云梁水庫大壩滲流穩定計算及防滲處理措施

盧燦先

（漳州市水利水電勘測設計有限公司，福建 漳州 363000）

1 工程概況

云梁水庫位于云霄縣東廈鎮梁山，所在河流為蔗港溪，是一座具有防洪、農田灌溉以及發電等綜合利用的小型水庫。水庫樞紐工程主要有大壩、溢洪道、輸水隧洞等。水庫集雨面積7.94 km2，水庫最大壩高32.7 m，總庫容245 萬m3，地處海拔500 m 的高山上，因下游人口密集，一旦失事其后果不堪設想，云梁水庫目前存在的安全隱患，已經影響了水庫的正常運行，以及水庫效益的正常發揮。近年來，隨著云霄縣當地經濟的飛速發展，水庫的防洪安全顯得尤為重要，水庫大壩除險加固工程勢在必行[1]。大壩現狀平面圖見圖1。

圖1 大壩現狀平面圖

2 云梁水庫大壩存在的問題

結合除險加固中現場調查、地質勘察以及相關資料的搜集整理，將云梁水庫壩體目前存在的主要問題列舉如下：

（1）上、下游壩坡面不平整，堆石體孔隙率偏大，級配不良；

（2）防滲壩區土料含砂量偏大，密實度不均勻且難以滿足要求，在高程499 m～506 m 段及壩基接觸段水平向的滲漏難以滿足要求；

（3）大壩無滲流觀測、沉降觀測、位移觀測設施；

（4）最大水力比降大于壩體土的允許水力比降，滲流狀態不安全。

3 大壩滲流穩定分析

云梁水庫壩型為粘土心墻壩，現有壩頂高程525.0 m，最大壩高32.7 m。由于大壩最大壩高斷面和背水坡最長斷面不在同一斷面上，滲流穩定分析分別對上述兩斷面進行計算復核。最大壩高斷面圖見圖2，背水坡最長斷面圖見圖3。

圖2 最大壩高斷面圖

圖3 背水坡最長斷面圖

3.1 滲流計算指標

本次滲流復核采用的物理力學參數于現場鉆孔取7 組原狀土樣進行室內土工試驗。滲透系數是根據室內滲透試驗結合現場注水試驗求得。大壩為粘土心墻壩，當時施工時代替料和心墻為同種土料，壩基以下為全風化、強風化及弱風化晶洞花崗巖，滲透系數和臨界水力比降采用地勘資料提供的數據，結合現場注水試驗和室內土工試驗成果，具體數據見表1。

表1 物理力學指標表

強風化晶洞花崗巖：重力密度r=21 kN/m3，粘聚力C’=0.3 MPa，透水率參考壓水試驗成果建議q 取值18.6 Lu，孔隙率n 為5.6%。弱風化晶洞花崗巖：重力密度r=25 kN/m3，粘聚力C’=0.8 MPa，建議孔隙率n 為2.8%。

根據鉆探提供的地質勘察資料，土的允許水力比降[J允]＝0.335。

3.2 計算斷面和計算方法

云梁水庫計算斷面分別選用最大壩高斷面進行計算。滲流計算分析依據《碾壓式土石壩設計規范》，并采用“水工結構有限元分析系統AutoBank 6.13”計算程序(河海大學工程力學研究所編寫)進行分析[3]。由于壩體施工時代替料和心墻為同種土料，本次滲流穩定計算建模時將心墻和代替料合為一體，參數取值也相同。

3.3 計算工況及結果分析

云梁水庫滲流穩定分析采用以下6 種計算工況對應的上下水位情況，即：工況①：上游庫水位為正常蓄水位519.00 m，下游無水；工況②：上游庫水位為設計洪水位522.08 m，下游無水；工況③：上游庫水位為校核洪水位523.10 m，下游無水；工況④：上游庫水位為死水位500.20 m，下游無水；工況⑤：上游庫水位從校核洪水位523.1 m 驟降至堰頂高程519 m，下游無水；工況⑥：上游庫水位從堰頂高程519.00 m 降至死水位500.02 m，下游無水。

從表2 和表3 理論計算成果可知，云梁水庫各計算工況下單寬滲流量較小，根據鉆探提供的地質勘察資料，最大壩高斷面工況②、工況③、工況⑤和背水坡最大斷面工況⑥理論計算壩體最大出逸水力比降大于土的允許水力比降[J允]＝0.335，需進行防滲處理[4]。

表2 最大壩高斷面滲流計算成果表

表3 背水坡最大斷面滲流計算成果表

4 壩體防滲加固設計

4.1 方案比選

壩體防滲加固設計可采取以下4 種方案可供比選：（1）充填式灌漿；（2）劈裂式灌漿；（3）迎水坡鋪設復合土工膜；（4）高壓噴防滲板墻。根據云梁水庫大壩的實際情況，考慮充填式灌漿前期可以取得一定的防滲效果，后期防滲效果得不到保障；劈裂式灌漿劈裂壩體，會對壩體產生較大擾動，可能影響壩體的整體穩定性；水庫大壩屬于心墻堆石壩，若采用復合土工膜防滲則需要全面拆除迎水坡堆石體，另外，復合土工膜與兩岸連接段的接頭較難處理，處理不好，則防滲效果得不到保障；因此本次加固暫不考慮（1）、（2）、（3）三種方案，結合壩體實際條件，考慮單管高壓旋噴防滲墻方案[5]作為本次壩體防滲加固的推薦方案。

4.2 單管高壓旋噴防滲墻

根據地質鉆探資料，本工程壩體主要材料為填筑土Ⅱ，壩基主要為全風化、強風化、弱風化花崗巖。高壓旋噴灌漿能適用于上述壩體土質及全、強風化地層的防滲。單管高壓旋噴防滲墻布置在原壩中軸線處，全壩段布置，深入強風化花崗巖層2.0 m或至弱風化花崗巖頂，樁徑600 mm，孔距0.40 m 行距0.45 m。范圍長159.47 m，高程513.35 以下布置雙排，梅花型布置，其余為單排布置。共布設旋噴孔889 孔，鉆孔總進尺約21324 m，（其中強風化花崗巖層鉆孔總長1114 m，全風化花崗巖鉆孔總長4410 m，填筑土鉆孔總長15800 m），單管高噴灌漿總進尺15525 m，見圖4、圖5。

圖4 單管高壓旋噴防滲墻斷面圖（最大壩高）

圖5 單管高壓旋噴防滲墻斷面圖（背水坡最長）

4.3 加固后滲流安全及穩定復核

大壩加固后滲流計算工況和3.3 節計算工況一樣，采用“水工結構有限元分析系統（AutoBank 6.13）”計算程序進行分析，計算得到的滲流穩定計算成果見表4 和表5。

表4 加固后最大壩高斷面滲流計算成果表

表5 加固后背水坡最大斷面滲流計算成果表

從表4 和表5 理論計算成果可知，云梁水庫各計算工況下單寬流量較小，理論計算出逸水力坡降均小于土的允許水力比降[J允]＝0.335，滲流安全滿足要求。

5 結論與建議

云梁水庫除險加固工程的實施，將對保障水庫工程安全、保障灌溉用水以及下游防洪安全有較大的貢獻，因而工程的建設是十分必要的。本文主要通過大壩滲流穩定計算、防滲方案的比較，選擇出適宜于水庫的大壩壩體防滲加固措施。預計建設工期為8 個月，工程建設條件較為成熟，工程建設對自然環境和社會環境的影響主要表現為積極的影響，所帶來的社會效益也將是十分顯著的。