水庫土質(zhì)壩體防滲墻計算

□董永霞　□劉琳琳（商丘市水利建筑勘測設(shè)計院）

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水庫土質(zhì)壩體防滲墻計算

□董永霞□劉琳琳（商丘市水利建筑勘測設(shè)計院）

壩體防滲墻是在松散透水地基或土石壩壩體中連續(xù)造孔成槽，通過壓力設(shè)備，澆筑塑性材料建成的、起到防滲作用的地下連續(xù)墻，是保證地基穩(wěn)定和大壩安全的工程措施。文章在防滲墻計算的基礎(chǔ)上，對土質(zhì)壩體常見的3種防滲墻類型進(jìn)行方案比選，敘述其優(yōu)缺點及相關(guān)參數(shù)點，最終確定水庫防滲墻類型。

水庫防滲墻；材料選擇；方案論證

1　工程概述

該水庫位于豫東平原黃河故道上，是一座以城市供水為主，兼有防洪、灌溉和養(yǎng)殖等多種功能的中型水庫。水庫控制流域面積353 km2，于1958年建成蓄水，1961年停止運用，1974年恢復(fù)運用。2013年進(jìn)行除險加固，需對副壩壩體進(jìn)行防滲處理。

該水庫由主壩、副壩、溢洪道、灌溉閘組成。主壩南北向，最大壩高6.80 m，壩長1050 m，壩頂寬度20 m，副壩為東西向，位于水庫右岸，壩長2050 m，壩頂寬15 m。現(xiàn)狀主副壩壩坡均為土質(zhì)表面，沒有防護(hù)。該水庫死水位60.40 m，死庫容為40萬m3，興利水位及汛限水位均為64.80 m，相應(yīng)庫容3400萬m3。

2　主要設(shè)計參數(shù)

程等別及建筑物級別：根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，該水庫工程等級為Ⅲ等，相應(yīng)主要建筑物級別為3級。防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期，設(shè)計為50 a，校核為200 a。主要設(shè)計參數(shù)：設(shè)計最高洪水位65.31 m，相應(yīng)庫容4130萬m3；校核最高洪水位65.69 m，總庫容5136萬m3；副壩上游設(shè)計坡比為1：3～1：3.50，下游壩坡坡比為1：2.50～1：3；地震動峰值加速度0.05 g。

3　壩體存在主要問題

該水庫副壩為原黃河故道大堤，為均質(zhì)土壩，無防滲體，下游無反濾設(shè)施。由于該大堤是由前人逐漸加高而成，其填土成份及密實度變化均較大。壩體填土主要為砂壤土，重粉質(zhì)壤土，局部為粉質(zhì)粘土及粘土，壩體已達(dá)到中等～密實狀態(tài)。壩基土主要為重粉質(zhì)壤土、土質(zhì)均勻，中密狀。壩體滲透系數(shù)范圍值為3.20×10-5～2.60×10-4cm/s，平均值4.56×10-5cm/s，屬弱～中等透水性，抗?jié)B性能稍差，不存在滲透穩(wěn)定問題。壩基滲透系數(shù)范圍值5.89×10-8～8.44×10-5cm/s，平均值1.53×10-5cm/s，屬微～弱透水性，迎水坡硬化護(hù)坡有損壞，背水坡下游無反濾排水設(shè)施，無防護(hù)措施，壩坡沖刷損壞嚴(yán)重。

4　工程地質(zhì)條件

水庫副壩區(qū)勘探深度范圍內(nèi)，鉆孔揭示地層共劃分為兩個工程地質(zhì)單元，自上而下分別描述如下：第一層，重粉質(zhì)壤土（Q4al）：為副壩壩基持力層，厚度2.70～6.80 m，。棕黃～灰黃色，軟塑～可塑狀，層狀構(gòu)造，層理清晰，無搖振反應(yīng)，干強度中等，韌性中等，夾薄層狀砂壤土。干密度平均值1.41 g/cm3，天然含水量平均值29.50%，壓縮模量6.30 Mpa，壓縮系數(shù)0.31MPa-1，中壓縮性，滲透系數(shù)范圍值5.89×10-8～8.44×10-5cm/s，平均值1.53×10-5cm/s，弱透水性，粘聚力29.60 Kpa，內(nèi)摩擦角5.10°。第二層，砂壤土（Q4al）：為副壩壩基受力層。棕黃～灰黃色，濕，中密狀，斜交層理發(fā)育，搖震反應(yīng)中等，干強度低，韌性差，局部夾重粉質(zhì)壤土。干密度平均值1.50 g/cm3，天然含水量平均值27.30%，壓縮模量14.90 Mpa，壓縮系數(shù)0.12 MPa-1，具中壓縮性，滲透系數(shù)范圍值3.25×10-5～5.35×10-4cm/s，平均值2.27×10-4cm/s，中等透水性，粘聚力5.90 kpa，內(nèi)摩擦角18.30°，地基承載力允許值為130 kPa。該層沒有揭穿，最大揭露厚度9.50 m。

5　壩體防滲墻設(shè)計

5.1防滲墻施工特點

①防滲墻工程一般都是隱蔽工程，其工程質(zhì)量在施工過程中和施工完成后，不能用肉眼直接觀察，也難以用儀器做普通和準(zhǔn)確的檢測，其工程缺陷常常要在使用過程中才能發(fā)現(xiàn)。防滲墻工程一旦發(fā)生和發(fā)現(xiàn)質(zhì)量事故，返工處理比較困難，有事甚至無法彌補。②防滲墻施工工期要滿足防洪、防汛的要求，不允許推延工期。防滲墻工程的設(shè)計和施工在很大程度上受水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件的影響。在施工過程中發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)情況可能給工作造成被動。③防滲墻施工，特別是大型防滲墻施工使用的機械較多，施工中要使用大量泥漿。因此機械進(jìn)場、施工用電、用水、排渣等條件，都必須同時具備。④防滲墻施工的現(xiàn)場管理及其重要工程開工以后，必須保持連續(xù)作業(yè)，任何較長時間的中途停頓都會帶來較大的損失。

5.2防滲墻位置及范圍

根據(jù)副壩水文地質(zhì)縱剖面圖，整個副壩壩體、壩基均處于中透水層，因此防滲墻的長度應(yīng)為副壩長度，其位置設(shè)在上游壩肩，平行壩軸線布置。

5.3防滲墻的深度

根據(jù)鉆探資料，壩體填土主要為砂壤土、重粉質(zhì)壤土，局部為粉質(zhì)粘土及粘土，屬弱～中等透水性。壩基第一層地質(zhì)單元為重粉質(zhì)壤土夾薄層砂壤土，屬微～弱透水層。防滲墻的深度穿透壩體進(jìn)入第一層土體，平均深度約7.10 m，根據(jù)規(guī)范要求，防滲墻底部深入相對不透水層≥1 m，因此確定防滲墻平均深度為8.10 m。

5.4防滲墻的厚度

由于國內(nèi)防滲墻設(shè)計無規(guī)范，防滲墻的滲透計算和滲透穩(wěn)定分析以及強度、變形計算尚無規(guī)范的計算方法和理論。在設(shè)計時，根據(jù)防滲墻破壞時的水力坡降確定墻體厚度d，計算公式如下：

式中：ΔHmax—作用在防滲墻上的最大水頭差，m；ΔHmax= 65.69-60.40=5.29 m；K—抗?jié)B坡降安全系數(shù)，取5；Jmax—防滲墻滲透破壞坡降，塑性混凝土防滲墻取Jmax=80，多頭小直徑水泥土深層攪拌樁取Jmax=200。

經(jīng)計算，塑性混凝土防滲墻d=0.33 m，取防滲墻厚度d= 0.40 m；多頭小直徑水泥土深層攪拌樁d=0.13 m，考慮到施工要求，取防滲墻厚度最薄處d=0.22 m；聚氨酯防滲墻根據(jù)壩體土質(zhì)、成墻深度，取防滲墻厚度最薄處d=0.02 m。

5.5設(shè)計方案比較

5.5.1方案1：塑性混凝土防滲墻

參考國內(nèi)已建工程經(jīng)驗，塑性混凝土防滲墻設(shè)計指標(biāo)為：塑性混凝土的密度2～2.20 t/m3；無側(cè)限抗壓強度1.50～5 MPa，抗拉強度為抗壓強度的1/7～/12；抗剪強度c=0.20～0.30 MPa，φ≥30°；變形模量100～600 MPa，彈性模量800～1000 MPa；滲透系數(shù)K≤（1～9）×10-8cm/s；破壞滲透比降≥80.00；抗?jié)B標(biāo)號W6～W8；破壞應(yīng)變無側(cè)限時為0.33%～0.70%。塑性混凝土強度增長較為緩慢，后期強度增長較大，強度一般采用90d強度較為合理。

5.5.2方案2：多頭小直徑水泥土深層攪拌樁

深層攪拌樁是利用水泥類漿液與原土通過葉片強制攪拌形成墻體的技術(shù)，適用于粘土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土以及密實度中等以下的砂層，且施工進(jìn)度和質(zhì)量不受地下水位的影響。其主要技術(shù)指標(biāo)：滲透系數(shù)K≤1×10-6cm/s；抗壓強度≥0.50 Mpa；滲透破壞比降≥100；水泥質(zhì)量百分比12%。

5.5.3方案3：聚氨酯防滲墻

聚氨酯防滲墻是一種新型雙組份高聚物防滲材料。它的技術(shù)原理是根據(jù)堤壩防滲設(shè)計要求，在需要防滲加固的堤壩段內(nèi)，利用靜力壓入設(shè)備，將特制成孔鉆具壓入堤壩中，形成連續(xù)的超薄型孔模。按照一定高聚物漿液配比，通過注漿管向孔模內(nèi)注射雙組份高聚物材料。高聚物材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后體積迅速膨脹，填充滿孔模并固化，高聚物材料與孔模周圍土體緊密膠結(jié)在一起，將相鄰孔模交叉搭接或連續(xù)搭接，注漿后形成連續(xù)超薄高聚物防滲帷幕或防滲墻，從而達(dá)到提高堤壩防滲性能的目的。

聚氨酯防滲材料的主要特點有以下幾種。高膨脹：高聚物材料的自由膨脹比可達(dá)20：1，可以填充脫空和裂縫，同時可以進(jìn)一步壓密周圍介質(zhì)；輕質(zhì)：反應(yīng)后形成的固體材料自重輕，其密度不到水泥漿或瀝青材料的10%；早強：高聚物材料能夠迅速固化，可在15 min內(nèi)達(dá)到其最終強度的90%。材料具有良好的彈性，并具有較高的抗拉強度；防水：固化后材料具有良好的防水性能，滲透系數(shù)K≤1×10-9cm/s；耐久：高聚物材料抵抗化學(xué)溶劑和油脂腐蝕的性能非常好，在地基環(huán)境下一般的含鹽、酸或者洗滌劑的水溶液中，高聚物材料的穩(wěn)定性良好，穩(wěn)定耐久，在地下環(huán)境可達(dá)百年以上；安全：對環(huán)境無污染。

5.5.4方案比較

3種方案從投資、適用性、施工要求條件等進(jìn)行比較，詳見表1（造價以當(dāng)?shù)夭牧蟽r格為準(zhǔn)）。

表1　防滲墻設(shè)計方案比選表

6　結(jié)論

多頭小直徑深層攪拌樁適用土層范圍廣，施工工藝簡單、效率高，且不需開槽，參考已建水庫防滲墻的施工經(jīng)驗，對于滲墻深度較小，且為土質(zhì)地基的水庫壩體防滲墻，采用多頭小直徑水泥土防滲墻較為合適。

（責(zé)任編輯：劉長垠韋詩佳）

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1673-8853（2016）06-0097-02

董永霞（1982-）女，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計。

2016-02-26