殷山水庫大壩防滲加固方案優(yōu)化合理性分析

羅志雄

（江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029）

0 前言

我國是世界上水庫數(shù)量最多的國家，其中土石壩水庫占總數(shù)的93%[1]。參照2012 年底水利普查數(shù)量[2]，我國已建成各類水庫98002 座，總庫容達(dá)9323.12 億m3，其中大型水庫756 座，中型水庫3938 座，小型水庫93308 座。我國水庫大壩大多修建于二十世紀(jì)六、七十年代，大部分服役期已達(dá)到40 年～50 年，近年來，許多中小型水庫陸續(xù)出現(xiàn)不同程度的安全問題，其中約有1/5 水庫是由于大壩滲流滲漏問題引起的。在對病險水庫進(jìn)行防滲加固處理時，常用措施主要是粘土斜墻、粘土心墻、混凝土防滲墻和帷幕灌漿等。以往采取的防滲加固[3～6]措施一般是一種或兩種結(jié)合處理，本文以殷山水庫除險加固工程為例，闡述多種防滲加固措施相結(jié)合的優(yōu)化方案，為類似土石壩除險加固提供工程參考依據(jù)。

1 工程概況

殷山水庫位于湖口縣東南部的付垅鄉(xiāng)殷山村，大壩坐落在殷泉村，距湖口縣城約20 km，有約10 km 的公路與九景高速公路和省級交通干道相連。水庫所在河流為北港湖南支，屬南北港水系。壩址以上控制流域面積8.55 km2，水庫總庫容1349.10×104m3，設(shè)計(jì)灌溉面積2.2×104畝，實(shí)際灌溉面積1.5×104畝，是一座以灌溉為主，兼防洪、養(yǎng)殖等效益的中型水庫。水庫樞紐工程主要包括大壩、溢洪道、壩下涵管、灌溉放空隧洞等。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程68.4 m，壩頂寬6.0 m，最大壩高24.0 m，壩頂長340 m。上游壩坡坡率1∶3.0，下游坡率從上而下分別為1∶2.45、1∶3.0，大壩壩腳高程46.10 m～46.50 m，有寬約12 m 的壓重臺。溢洪道位于大壩右端壩頭，長121.78 m；壩下涵管有南北涵管兩座，南涵管位于大壩左端山體內(nèi)，長211 m；北涵管位于大壩右端壩體內(nèi)，長83 m；灌溉放空隧洞位于右壩肩山體中，長233.8 m。經(jīng)水庫大壩安全鑒定發(fā)現(xiàn)，大壩壩體、壩肩和壩基出現(xiàn)多處滲漏問題，工程存在較嚴(yán)重的安全隱患，長此下去會危及大壩安全運(yùn)行。

2 防滲加固方案

2.1 優(yōu)化前加固方案

根據(jù)大壩的地質(zhì)勘查資料及水庫運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，大壩采取垂直防滲措施，為混凝土防滲墻加壩基帷幕灌漿。本方案設(shè)計(jì)混凝土防滲墻布置在壩軸線處，沿主壩縱向設(shè)置防滲墻，墻頂高程67.0 m，頂部采用粘土回填，防滲墻厚度60 cm，墻底深入強(qiáng)風(fēng)化基巖0.5 m，最大墻深25 m。結(jié)合壩身防滲處理，局部壩基基巖及左、右壩肩采用帷幕灌漿處理，帷幕灌漿采用單排孔，孔距為2 m，深入相對不透水層5 m。帷幕灌漿范圍為大壩河床壩基范圍（0+085 m～0+180 m）、大壩右岸壩基范圍（0+235 m～0+340 m）及右岸壩肩40 m 范圍、大壩左岸壩基范圍（0+000 m～0+005 m）及左岸壩肩35 m 范圍。

2.2 優(yōu)化后加固方案

優(yōu)化加固方案為：大壩壩體防滲采取粘土斜墻加混凝土防滲墻處理措施，混凝土防滲墻位置由壩中心線移至上游壩坡，并在結(jié)合處設(shè)截水槽，槽底寬1.5 m，高1.5 m，邊坡1∶0.75，防滲墻墻頂高程58.0 m，底寬6.3 m，頂寬3.5 m，墻體厚40 cm。壩基帷幕灌漿方案與優(yōu)化前方案相同。兩種防滲加固方案示意圖見圖1。

圖1 大壩優(yōu)化前、后防滲加固方案示意圖

3 防滲加固方案優(yōu)化分析

大壩防滲加固方案的不同主要在于壩體內(nèi)的防滲體不同，為進(jìn)一步確定加固方案優(yōu)化前、后的優(yōu)缺點(diǎn)，分別進(jìn)行了以下幾方面的分析比較。

3.1 防滲效果比較

（1）優(yōu)化前后加固方案在壩基中都設(shè)置了帷幕灌漿，但在壩體中的防滲處理措施不同，優(yōu)化前防滲加固方案主要采用混凝土防滲墻，利用防滲墻良好的抗?jié)B性能，實(shí)現(xiàn)防滲目的，防滲效果顯著；優(yōu)化后方案采用粘土斜墻加混凝土防滲墻，兩種防滲措相結(jié)合，防滲效果也很明顯。但優(yōu)化前方案比優(yōu)化后方案，混凝土墻入土深度長9 m，優(yōu)化后加固方案比優(yōu)化前多采取了粘土斜墻措施。

為進(jìn)一步了解兩種方案的加固效果，對大壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算分析，根據(jù)壩體、壩基的地質(zhì)情況，同時考慮滲流監(jiān)測設(shè)施的埋設(shè)情況，大壩各土層滲透系數(shù)及允許滲透坡降按地勘提供參數(shù)選取，見表1。

表1 大壩壩體及壩基土層地質(zhì)參數(shù)取值表

（2）計(jì)算模型

壩體內(nèi)的穩(wěn)定滲流符合達(dá)西定律，對于非均各向異性二維滲流場，水頭勢函數(shù)滿足微分方程：

式中：φ=φ（x,y）為待求水頭勢函數(shù)；kx，ky為軸方向的滲流系數(shù)；Q 為邊界上滲流量。水頭φ 還必須滿足一定的邊界條件，經(jīng)常出現(xiàn)以下三種邊界條件：

①在上游邊界上水頭已知：φ=φn

②在逸出邊界水頭和位置高程相等：φ=z

③在某邊界上滲流量q 已知：

式中：lx，ly為邊界表面向外法線在x，y 軸方向的余弦。

假定單元滲流場的水頭函數(shù)φ 為多項(xiàng)式，由微分方程及邊界條件確定其問題的變分形式，可導(dǎo)出線性方程組：

式中：[H]為滲流矩陣；{φ}為滲流場水頭；{F}為節(jié)點(diǎn)滲流量。

求解滲流場的關(guān)鍵是確定浸潤線位置，本次研究采用節(jié)點(diǎn)虛流量法通過多次迭代計(jì)算自動確定浸潤線位置和出逸高度。求解出各點(diǎn)水頭[φ]之后，利用公式：

求出各點(diǎn)的水力坡降。流速公式為：

（3）通過采用有限元法計(jì)算分析，對大壩兩種加固方案分別在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位三種情況下進(jìn)行滲流計(jì)算，得到各工況下滲流量及滲透坡降計(jì)算結(jié)果。具體計(jì)算結(jié)果見表2，計(jì)算結(jié)果流網(wǎng)圖以校核水位為例，見圖2～圖3。

表2 大壩穩(wěn)定滲流計(jì)算值及滲流量表

圖2 優(yōu)化前校核洪水位66.36 m 下穩(wěn)定滲流計(jì)算成果圖

圖3 優(yōu)化后校核洪水位66.36 m 下穩(wěn)定滲流計(jì)算成果圖

由表2、圖2～圖3 可知，經(jīng)過加固后，大壩的滲流量均比加固前的大幅度減小，防滲效果均很明顯；兩種方案下的滲流量均較小，但優(yōu)化后方案要比優(yōu)化前小一半左右。

3.2 施工難度比較

對于壩體防滲加固處理，兩種方案的施工實(shí)施技術(shù)均很成熟，但優(yōu)化后混凝土防滲墻的工程量比優(yōu)化前減少了35%，雖然粘土斜墻需要開挖及回填，但是從施工操作性方面考慮，還是粘土斜墻施工更容易。采用液壓抓斗造混凝土防滲墻時，在深度超過18 m 后，挖槽工效會有所降低，因此降低防滲墻高度，有利于加快工程進(jìn)度。從施工操作性和工程進(jìn)度兩方面考慮，優(yōu)化后方案比優(yōu)化前施工難度小，可操作性強(qiáng)。

3.3 工程投資比較

大壩優(yōu)化前、后防滲加固方案主要工程量與投資比較見表3。

表3 大壩穩(wěn)定滲流計(jì)算值及滲流量表

由表3 可知，方案優(yōu)化后，工程投資可減少32.06 萬元。

4 結(jié)論

對于大壩出現(xiàn)的滲漏問題，通過優(yōu)化前后方案的分析比較，得出以下結(jié)論：

（1）經(jīng)防滲效果、施工難度及工程投資等綜合比較分析，優(yōu)化后方案比優(yōu)化前更佳，合理性得到論證。

（2）在對水庫大壩進(jìn)行防滲處理時，采取多種方案相結(jié)合比單一方案要好很多，在進(jìn)行設(shè)計(jì)方案選擇時，盡可能進(jìn)行優(yōu)化處理。

（3）殷山水庫自加固后運(yùn)行至今，下游壩腳未出現(xiàn)滲漏點(diǎn)，說明工程措施采取合理有效。