水庫大壩防滲加固設計與復核計算

朱智元

（新疆阿勒泰地區(qū)青河縣水利局，新疆 青河 836200）

1 工程概況

某水庫位于新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)青河縣境內(nèi)，是一座以防洪為主，兼具灌溉、生態(tài)等功能的小型水庫。水庫的集雨面積1326.2km2，總庫容21.34萬m3。水庫工程規(guī)模為小（2）型，工程等別Ⅴ等，主要水工建筑物級別5級。水庫建成于20世紀70年代中期，主要水工建筑物為大壩、溢洪道和放水涵洞。其中，大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程1260.15～1260.40m，最大壩高4.5m，大壩全長185.20m，壩頂寬3.5～5.0m，壩頂沒有硬化；水庫大壩的迎水坡坡度1∶1.5，背水坡坡度1∶2.5～1∶3.0。由于設計施工標準低，經(jīng)過長期運行后病險問題較為突出，主要表現(xiàn)為大壩洪水設防標準較低，防洪能力不能滿足要求；大壩的滲漏情況較嚴重，滲流量較大，不滿足SL274—2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》要求［1］。大壩的壩坡土體裸露，沒有護坡措施，溢洪道和引水渠年久失修，過流能力不足且存在較嚴重的漏水現(xiàn)象。針對水庫的現(xiàn)狀特征，依據(jù)SL258—2017《水庫大壩安全評價導則》對水庫大壩進行評價，確定為三類壩［2］。

2 大壩防滲加固方案設計與比選

2.1 防滲加固方案設計

由于水庫大壩為均質(zhì)土壩，同時建成年代較久遠，因此不僅填筑質(zhì)量不高，同時也存在老化問題，滲水情況較嚴重。針對大壩滲漏逸出點位置偏高的問題，參照國內(nèi)外類似工程的設計經(jīng)驗，提出兩種加固方案進行比選。

2.1.1 方案1（黏土斜墻）

該方案的基本思路是在壩體上游部位利用滲透系數(shù)低的黏土構(gòu)筑斜墻防滲措施，達到大壩防滲加固的效果［3］。按照SL189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規(guī)范》關于斜墻技術要求［4］，其滲透系數(shù)值小于1×10-5cm/s，防滲黏土斜墻應自上而下逐層加厚，且頂部寬度在1.5m以上。

黏土斜墻方案設計如圖1。

圖1 黏土斜墻方案的設計

2.1.2 方案2（多頭小直徑防滲墻）

該方案是單頭小直徑深層攪拌技術和雙頭小直徑深層攪拌技術相結(jié)合形成的一種防滲技術，其基本技術流程是，利用高壓泥漿泵將拌制好的水泥漿輸送進鉆桿，經(jīng)過鉆頭葉片上的孔洞噴入土體，經(jīng)過與土體充分攪拌，形成具有一定強度和防滲效果的連續(xù)墻體，從而達到防滲加固的目的［5］。

多頭小直徑防滲墻方案設計如圖2。

圖2 多頭小直徑防滲墻方案設計

2.2 大壩防滲加固設計方案比選

兩種大壩防滲設計方案的優(yōu)缺點如表1。

表1 防滲加固方案的技術比較

通過表1可看出，黏土斜墻方案不僅可達到良好的防滲效果，還具有投資低、施工簡單的優(yōu)勢，故本次工程設計中采用方案1。

結(jié)合水庫大壩的具體參數(shù)和相關規(guī)范，黏土斜墻頂寬2.0m，截滲槽開挖深度1.5m。按照水庫設計水位上0.5m設計斜墻頂高程1259.30m。

黏土斜墻的填筑材料為素黏土，其基本參數(shù)為：黏粒含量15%～40%，塑性指數(shù)10～20，有機質(zhì)含量＜2%，含水量25%～28%，滲透系數(shù)K≤1.0×10-5cm/s，土料壓實度≥0.96，干密度＞1.45t/m3不填筑材料可在下游取土場直接采挖，含水率不滿足要求時采取灑水或曬干處理。

2.3 壩頂與壩坡加固設計

針對水庫大壩壩坡現(xiàn)狀，在大壩加固設計中，對土層裸露的大壩上游坡面新建現(xiàn)澆混凝土和植草護坡。首先按照加固設計要求進行地基清理，并將壩坡的坡度統(tǒng)一平整為1∶2.5，按照水庫設計水位特征，高程1260.60m以下部分采用現(xiàn)澆混凝土護坡，以上部位則采用草皮護坡。

對于大壩的下游面，加固施工中需要進行整形和加培施工，將現(xiàn)存的不完整草皮護坡進行清理，清基和加固完畢后，重新利用草皮護坡。鑒于大壩下游坡面的排水溝斷面較大，在遭遇短時強降雨時容易造成漫流和沖刷，因此進行排水溝重建，其設計斷面為梯型斷面，寬、深均為1.0m。排水溝與下游渠道連接并采用預制混凝土塊防護，兼作灌溉渠道。

水庫除險加固完成后正常蓄水位1259.70m，校核洪水位1260.50m。但大壩現(xiàn)狀高程并不標準，一般在1260.15～1260.40m之間，不僅高程起伏較大，填筑質(zhì)量也不高。對大壩的壩頂統(tǒng)一整平加高，達到1270.00m高程，對壩頂土體進行壓實，且壓實度不低于0.96，同時將寬度不一的壩頂統(tǒng)一加培修整至4.0m寬，并在壩頂新建寬度3.5m的水泥路面，提高壩頂?shù)耐ㄐ袟l件。路面采取外側(cè)單向排水設計，坡度1.5%。

3 大壩滲流安全復核計算

3.1 典型斷面

根據(jù)大壩的地質(zhì)勘測報告及多年來的險情發(fā)生部位，選取樁號0+160.7斷面作為典型計算斷面。

3.2 構(gòu)建模型

本文采用AutoBANK軟件進行主壩典型斷面的滲流穩(wěn)定分析。AutoBANK軟件模擬包括單孔和多孔材料模型，可用于巖土的內(nèi)部孔隙水壓力分布和水體運動問題的分析研究［6］。以典型斷面為研究斷面，利用AutoBANK軟件分析水庫主壩壩體進行除險加固工程前后的滲流特征［7］。應用軟件單元體模型劃分網(wǎng)格，在典型斷面上進行小四邊形單元劃分，其中，加固前的模型劃分18976個單元，24197個計算節(jié)點；加固后的模型劃分25677個計算單元，32879個計算節(jié)點。穩(wěn)定滲流場的計算采用二維有限元法，按各項同性介質(zhì)模型，采用拉普拉斯方程式進行計算求解［8］。

3.3 計算參數(shù)

從除險加固工程的地質(zhì)勘查報告中獲取大壩計算斷面各土層的主要計算指標，并將其作為大壩滲流安全復核計算的土體參數(shù)，如表2。

表2 大壩滲流復核參數(shù)值

3.4 計算工況

根據(jù)SL189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規(guī)范》的有關規(guī)定，滲流計算選擇工況及相應水位組合如表3。

表3 計算工況及相應水位組合

3.5 計算結(jié)果與分析

利用構(gòu)建的有限元模型對水庫大壩防滲加固前后的滲流參數(shù)進行計算，結(jié)果如表4。

表4 加固前后大壩滲流計算成果

由表4相關數(shù)據(jù)得出，典型斷面上壩體與壩基接觸面上的最大水平比降0.09，小于粉質(zhì)黏土臨界比降0.4，其滲透穩(wěn)定滿足要求。校核水位工況下游壩坡滲出段的最大出逸比降0.493，小于粉質(zhì)壤土的允許出逸比降粉質(zhì)黏土最大值0.6。因此，在滲流安全方面，下游出逸點滲流段沒有遭受破壞的可能。

4 結(jié)語

針對新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)青河縣水庫大壩滲漏問題，進行除險加固設計與復核計算，經(jīng)過防滲加固方案的對比分析，水庫大壩防滲加固采用黏土斜墻方案。在正常水位、設計水位和校核水位3種工況下的滲透穩(wěn)定滿足要求，下游壩腳滲出段沒有產(chǎn)生滲流破壞的可能。