聯(lián)和水庫主壩加固防滲方案設(shè)計淺析

黃新華

（惠州市華禹水利水電工程勘測設(shè)計有限公司，廣東 惠州 516003）

1 概況

1.1 水庫概況

聯(lián)和水庫地處博羅縣福田鎮(zhèn)石巷村，距廣州增城區(qū)8 km，庫區(qū)集雨面積110.8 km2。水庫設(shè)計校核洪水標(biāo)準分別為100 a一遇和1000 a 一遇。水庫正常蓄水位56.65 m，相應(yīng)庫容6115 萬m3；死水位31.65 m，相應(yīng)庫容474 萬m3；水庫設(shè)計洪水位為60.69 m，對應(yīng)庫容為7538 萬m3；水庫校核洪水位為62.16 m，對應(yīng)庫容為8094 萬m3。水庫樞紐由主副壩、溢洪道、輸水隧洞及壩后電站組成，擔(dān)負著下游11.74 萬畝農(nóng)田的灌溉用水和5 萬人口的生活用水以及工礦企業(yè)用水的任務(wù)，是一座以灌溉為主，結(jié)合供水、防洪、發(fā)電等綜合利用的中型水庫。

1.2 主壩現(xiàn)狀

聯(lián)和水庫的主壩，為均質(zhì)土壩，壩長330 m，最大壩高46.02 m，壩頂實測平均高程62.67 m，壩頂寬10 m，防浪墻頂高程63.54 m。迎水坡坡比約為1∶2.2，干砌石護坡。主壩背水坡分四級，自上而下坡比為1∶1.98、1∶2.27、1∶2.74 及1∶2.98，均為草皮護坡，草皮生長情況良好，設(shè)有3 級馬道，高程分別為52.72 m、42.85 m 及33.14 m，寬度分別為2.0 m、2.0 m 及3.0 m；高程42.84 m 以上背水坡較為平整，坡度較陡，無明顯整體性沉陷。高程42.84 m 以下背水坡坡面平整度較差，特別是在右側(cè)壩坡高程42.84 m～24.0 m 與老山體接觸部位，雜草生長非常茂盛，據(jù)了解有繞滲現(xiàn)象發(fā)生，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)局部有沉陷，最大沉陷量達0.2 m。

1.3 存在問題

經(jīng)多年運行，大壩存在主要問題如下：主壩壩頂高程不滿足防洪要求；主壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不能滿足規(guī)范要求；主壩壩體現(xiàn)場注水試驗滲透系數(shù)有多段為1.0×10-3cm/s，大于均質(zhì)土壩規(guī)范要求，其數(shù)值的波動變化較大，壩體總體土質(zhì)壓實度不夠，滲透性較強。主壩壩基局部與第四系沖積粉細砂土層接觸，該粉細砂土層屬于中等透水性土層，整體連通性較好，滲漏現(xiàn)象較嚴重；主壩上游干砌石護坡不平整，大塊石間的小石塊散落嚴重。

2 主壩防滲加固方案

2.1 加固設(shè)計

根據(jù)大壩目前存在的問題，大壩加固方案應(yīng)兼顧壩坡加固和大壩防滲處理。現(xiàn)狀大壩上游壩坡局部斷面不滿足規(guī)范要求，需要對上游壩坡較陡段進行削坡處理，使坡比滿足邊坡穩(wěn)定要求。因此結(jié)合本工程的特點，大壩存在的主要問題是大壩壩體浸潤線比較高，上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定不足、下游壩坡滲流不穩(wěn)定，本次工程大壩加固的關(guān)鍵就在于降低大壩壩體浸潤線，確保上游壩坡穩(wěn)定和下游壩坡滲流、穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。采用削后坡加前坡+前坡填筑防滲粘土斜墻+壩基高壓灌漿，斷面圖見圖1。

2.1.1 上游坡

為滿足上游壩坡穩(wěn)定，從43.0 m 高程起對上游壩坡進行削坡，邊坡1∶2.5。拆除現(xiàn)狀上游壩坡43.0 m 高程以上干砌石護坡堆至壩腳，分兩級堆放，從上之下分別為43.0 m、35.0 m 高程，迎水側(cè)坡比均為1∶3。43.0 m 高程平臺寬8 m，平臺頂采用0.15 m 厚C20 砼壓頂，壓頂下設(shè)0.15 m 厚碎石墊層；35.0 m 高程平臺寬5.0 m。

上游壩坡43.0 m 高程以上采用厚0.15 m 現(xiàn)澆C20 混凝土護坡，下鋪0.15 m 厚的砂墊層，現(xiàn)澆混凝土護坡尺寸為3.0 m×3.0 m，板間用瀝青油毛氈填縫，縫寬2 cm，并在混凝土護坡布置梅花形排水孔，孔距1.5 m，孔徑φ75 mm，管口包扎土工布。為防止混凝土護坡下滑，分別在高程43.0 m 以及51.00 m 設(shè)置1.0 m×0.8 m（高×寬）C20 砼防滑墻。為便于對大壩的巡視和管理，在大壩上游坡設(shè)2 道C20 砼步級，步級寬2.0 m，并在步級側(cè)的坡面上設(shè)置水位尺。

圖1 聯(lián)和水庫主壩加固設(shè)計斷面圖

2.1.2 壩頂

由于前坡進行削坡加固，因此大壩壩軸線相應(yīng)后移約4.3 m，基本平行于現(xiàn)有壩軸線，局部地方進行修順，設(shè)計壩頂寬8.0 m。為減少工程量，降低工程投資，上游側(cè)設(shè)高1.0m 的砼防浪墻，防浪墻頂高程63.60 m，壩頂高程62.60 m，壩長303.50 m，壩頂采用瀝青砼路面，厚0.12 m，下設(shè)水泥石屑穩(wěn)定層（含水泥量6%），厚0.25 m。壩頂背水側(cè)沿壩軸線方向設(shè)路緣石。

2.1.3 下游坡

壩頂高程62.60 m 至高程55.00 m 培厚坡度為1∶2.25，高程55.00 m 處設(shè)一寬為2.5 m 的馬道；高程55.00 m 至高程46.00 m 培厚坡度為1∶2.5，高程46.00 m 處設(shè)一寬為2.5 m的馬道；高程46.00 m 至高程37.00m 培厚坡度為1∶2.75，高程37.00 m 處設(shè)一寬為2.5 m 的馬道；高程37.00 m 至高程29.00 m 培厚坡度為1∶3。修整壩坡排水系統(tǒng)和草皮護坡，完善大壩的安全觀測設(shè)施。

2.1.4 排水棱體

新建排水棱體為干砌石，頂高程29.00 m，頂寬2.5 m，內(nèi)坡比為1∶1，外坡比為1∶1.5，高4.0 m～13.5 m，排水棱體與土和基礎(chǔ)的接觸面設(shè)土工布、20 cm 厚中砂、20 cm 厚粗砂及60 cm厚級配碎石反濾層。

2.1.5 護坡

上游壩坡43.00 m 以上采用C20 混凝土護坡，厚0.15 m，下鋪中粗砂墊層厚0.15 m；下游壩坡采用草皮護坡。

2.1.6 大壩防滲

壩體、壩基防滲采用防滲墻處理。

2.2 防滲設(shè)計

針對常用防滲措施，并結(jié)合本工程實際情況，大壩壩體浸潤線比較高，下游壩坡逸出點較高，故防滲采用塑性混凝土防滲墻、混凝土防滲墻或壩體劈裂灌漿+壩基灌漿三種方案，對防滲方案進行比選。確定經(jīng)濟合理、切實可行的防滲方案。

（1）方案一：混凝土防滲墻

混凝土防滲墻是利用專用的造槽機械設(shè)備營造槽孔，并在槽孔內(nèi)注滿泥漿，以防孔壁坍塌，最后用導(dǎo)管在注滿泥漿的槽孔中澆注混凝土并置換出泥漿，筑成墻體。并做成剛性連續(xù)墻。對施工條件要求較寬松，可在較復(fù)雜的條件下施工。比較安全、可靠。缺點是彈性模量較大，適應(yīng)變形能力不強，由于強度較大，槽孔之間的接頭難以解決好、施工速度較慢、成本較高。

防滲墻設(shè)計墻厚為0.6 m，采用沖抓法施工，選用CZ-22型沖孔鉆機和國產(chǎn)GSD 鋼繩抓斗施工，造孔寬度0.6 m，嵌入不透水巖層1.0 m。

（2）方案二：塑性混凝土防滲墻

塑性混凝土防滲墻營造槽孔與混凝土防滲墻相同，但通過調(diào)整混凝土配合比以達到降低混凝土彈性模量，更好的適應(yīng)地基變形，同時起到較好的防滲效果的一種連續(xù)墻。

（3）方案三：壩體劈裂灌漿+壩基高壓灌漿

針對水庫情況，壩體采用劈裂灌漿防滲，劈裂灌漿按2 排孔布置，孔距3 m，孔均深入壩基1 m。鉆孔灌漿采用分序鉆灌，以使?jié){液平衡均勻分布于壩體，有利于泥漿排水固結(jié)，避免壩體產(chǎn)生不均勻沉陷和位移。壩體劈裂灌漿孔要穿過粉細砂土層1 m，壩體劈裂灌漿用水泥粘土漿，其中水泥含量15%，泥漿容重取1.6 t/m3，并在漿液中摻0.5%煤油，以防白蟻。灌漿過程中要嚴格遵循“壩體分段，區(qū)別對待，雙排布孔，分序鉆灌、孔底注漿，全孔灌注，綜合控制，少灌多復(fù)”的原則。

高壓旋噴灌漿固結(jié)后形成的有效防滲墻厚度保證在70 cm以上，高壓噴射水壓力為35MPa～40MPa，水量70L/min～80 L/min，氣壓0.6 MPa～0.8 MPa，氣量0.8 m3/min～1.2 m3/min，主要灌漿材料為水泥，灌漿壓力采用0.5 MPa 以上，漿量60 m3/min～80 m3/min，漿液比重1.6。旋噴灌漿向下進入弱風(fēng)化花崗巖層1 m，向上入壩體填筑土交界面1 m。壩體劈裂灌漿孔要穿過粉細砂土層1 m，使劈裂灌漿與旋噴灌漿有1 m 的交接帶，避免在兩種灌漿的交界處留下滲流通道。

（4）方案比選

從以下四個方面進行比較，三種方案投資對比見表1。

①從工程地質(zhì)上講，壩體填土屬素填土，褐黃色、褐紅色，由風(fēng)化殘積土填筑而成，主要由砂質(zhì)粘性土組成，混少量強風(fēng)化巖碎屑物，分布不均，上部混含塊石土，土質(zhì)壓實狀況稍差，中下部土質(zhì)較均勻，總體土質(zhì)壓實狀況一般，粘性較好；壩基河床段與沖洪積粉細砂土層直接接觸，大壩及壩基工程地質(zhì)條件完全適用上述三種方案。

表1 防滲方案主要工程投資比較表

②從大壩滲流理論計算來說，大壩采用劈裂+高壓灌漿處理無法參與滲流理論計算，而在實際工程經(jīng)驗中這兩種防滲處理是可以起到降低浸潤線的作用，但至今為止尚未有規(guī)范或參考書籍提到其相關(guān)的理論計算公式，這兩種防滲處理只能作為大壩滲流、穩(wěn)定的安全余度，不參入壩坡的滲流、穩(wěn)定計算，壩坡的滲流、穩(wěn)定只能靠加厚壩體、放緩壩坡以及拆除重建排水棱體來滿足規(guī)范要求。而大壩采用混凝土防滲墻和塑性混凝土防滲墻均有理論計算依據(jù)，可減少下游坡加固的工程量。

③從施工方面來看，劈裂+高壓灌漿處理壩體滲漏和壩基滲漏的施工方法已相當(dāng)成熟，該技術(shù)具有機理明確、工藝合理、效果好、工期短、經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點，完全適用于大壩的防滲處理。混凝土防滲墻和塑性混凝土防滲墻，對施工機械要求較高，可在較復(fù)雜的條件下施工，墻體施工通過導(dǎo)管直接灌注，安全連續(xù)、穩(wěn)定可靠，但其施工速度較慢，施工工藝精細。

④從工程投資方面來說，方案一投資最大，方案二次之，方案三投資最少。

聯(lián)和水庫大壩1995 年12 月曾進行過灌漿處理，但是在后來的運行過程中仍然存在較大的滲漏現(xiàn)象，結(jié)合上述綜合分析，因此雖然方案三投資較省，但由于其效果的不確定性，本次加固時不做考慮。本次設(shè)計采用防滲墻方案，根據(jù)經(jīng)濟比較，塑性混凝土防滲墻比普通混凝土防滲墻投資要小。且根據(jù)國內(nèi)外工程實踐證明，塑性混凝土防滲墻與周圍的土料性質(zhì)較為相似，其具有較低的彈性模量和較低的模強比、較大的極限應(yīng)變、良好的抗?jié)B性（滲透系數(shù)達10-6～10-8cm/s）、較為理想受力狀態(tài)（墻體處于三向受力狀態(tài)，拉應(yīng)力很小）、良好的抗震性能（地震中墻體只增加少量的壓應(yīng)力，而不產(chǎn)生拉應(yīng)力）、良好的耐久性等優(yōu)點，比普通混凝土防滲墻更具有優(yōu)越性。因此本次設(shè)計采用方案二塑性混凝土防滲墻，縱剖面圖見圖2。

圖2 聯(lián)和水庫主壩塑性砼防滲墻縱剖面圖

3 結(jié)論

綜上所述，聯(lián)合水庫主壩加固防滲工程的設(shè)計，在結(jié)合工程實際存在問題的前提下，綜合考量方案的可行性、經(jīng)濟性、施工方面，提出經(jīng)濟合理、切實可行的防滲加固方案，不但降低大壩壩體浸潤線，確保上游壩坡穩(wěn)定和下游壩坡滲流安全，而且能充分發(fā)揮水庫綜合設(shè)計效益，方便運行管理。