水庫(kù)壩基防滲加固方案的選擇

趙德亮

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

該水庫(kù)是新疆境內(nèi)的一座中型平原水庫(kù)，主要以灌溉為主，兼顧漁業(yè)、旅游業(yè)。擴(kuò)建后的水庫(kù)其設(shè)計(jì)庫(kù)容5800萬(wàn)m3，死庫(kù)容175萬(wàn)m3；正常蓄水位1024.30 m，死水位1019.70 m，控制灌溉面積2.67萬(wàn)hm2，可改善灌溉面積4.67萬(wàn)hm2。水庫(kù)主要建筑物由進(jìn)水閘、引水渠、大壩、泄水閘、泄水渠等部分組成。大壩壩線總長(zhǎng)12.4 km，壩頂寬6.0 m，最大壩高8.7 m，大壩上游壩坡坡比為1∶3，下游壩坡坡比為1∶2.5；泄水閘為3孔涵洞鋼筋混凝土閘，位于大壩6+355 m處，閘室總寬9.3 m，總長(zhǎng)28.2 m，閘孔過(guò)水寬度2.0 m×3.0 m，孔口凈高1.9 m，最大過(guò)水流量25 m3/s；進(jìn)水閘、分水閘位于大壩0+000 m總干渠上，由總干渠分水至水庫(kù)，設(shè)計(jì)流量均為15 m3/s，進(jìn)水閘與分水閘夾角44°，各1孔，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

水庫(kù)運(yùn)行至今已多年，現(xiàn)狀水庫(kù)大壩3+338～4+988 m段在水庫(kù)蓄水時(shí)滲漏嚴(yán)重，壩后管涌、滲積水嚴(yán)重，使水庫(kù)未能達(dá)到設(shè)計(jì)庫(kù)容，僅保持4000萬(wàn)m3的安全蓄水量，建筑物不能正常運(yùn)行，整個(gè)灌區(qū)的調(diào)蓄水任務(wù)不能滿足，且下游灌區(qū)及人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)受到威脅。為解決以上問(wèn)題并使水庫(kù)恢復(fù)原設(shè)計(jì)庫(kù)容5800萬(wàn)m3，對(duì)大壩3+338～4+988 m段進(jìn)行防滲加固，以保證大壩的安全運(yùn)行，改善灌區(qū)條件，發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，保證“棉花基地”建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施。

2 滲漏的類型及原因分析

2.1 滲漏類型

土壩滲漏的類型有：壩體滲漏、壩基滲漏、繞壩滲漏[1]，本水庫(kù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘及運(yùn)行管理人員介紹，主要為壩基滲漏，根據(jù)勘探資料顯示(樁號(hào)3+338～4+988 m)壩基地層巖性以粉土質(zhì)砂為主，粉細(xì)砂次之、局部夾低液限黏土透鏡體，表層細(xì)砂厚度1.5～2.5 m，粉土質(zhì)砂厚約5.5～6.5 m，土黃色，飽和，松散-稍密。根據(jù)滲透變形判定，壩基粉土質(zhì)砂的破壞形式為管涌型，粉細(xì)砂為流土型，經(jīng)計(jì)算，確定得出壩體土允許坡降為0.44；壩基土允許坡降為0.18。

2.2 從該壩段防滲措施角度分析

根據(jù)水庫(kù)大壩歷次加固后，各壩段在壩后不加蓋重的情況下，下游均存在局部滲水的現(xiàn)象，在大壩壩后加蓋重后，壩后滲水現(xiàn)象消失，但壩段3+338～4+988 m段，壩基未做防滲處理，壩后未進(jìn)行加蓋重處理，因此，下游滲漏的問(wèn)題依然存在。

2.3 滲漏量計(jì)算

根據(jù)壩基滲漏計(jì)算，按水庫(kù)高水位年運(yùn)行180 d 考慮，該段壩基年滲漏量16.03萬(wàn)m3/a，滲漏較為嚴(yán)重，建議對(duì)該段壩基進(jìn)行防滲處理，減少滲漏的同時(shí)消除壩后滲透破壞現(xiàn)象。

2.4 理論計(jì)算分析

(1)計(jì)算方法。對(duì)壩體3+338～4+988 m段進(jìn)行滲透穩(wěn)定分析，計(jì)算采用河海大學(xué)編制的滲流穩(wěn)定分析軟件(AutoBANK6.1)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)狀實(shí)際壩體穩(wěn)定滲流期流網(wǎng)圖

(2)計(jì)算斷面。此段壩頂高程1027.20 m，上游壩坡為混凝土板+復(fù)合土工膜。

(3)計(jì)算工況。計(jì)算工況：上游正常蓄水位1024.30 m相應(yīng)下游水位穩(wěn)定滲流期。

(4)計(jì)算參數(shù)。壩體主要材料各分區(qū)滲透系數(shù)取值根據(jù)《水庫(kù)初步設(shè)計(jì)報(bào)告》、水庫(kù)施工資料并參考類似工程確定，大壩滲流計(jì)算主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 滲流計(jì)算主要參數(shù) cm·s-1

(5)計(jì)算結(jié)果。滲流穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 滲流穩(wěn)定計(jì)算成果

經(jīng)滲流計(jì)算分析見(jiàn)表2，該壩段下游壩坡出逸比降0.232，小于允許的破壞比降0.440，下游壩基出逸比降0.199，大于允許的破壞比降0.180，因此壩體滿足滲透穩(wěn)定要求，壩基現(xiàn)狀不滿足滲透穩(wěn)定要求。經(jīng)理論分析，壩體防滲設(shè)施不完備，導(dǎo)致壩基出逸比降大于規(guī)范允許值，滲漏量偏大。

3 防滲加固方案的選擇

水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固工程中常用防滲技術(shù)主要有：高壓噴射灌漿處理技術(shù)、混凝土防滲墻技術(shù)、復(fù)合土工膜防滲處理技術(shù)[2]、水平鋪蓋土工膜防滲方案、壩后加蓋重防滲方案。結(jié)合水庫(kù)實(shí)際情況本次壩基防滲處理選用方案一水泥土攪拌樁防滲墻垂直防滲、方案二水平鋪蓋土工膜防滲方案及方案三壩后加蓋重防滲方案，對(duì)這三種方案進(jìn)行適用條件、防滲效果、施工條件、工程占地、工程量及工程投資等多方面的綜合比較，選擇最優(yōu)的防滲加固處理措施。

本次在壩體樁號(hào)3+338～4+988 m段兩側(cè)各加寬100 m即3+288～5+080 m段進(jìn)行防滲加固處理。

3.1 方案一：水泥土攪拌樁防滲墻垂直方案

(1)結(jié)構(gòu)形式。本次水泥土攪拌樁防滲墻軸線位于3+288～5+080 m段混凝土阻滑墻上游側(cè)6.0 m，防滲墻厚度采用0.3 m，深入壩基以下8.0 m。防滲墻頂設(shè)C25F200W6混凝土梁帽，C25混凝土梁帽寬1.0 m，厚0.8 m，防滲墻嵌入混凝土梁帽0.5 m，土工膜錨入梁帽中。

(2)施工技術(shù)。水泥土攪拌樁防滲墻是用水泥作為主固化劑，通過(guò)特質(zhì)的深層攪拌樁機(jī)械設(shè)備在地層深處將固化劑與原軟土層強(qiáng)制拌合以加固軟弱地基，具有防滲加固效果好、工程造價(jià)低、適用地層廣泛、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 方案二：上游壩坡腳設(shè)置土工膜水平鋪蓋方案

土工膜防滲設(shè)計(jì)也是當(dāng)前中小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固防滲處理常用方法[3]。

(1)結(jié)構(gòu)形式。在大壩3+338～4+988 m段上游側(cè)加寬100 m，即3+288～5+080 m段壩前設(shè)置土工膜水平鋪蓋，鋪蓋長(zhǎng)度50 m，土工膜上利用開(kāi)挖土料做為壓重，壓重厚度1.0 m。復(fù)合土工膜采用兩布一膜(150 g/m2+0.5 mm+150 g/m2)。新土工膜采用鉚接方式與阻滑墻連接。

(2)施工技術(shù)。施工要求的工作面最寬，要利用低水位(庫(kù)水位小于1022.10 m)并在庫(kù)內(nèi)修建臨時(shí)圍堰進(jìn)行導(dǎo)水，進(jìn)行施工，且施工工藝簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量易控制。

3.3 方案三：下游壩坡腳設(shè)置蓋重方案

(1)結(jié)構(gòu)形式。在大壩3+338～4+988 m段壩后增設(shè)40 m寬的壩后壓重(底層設(shè)有50 cm厚砂礫石透水料，其表層為1.6 m厚的風(fēng)積砂料)。

(2)施工技術(shù)。壩后只進(jìn)行透水料及現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)積砂料進(jìn)行填筑即可，施工工藝簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量易控制。

3.4 方案比選

在壩段3+338～4+988 m，對(duì)以上三種處理方法，從適用條件，防滲效果、施工條件、工程占地及工程投資等幾個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，見(jiàn)表3。

表3 基礎(chǔ)防滲加固方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

方案一:水泥土攪拌樁防滲墻方案。懸掛式防滲，施工受庫(kù)水位影響小，施工速度快，在新疆工程實(shí)例較多，防滲效果較好，施工時(shí)質(zhì)量控制難度較大，投資較大。

方案二:壩前設(shè)置土工膜水平鋪蓋方案。施工受庫(kù)水位影響稍大，施工時(shí)質(zhì)量缺陷易檢查，施工速度快，技術(shù)較簡(jiǎn)單，投資小。

方案三:下游壩坡腳設(shè)置蓋重方案。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查下游40 m范圍(水庫(kù)管理范圍內(nèi))已被耕地、林地占用，水庫(kù)大壩管理范圍內(nèi)基本農(nóng)田(約6 hm2)的置換工作較難實(shí)施，結(jié)合水庫(kù)實(shí)際情況，在該壩段采用壩后蓋重處理方案實(shí)施困難。其施工直接投資最小，但占地補(bǔ)償費(fèi)巨大。

綜上，從施工條件及效果、占地補(bǔ)償、工程投資等方面綜合分析比較，本次選用方案二壩前設(shè)置土工膜水平鋪蓋作為推薦方案。

4 加固方案滲流穩(wěn)定計(jì)算分析

(1)計(jì)算工況。上游正常蓄水位1024.30 m相應(yīng)下游水位穩(wěn)定滲流期，進(jìn)行滲透穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 上游壩坡腳設(shè)置土工膜水平鋪蓋穩(wěn)定滲流期流網(wǎng)圖

(2)計(jì)算方法。滲透穩(wěn)定計(jì)算采用河海大學(xué)編制的滲流穩(wěn)定分析軟件(AutoBANK6.1)進(jìn)行計(jì)算。選取典型斷面進(jìn)行滲流計(jì)算。

(3)計(jì)算參數(shù)。壩體主要材料各分區(qū)滲透系數(shù)取值根據(jù)《水庫(kù)初步設(shè)計(jì)報(bào)告》、水庫(kù)施工資料并參考類似工程確定，大壩滲流計(jì)算主要參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)地質(zhì)資料，所選斷面壩體土的滲透破壞類型為流土，壩基土的滲透破壞類型為管涌，經(jīng)計(jì)算其允許滲透比降為：壩體0.44、壩基0.18。

(4)計(jì)算結(jié)果。見(jiàn)表4。

表4 方案二滲流穩(wěn)定計(jì)算成果

(5)計(jì)算分析。通過(guò)滲流計(jì)算可以看出，設(shè)計(jì)方案下游壩坡坡腳最大破壞比降均小于允許的破壞比降0.44，壩基最大破壞比降均小于允許的破壞比降0.18，壩體、壩基滿足滲透穩(wěn)定要求，因此選擇上游水平鋪膜方案，滲流穩(wěn)定方式均滿足要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

在水庫(kù)的防滲加固設(shè)計(jì)時(shí)，要針對(duì)水庫(kù)的具體情況，諸如滲透穩(wěn)定及現(xiàn)場(chǎng)滲漏量等情況選擇合適的防滲加固方案，本文經(jīng)過(guò)方案比選最終選定土工膜水平鋪蓋方案，加固后壩基防滲效果顯著，滿足設(shè)計(jì)要求，最終使水庫(kù)安全運(yùn)行，發(fā)揮調(diào)蓄水的作用。