段莘水庫防滲加固設計方案比選研究

程淦泉

（婺源縣水利局，江西 婺源 333200）

0 引言

據相關研究，水庫大壩病害主要是由壩體密實度較差或抗滲能力不足引起的[1]。常見的滲漏病害形式主要有壩體滲漏、壩基滲漏、繞壩滲漏及涵洞滲漏等，各種滲漏病害原因繁紛復雜。準確提出相應的防滲加固方案，定量科學地評估加固后壩體滲透穩定是水庫除險加固的工作重點[2～3]。

本文以段莘水庫為例，深入分析了大壩目前存在的滲漏問題，擬定了兩種加固設計方案通過比選確定，重點分析加固后壩體在不同工況下的滲流場、滲透比降、滲漏量及滲透變形問題，復核了防滲加固方案的合理性和可靠性，并為后期運行提出相應的工程建議。

1 工程概況及安全鑒定

段莘水庫是一座以防洪、發電、灌溉為主兼具養殖功能的綜合中型水庫，水庫設計灌溉面積為0.6萬畝，電站裝機2臺，總裝機容量1880 kW。現樞紐建筑物主要由大壩、溢洪道、輸水隧洞（兼放空），主、副廠房，升壓站組成。水庫樞紐工程等別為Ⅲ等，正常蓄水位290.0 m，相應庫容4140萬m3；設計洪水位292.83 m，校核洪水位293.85 m，相應庫容5640萬m3。

經現場檢查、地質勘探以及質量檢測，工程存在以下滲漏問題:

（1）壩體、壩基的滲透坡降值在校核洪水位工況下，壤土保護層出逸點的滲透坡降值已接近允許值，存在滲流安全隱患。

（2）大壩沖抓套井心墻土左壩段276 m～287 m高程以下土體的滲透系數不滿足規范要求。

（3）大壩壩基存在2 m～16 m厚的透水巖石，同時左、右兩壩肩表部也存在6.6 m～21.7 m厚的透水巖石，大壩存在壩基及繞壩滲漏問題。

2 防滲加固設計方案

段莘水庫大壩加固設計內容主要是對壩身、壩基及右壩肩進行防滲處理，據此擬定大壩加固方案。

2.1 大壩防滲加固方案比選

對比各垂直防滲處理技術的優劣，考慮采用液壓抓斗配沖擊鉆建造砼防滲墻和高壓噴射灌漿造墻兩方案。根據相對不透水巖層頂板線埋深，結合壩身防滲處理措施，計劃采用帷幕灌漿對兩壩肩及岸坡部位壩基進行防滲處理。因此，確定液壓抓斗配沖擊鉆建造砼防滲墻＋壩基帷幕灌漿方案（方案一）和高壓噴射灌漿（旋噴）造墻＋壩基帷幕灌漿方案（方案二）為比選方案。

2.1.1 方案一

方案一在壩頂沿心墻頂中心線采用液壓抓斗配沖擊鉆建造砼防滲墻截至強風化基巖以下1.0 m對壩體進行防滲加固。砼防滲墻全長108 m，墻體設計厚度0.6 m。右壩肩及右側岸坡部位基巖采用帷幕灌漿防滲，帷幕孔線與墻體中線重合，以便結合防滲墻構成整體封閉屏障，砼防滲墻施工時預埋間距2.0 m的灌漿鋼管，灌漿沿壩軸線向右岸延伸，右端伸至山體的相對不透水層頂板線與正常蓄水位線相交處。帷幕灌漿孔采用單排，孔距2.0 m，鉆孔灌漿深至相對不透水層頂面線以下5.0 m，使整個壩體在壩軸線上構成了一道完整的防滲系統。

2.1.2 方案二

方案二在壩頂沿心墻頂中心線以高壓噴射灌漿建造防滲墻體，高壓噴射灌漿鉆孔伸入基巖以下0.5 m。高噴灌漿范圍全長108 m，單排布孔，孔距0.75 m，采用三管法施工，噴射方式為旋轉噴射，成樁有效直徑可達1.0 m以上，噴射形成的防滲墻體有效厚度0.66 m。壩基防滲與方案一同采取帷幕灌漿。在高噴防滲墻里鉆孔灌漿，孔距2.0 m，確保壩體壩基構成完整的防滲系統。

2.1.3 方案比選確定

從地形地質情況、工程施工條件及投資方便予以比選確定:

（1）地形及地質情況:砼防滲墻方案液壓抓斗配沖擊鉆開槽能使砼墻體較容易坎入基巖至設計深度。而高壓旋噴灌漿防滲墻方案只能對第四系覆蓋層旋噴水泥漿形成防滲墻體，旋噴水泥漿形成連續防滲墻體困難。因此，從本工程地質情況來看，砼防滲墻方案優于高噴灌漿防滲墻方案。

（2）工程施工條件及難易程度:砼防滲墻方案施工設備簡單，技術操作難度低，但是槽孔需要利用泥漿固壁。施工過程對泥漿性能要求較高，質量不達標極易引起槽孔坍塌。因此，從工程施工條件及難易程度考慮，兩方案各有千秋，以砼防滲墻施工技術成熟，施工質量易保障而較優。

（3）從工程直接投資情況看，砼防滲墻防滲工程直接投資為344.40萬元，高噴防滲墻方案防滲工程直接投資為428.86萬元，高噴方案相較于混凝土防滲墻方案直接投資多84.46萬元。

綜上，混凝土防滲墻加固方案施工技術成熟，墻體與基巖接觸段保障性高，對工程地質條件適應性更好，且投資低。因此，在設計階段推薦采用本方案。

2.2 大壩加固后滲透穩定分析

大壩加固后滲流復核計算按平面滲流問題考慮，采用有限元方法計算分析。

2.2.1 計算斷面及滲透分區

選擇大壩最大斷面作為計算斷面，詳見圖1。各分區計算斷面的滲透指標見表1。

表1 加固后大壩計算斷面各分區滲透指標

圖1 穩定滲流計算典型斷面圖

2.2.2 計算工況

計算中考慮下列水位組合情況:

（1）正常情況:正常蓄水位290.0 m，下游水位取排水溝底面高程，大壩形成穩定滲流期的滲流計算。

（2）設計情況:庫水位為設計洪水位292.31 m，下游水位取排水溝相應較高水面高程，大壩形成穩定滲流期的滲流計算。

（3）校核情況:庫水位為校核洪水位293.79 m時，下游水位取排水溝相應最高水面高程，大壩形成穩定滲流期的滲流計算。

2.2.3 計算結果

三種水位組合下大壩加固后典型計算斷面的計算坡降和滲漏量見表2，滲流浸潤線及等勢線見圖2～圖4。

表2 加固后大壩滲流計算坡降及滲流量表

圖2 正常蓄水位時計算斷面滲流流網圖

圖3 設計洪水位時計算斷面滲流流網圖

圖4 校核洪水位時計算斷面滲流流網圖

2.2.4 計算結果分析

由計算所得滲流網可知壩體滲流形態符合一般心墻土石壩的滲流規律，心墻削減總水頭70%以上，浸潤線在心墻前后急速跌落，下游壩體浸潤線相較于加固前已大為降低。

在計算工況下，普通混凝土心墻承受的最大滲透比降在在正常蓄水位時為20.63，設計洪水位時為22.54，校核洪水位時為23.18，且均小于允許滲透比降經驗值80，滿足規范要求。而且各工況大壩計算單寬滲漏量均較加固前有所減小，大壩加固前在正常蓄水位形成穩定時，大壩計算單寬滲流量為1.26 m3/(d·m)；大壩經過加固后，正常蓄水位形成穩定時大壩計算單寬滲流量為0.404 m3/(d·m)，僅為加固前的32%，說明大壩防滲加固大大改善了大壩滲流狀況，方案是合理可行的。

3 結論

水庫除險加固過程中，滲流穩定控制措施較多，但各方案適用條件不同不能生搬硬套，需充分分析不同的地質條件和性狀基礎，結合往期經驗擬選方案予以比選優化確定。

為了定量分析段莘水庫壩體在加固后滲流穩定情況，基于非飽和滲流有限元，計算了加固后大壩計算斷面的滲漏量和滲流穩定性，從而驗證了大壩整治方案的合理性。同時，鑒于壩體結構及邊界條件的復雜性，建議大壩加固后在運行過程中加強壩體滲流監測，強化整編分析壩身、壩基及繞壩滲流測壓管的監測數據，及時掌握大壩滲流性態。