部插入黏土心墻3m。

兩方案比較結(jié)果見表1。

表1　壩基覆蓋層防滲方案比較表

通過計(jì)算分析可知，方案1與方案2壩基滲漏量相差不大，均能較好地控制壩基滲流量，但是均滿足不了本工程對壩基滲漏損失的要求，需對壩基基巖進(jìn)行防滲處理。從防滲措施投資方面分析，由于工程區(qū)黏土料不足，需要外購黏土料，使黏土單價較高，造成方案1投資高于方案2。覆蓋層基礎(chǔ)防滲形式選用方案2，即選用混凝土防滲墻方案防滲[5]。

4.2壩基基巖滲流控制設(shè)計(jì)

本工程對水庫滲漏損失要求較高，根據(jù)4.1節(jié)計(jì)算分析，需要對壩基基巖進(jìn)行防滲處理。初步擬定采用0.8m厚塑性混凝土防滲墻深入弱風(fēng)化層上限1m，下設(shè)灌漿帷幕，灌漿孔距1.5m，單排布置。對于3級壩，相對不透水層透水率的標(biāo)準(zhǔn)宜為5～10Lu，而據(jù)地質(zhì)各鉆孔揭露，基巖透水率除左壩肩不能滿足該要求外，其他壩段均可滿足。現(xiàn)擬定4種不同的處理方案，分別計(jì)算各方案在正常蓄水位262.00m工況下的滲流情況及帷幕灌漿投資情況。

方案1：帷幕灌漿深度自塑性混凝土防滲墻底算起為5m。

方案2：帷幕灌漿深度自塑性混凝土防滲墻底算起為10m。

方案3：帷幕灌漿深度自塑性混凝土防滲墻底算起為15m。

方案4：帷幕灌漿深度自塑性混凝土防滲墻底算起為20m。

計(jì)算成果見表2。

表2　不同帷幕深度計(jì)算成果表

根據(jù)上表可知，隨帷幕深度增加，滲流量呈減小趨勢，方案3與方案4的滲流量相差不大，原因在于方案3帷幕15m深時，帷幕已基本進(jìn)入微風(fēng)化范圍，帷幕下基巖透水率已相對較小；方案3帷幕15m深時壩基年滲漏量小于允許值，本次設(shè)計(jì)帷幕灌漿深度選為15m。

綜上分析，幸福溝水庫壩基防滲型式選為塑性混凝土防滲墻加帷幕灌漿組合式防滲，塑性混凝土防滲墻厚0.8m，伸入壩體黏土心墻3m，伸入壩基巖體弱風(fēng)化層上限1m，下設(shè)灌漿帷幕，灌漿帷幕深15m，灌漿孔距1.5m，單排布置。

5結(jié)論

大壩基礎(chǔ)防滲分為上游水平鋪蓋防滲和壩基垂直防滲，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，上游水平鋪蓋防滲措施運(yùn)行效果不如垂直防滲措施，工程造價也較高，鋪蓋所用黏土料常涉及征地問題；垂直防滲措施能可靠而有效地截?cái)鄩位鶟B透水流，在技術(shù)條件可能而又經(jīng)濟(jì)合理時應(yīng)優(yōu)先采用垂直防滲措施。對滲漏量損失要求較高的水庫、壩基砂礫石層滲透穩(wěn)定性差，采用鋪蓋及排水減壓措施不能保證壩基的滲透穩(wěn)定時、砂礫石壩基深厚，水平層次非常顯著，具有強(qiáng)滲漏帶時，對中、高壩應(yīng)采用垂直防滲措施。壩基滲流控制的措施，應(yīng)根據(jù)壩高、壩型、水庫的用途、壩基地質(zhì)條件及允許的水庫滲漏損失，選擇一種或幾種適合本水庫工程的方案，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較最終確定壩基防滲處理措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國水利部.SL 274—2001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2001.

[2]盧延浩.土力學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，2005：21-24.

[3]祁慶和.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2005：8-10.

[4]中華人民共和國水利部.SL 252—2000水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國水利水電出版社，2000.

[5]宋國濤.基于理正軟件的病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)研究[J].東北水利水電，2013(03)：66-68.

中圖分類號：TV223.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

[作者簡介]宋國濤(1983-)，男，黑龍江拜泉人，工程師；王曉旭(1987-)，女，黑龍江佳木斯人，助理工程師。

[收稿日期]2015-11-28

文章編號：1007-7596(2016)01-0034-03