槐樹(shù)嘴水庫(kù)大壩防滲措施及其防滲效果分析

陳宏臻　劉長(zhǎng)武　王建有

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院， 四川成都　610065； 2.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院， 河南 鄭州　450001)

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槐樹(shù)嘴水庫(kù)大壩防滲措施及其防滲效果分析

陳宏臻1劉長(zhǎng)武1王建有2

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院， 四川成都610065； 2.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院， 河南 鄭州450001)

本文結(jié)合槐樹(shù)嘴水庫(kù)存在的滲漏問(wèn)題，提出混凝土防滲墻的除險(xiǎn)加固方案，對(duì)施工的主要工藝、技術(shù)參數(shù)和質(zhì)量控制等進(jìn)行介紹；同時(shí)利用有限元法分析大壩除險(xiǎn)加固措施的防滲效果，并根據(jù)水庫(kù)的當(dāng)前運(yùn)行狀況，證實(shí)該防滲措施效果顯著，混凝土防滲墻技術(shù)在土石壩加固中可靠實(shí)用。

混凝土防滲墻； 除險(xiǎn)加固； 滲流； 土石壩

我國(guó)是世界上水庫(kù)數(shù)量最多的國(guó)家，其中土石壩水庫(kù)約占總數(shù)的93%。這些水庫(kù)為防御洪水災(zāi)害和保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了重要的作用。但由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件限制，水文地質(zhì)資料欠缺，早期的土石壩水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，加之水庫(kù)管理落后以及設(shè)施老化，形成了大量的病險(xiǎn)水庫(kù)，不但工程本身無(wú)法發(fā)揮效益，還影響下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。不完全統(tǒng)計(jì)資料顯示：全國(guó)發(fā)生的水庫(kù)垮壩事故中，土壩占98.3%；在這些垮壩事故中約有31.7%是由于滲流引起的，說(shuō)明由于滲流滲漏造成的潰壩問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)重[2]。在水利水電工程中，防滲措施主要有帷幕灌漿、高壓噴射灌漿和混凝土防滲墻等。其中，混凝土防滲墻造價(jià)低、結(jié)構(gòu)可靠、施工方便、防滲效果好、質(zhì)量容易控制。在中小型土石壩水庫(kù)的除險(xiǎn)加固中，它的優(yōu)點(diǎn)相對(duì)其他防滲措施尤為突出。本文以槐樹(shù)嘴水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程為例，闡述混凝土防滲墻在具體工程中的應(yīng)用，并就其滲流問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期為其他中小型水庫(kù)的除險(xiǎn)加固提供參考。

1　工程概況

槐樹(shù)嘴水庫(kù)位于河南省新密市劉寨鄉(xiāng)，水庫(kù)總庫(kù)容約146.66萬(wàn)m3，是一座以防洪、農(nóng)業(yè)灌溉為主的水庫(kù)。水庫(kù)屬于小(1)型水庫(kù)，工程等別為Ⅳ等，水庫(kù)設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，主要建筑物有主壩、副壩、溢洪道、放水管。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程164.48m，最大壩高18.75m，主壩長(zhǎng)230m，副壩長(zhǎng)150m，壩頂寬6m。溢洪道位于右岸，長(zhǎng)268m，進(jìn)口底寬15m，進(jìn)口高程158.20m。

壩基河床段為低液限黏土，其上部為筑壩填土(素黏土)，壩體土雖經(jīng)過(guò)碾壓，但碾壓不均，在庫(kù)水長(zhǎng)期浸泡下局部變得松散，壩體土具弱～中等透水性，導(dǎo)致庫(kù)水在一定程度上向壩體入滲，在高庫(kù)容水力作用下，低液限黏土與壩體土之間易形成滲漏通道。在現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)，大壩下游坡腳處發(fā)現(xiàn)有兩處集中滲流，說(shuō)明該大壩滲流極其嚴(yán)重。長(zhǎng)此下去可能出現(xiàn)管涌或流土，導(dǎo)致壩體局部下沉，危及大壩安全。

2　防滲加固措施

根據(jù)壩體、壩基巖土和水庫(kù)運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，大壩防滲應(yīng)采用垂直防滲措施?；炷练罎B墻在土石壩除險(xiǎn)加固中具有防滲效果好、造價(jià)低、施工方便、質(zhì)量容易控制等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此確定采用混凝土防滲墻技術(shù)。

設(shè)計(jì)防滲墻厚度為0.5m，頂部高程為大壩頂部高程164.48m，底部深入壩基下2m，最大深度35.6m。防滲墻范圍為0+000～0+195，總長(zhǎng)195m，沿壩軸線布置。

在施工之前，要做好混凝土澆筑系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)和其他準(zhǔn)備工作，然后布置施工平臺(tái)和導(dǎo)向槽[4]。為了最大限度地提高防滲墻的整體性，同時(shí)結(jié)合槐樹(shù)嘴水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的規(guī)模與壩址地層的特點(diǎn)，劃分Ⅰ、Ⅱ序槽段，開(kāi)挖長(zhǎng)度同為8m，采用SG-40型液壓式抓斗成槽機(jī)。Ⅰ、Ⅱ序孔槽間隔布置，墻間接縫采用接頭管法[5]。

采用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土泥漿，泥漿配合比根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。新制泥漿經(jīng)過(guò)24h膨化后才能使用，通過(guò)供漿泵輸送至槽孔內(nèi)[6]。施工中，回收的泥漿進(jìn)行凈化處理后可重復(fù)使用。泥漿的主要控制指標(biāo)要滿足《水電水利工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》的要求。槽段終孔驗(yàn)收合格后進(jìn)行清孔換漿，清孔采用抓斗抓取淤泥，利用下設(shè)潛水排污泵抽漿，并及時(shí)用新鮮泥漿補(bǔ)充[7]。

防滲墻塑性混凝土配合比試驗(yàn)由有相應(yīng)資質(zhì)的公司進(jìn)行[8]，每立方米混凝土材料用量參考如下：水255kg，強(qiáng)度等級(jí)為C42.5的普通硅酸鹽水泥130kg，膨潤(rùn)土130kg，外加劑2.1kg，砂788kg，碎石926kg。對(duì)混凝土的坍落和擴(kuò)散程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，將坍落度控制在18～24cm，擴(kuò)散度控制在34～40cm。

塑性混凝土通過(guò)混凝土輸送泵，經(jīng)直升式鋼導(dǎo)管在泥漿下澆入槽體。導(dǎo)管布置與壩軸線重合，每個(gè)槽段設(shè)置3組導(dǎo)管，中心間距3m，兩端導(dǎo)管與端面距離1m，開(kāi)澆時(shí)導(dǎo)管口距孔底20cm。開(kāi)澆前儲(chǔ)備足夠多的混凝土，保證一次封孔成功，并保持導(dǎo)管埋入混凝土深度大于1m且小于6m。槽孔澆筑應(yīng)遵循先淺后深的順序，待全槽混凝土面澆平后，再全槽均衡上升，上升速度7m/h，高程控制在0.50m范圍內(nèi)。槽孔內(nèi)混凝土面上升至槽口時(shí)，采用泥漿泵抽出濃漿，并提升導(dǎo)管，直至混凝土頂面超出設(shè)計(jì)墻頂標(biāo)高0.5m時(shí)，停止?jié)仓纬鰧?dǎo)管[9]。為確保防滲體質(zhì)量，在墻頂清理過(guò)程中，采用人工清理，墻頂高程不足處進(jìn)行人工打毛，現(xiàn)澆混凝土補(bǔ)足。混凝土澆筑過(guò)程中，在孔口隨機(jī)取樣檢測(cè)混凝土性能，不合格者不得入槽，并按照混凝土施工規(guī)范采取試壓模塊，以備混凝土檢測(cè)使用[10]。

3　防滲效果分析

水庫(kù)運(yùn)行工況一般分兩種，即正常運(yùn)行情況和非常運(yùn)行情況。這里我們對(duì)非常運(yùn)行情況，即上游為校核洪水位162.38m時(shí)進(jìn)行滲流分析，如果在非常運(yùn)用情況下大壩滲流滿足穩(wěn)定要求，那么在正常工況下肯定也能保證滲流穩(wěn)定。防滲效果主要根據(jù)滲流量和滲透坡降等參數(shù)以及浸潤(rùn)線、溢出點(diǎn)三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)[11]。

大壩滲流計(jì)算斷面采用2007年3月槐樹(shù)嘴水庫(kù)實(shí)測(cè)壩體斷面，樁號(hào)0+100處，如圖1所示。

圖1　大壩計(jì)算斷面 (高程單位：m)

滲透坡降的允許值由《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》提供的公式求得，如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中J破壞——臨界水力比降；

[J]——允許水力比降；

KB——安全系數(shù)，取為2.0；

rs——土顆粒的容重， N/m3；

rw——水的容重，N/m3；

n——土的孔隙率。

經(jīng)計(jì)算，校核洪水位情況下下游壩坡溢出面和壩址附近滲透坡降允許值均為0.5。

利用有限元方法對(duì)大壩建立模型進(jìn)行分析，同時(shí)給出準(zhǔn)流網(wǎng)圖。根據(jù)原設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，選取圖1所示的計(jì)算斷面。壩體上下游坡腳均視為不透水邊界。上游水位取校核洪水位162.38m，水庫(kù)下游按無(wú)水考慮，取下游壩基高程145.73m。計(jì)算參數(shù)參考鄭州市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院提供的工程地質(zhì)報(bào)告中的建議值，如右表所列。

應(yīng)用“理正滲流分析軟件”[12]進(jìn)行計(jì)算，滲流有限元分析的基本方程為：

(3)

式中[K]——透水系數(shù)矩陣；

{H}——總水頭向量；

[M]——單元儲(chǔ)水量矩陣；

{Q}——流量向量；

t——時(shí)間。

各層土、巖體物理力學(xué)指標(biāo)的建議值表

在校核洪水位條件下，分別對(duì)防滲加固前、后的大壩進(jìn)行有限元滲流分析，穩(wěn)定滲流浸潤(rùn)線及勢(shì)能分布分別如圖2和圖3所示。由圖可看出：?防滲加固前壩體浸潤(rùn)線在整個(gè)壩體內(nèi)下降平緩，溢出點(diǎn)高程較高；?除險(xiǎn)加固后壩體浸潤(rùn)線在防滲墻處驟降，溢出點(diǎn)高程明顯降低，防滲墻內(nèi)等勢(shì)線密集，表明防滲墻承擔(dān)了絕大部分的水頭損失。

圖2　原大壩準(zhǔn)流網(wǎng) (高程單位：m)

圖3　除險(xiǎn)加固后的大壩準(zhǔn)流網(wǎng) (高程單位：m)

此外，防滲加固前、后大壩滲流量分別為q=1.169m3/s和q=0.398m3/s，滲流量減少了約65%，說(shuō)明防滲效果明顯；防滲加固后壩體下游逸出點(diǎn)滲透比降最大值為0.2，壩基滲透比降最大值為0.36，防滲墻的最大坡降為18.74，均小于各自的允許滲透坡降，滿足防滲要求。

綜上所述，槐樹(shù)咀水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的混凝土防滲墻措施經(jīng)濟(jì)可行、防滲效果顯著，能夠保證大壩的滲流穩(wěn)定，不發(fā)生滲漏破壞。

4　結(jié)　語(yǔ)

a.大壩經(jīng)過(guò)防滲加固處理后，水庫(kù)蓄水至正常蓄水位時(shí)，下游坡面與壩址附近的滲透坡降均在允許范圍之內(nèi)，下游壩段沒(méi)有滲漏逸出點(diǎn)，坡腳處不再發(fā)生集中滲流，防滲墻也不會(huì)發(fā)生破壞。該工程的防滲墻設(shè)計(jì)能夠使大壩不發(fā)生滲流破壞，說(shuō)明塑性混凝土防滲墻的處理方案合理有效。

b.小型水庫(kù)大壩壩高一般在20m左右，甚至更低，而混凝土防滲墻允許水力坡降一般能達(dá)到60以上，30～40cm墻厚即可滿足防滲要求，經(jīng)濟(jì)合理。同時(shí)，它的施工不影響水庫(kù)運(yùn)行，速度快，可靠性高，耐久性好，與其他防滲措施相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在中小型土石壩水庫(kù)的除險(xiǎn)加固工程中，混凝土防滲墻方案值得推廣使用。

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Analysis of anti-seepage measures and anti-seepage effect of Huaishuzui Reservoir Dam

CHEN Hongzhen1, LIU Changwu1, WANG Jianyou2

(1.SichuanUniversityCollegeofWaterResourcesandHydropower,Chengdu610065,China;2.ZhengzhouUniversitySchoolofWaterConservancyandEnvironment,Zhengzhou450001,China)

In the paper, seepage problems in Huaishuzui Reservoir are combined for proposing risk removal and reinforcement plan of concrete cut-off wall. Main process of construction, technical parameters, quality control, etc. are introduced. Finite element method is utilized for analyzing anti-seepage effect of risk removal and reinforcement measures. It is proved that the anti-seepage measures have significant effect according to the current operation condition of the reservoir. Concrete cut-off wall technology is reliable and practical in earthwork dam reinforcement.

concrete cut-off wall; risk removal and reinforcement; seepage; earth and rockfill dam

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.017

TV698.2+5

B

1005-4774(2016)01-0055-04