水磨溝水庫大壩復合土工膜防滲斜墻設計分析

張 臻

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

水庫壩體滲漏對運行安全有著極大威脅，全球超過50%的潰壩事故均是由壩體滲漏引發的。我國境內目前存在有小型水庫超過10×104座，而且這些水庫大部分面臨滲漏嚴重、缺乏管理等問題，存在諸多安全隱患，也時刻威脅著周邊區域人們的生命財產安全。因此，應用最簡單經濟的辦法對其進行防滲加固才是消除隱患的最佳途徑，其中復合土工膜防滲斜墻便是簡單、實用的大壩防滲技術之一。

1 工程概況

水磨溝水庫位于新疆自治區阜康市境內，是一座平原注入型水庫，無防洪任務。大壩全長1 678.3 m，最大壩高5.5 m，設計總庫容101.65×104m3，工程規模為小(Ⅰ)型，工程等別Ⅳ等，永久建筑物中壩體及放水涵洞均為4級，臨時建筑物為5級。2015年8月，阜康市水利局組織專家對水磨溝水庫壩體實地調研發現，壩面高低不平，壩坡土體松散且無任何護坡，存在滲漏量較大問題。為保證壩體安全穩定性，決定對其進行防滲加固處理。

2 壩體及壩基土體性力學質分析

2.1 壩體土物理力學性質分析

水磨溝水庫壩體土均為低液限黏土，棕黃色～棕褐色，干～稍濕，可塑～硬塑狀態，韌性強，干強度高。本次勘察采取壩體部分壩段土樣進行物理力學性質試驗，各段指標見表1[1]。

表1 壩體物理力學性質指標

2.2 壩基土的物理力學性質分析

水磨溝水庫壩基地層為第四系全新統沖洪積層，主體為低液限黏土，部分存在厚度小于0.3 m的粉土、粉砂夾層。低液限黏土為棕黃色～棕紅色，稍濕，韌性較強，干強度較高。壩基部分壩段物理力學性質見表2。

表2 壩基土物理力學性質指標

3 復合土工膜防滲斜墻設計分析

3.1 水庫大壩滲漏量計算

3.1.1 壩體滲漏量計算

根據試驗室滲透試驗結果，確定水磨溝水庫壩體土的滲透系數為1.8×10-7～7.2×10-6cm/s，屬微透水性土層。水庫正常水位為504.1 m，壩后地下水位埋深1.5 m。壩體滲漏屬均一單層滲漏類型，壩體滲漏量Q的計算見式(1)[2]。經粗略估算，壩體滲漏量Q=6.5×104m3。該值較大，說明壩體滲漏較嚴重，需進行防滲加固。

(1)

式中：k為壩體土滲透系數，m/d；H1，H2為水庫正常蓄水位，壩后地下水位，m；h1，h2為壩體上下游含水層厚度，m；L為壩體透水部分平均距離，m；B為滲漏段總寬度，m。

3.1.2 壩基滲漏量計算

由于水磨溝水庫壩基由低液限黏土構成，不存在透水砂層，滲透系數為1.8×10-7～5.3×10-6cm/s，屬微透水層。根據地層結構及透水性，計算采用H.H巴甫洛夫斯基公式計算壩基滲漏量Q，見式(2)。經計算，全壩段壩基滲漏量為4.15 m3/d，全年按200天計算得總滲漏量為830 m3，說明壩基滲漏問題不嚴重，無需處理[3]。

Q=B·K·H·qr

(2)

式中：B為滲漏計算段長度，m，取1 677 m；K為滲透系數，m/d，取0.003 m/d；H為上下游水頭差，m，取5.5 m；qr為含水層厚度和壩基基底寬有關的流量參數，取0.15。

3.2 復合土工膜防滲斜墻設計

根據上文壩體和壩基兩部分滲漏量計算結果，水磨溝水庫大壩的滲漏部位主要集中在壩體，因此本項目設計復合土工膜防滲斜墻對壩體進行防滲加固。

3.2.1 復合土工膜厚度設計

復合土工膜厚度δm對壩體防滲性、土工膜抗拉性、土工膜壽命等參數均有直接影響，因此其厚度要根據土工膜承受載荷、壩體不均勻沉降等進行設計計算。本項目采用蘇聯水工科學院的推薦公式計算δm，見式(3)。經計算，δm=0.2 mm，設計結構為兩布一膜[4]。

(3)

式中：E為塑料膜彈性模量，kPa；H為鋪膜范圍最大水頭，m；d為砂礫料保護層最大粒徑，mm；σ為塑料膜允許拉應力，kPa。

3.2.2 土工膜錨固形式設計

本項目設計防浪方案有兩個：①壩頂設置鋼筋砼防浪墻；②壩頂不設計防浪墻(加高培厚壩體)，經估算，方案①比②投資多128元/m，因此選取方案②。而土工膜錨固只能在壩頂位置設計錨固溝，有V型和U型兩種形式(圖1)[5]。

圖1 土工膜錨固形式

通過利用ABAQUS有限元模擬軟件對兩種錨固方案土工膜最大主應變(錨固溝內)進行模擬，發現U型錨固的最大主應變達到0.17，而V型錨固最大主應變為0.08，相差2.15倍，因此最終設計采用V型錨固形式。見圖2。

圖2 土工膜不同錨固型式最大主應變結果

3.2.3 復合土工膜防滲斜墻結構設計

根據壩坡設計經驗、穩定計算成果、培厚加高等要求，水磨溝水庫大壩上游壩坡設計1∶2.5，下游壩坡設計1∶2，上游需增加平均厚度為1 000 mm(最下端為5 000 mm，隨著高度增加厚度逐漸減小至500 mm)。上游護坡設計為現澆混凝土板結構，其厚度t對壩坡壽命、工程投資有直接影響，經驗公式見(4)[6]。經計算，t=150 mm，參照已有工程經驗，本項目設計混凝土護坡板厚取200 mm。

(4)

式中：η為相關系數，取1.0；Lm為平均波長，m；ρc為板的密度，t/m3；ρw為水的密度，t/m3；hp為累計頻率為1%的波高，m。

最終水磨溝水庫壩體復合土工膜防滲斜墻結構從下至上依次為：黏土層(200 mm)、砂礫料(300 mm)、土工膜、砂礫料(300 mm)、混凝土板(200 mm)，其中砂礫料作為土工膜保護層(圖3)。

圖3 復合土工膜防滲墻結構示意圖

4 結 語

水磨溝水庫大壩經本次防滲加固后，壩體滲漏量降至1.6×104m3/a，較加固前下降75.4%，防滲效果顯著。復合土工膜防滲斜墻施工簡單、快速，特別適合壩體較長、等級較低壩體除險加固工程。在設計相關參數時，應充分結合工程實際和其他工程經驗，本次水磨溝項目的設計值較理論計算值適當有所提高，也是在調研其他項目基礎上作出的決定。