九泉水庫(kù)大壩防滲加固設(shè)計(jì)方案分析

李琳琳

（洛陽(yáng)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

1 工程概況

1.1 基本情況

九泉水庫(kù)位于黃河流域洛河支流瀍河中游，壩址位于洛陽(yáng)市孟津縣城關(guān)鎮(zhèn)九泉村，建于60 年代初期，2007 年進(jìn)行擴(kuò)建，擴(kuò)建后水庫(kù)控制流域面積50.5 km2，總庫(kù)容713.83 萬(wàn)m3，其中興利庫(kù)容258 萬(wàn)m3，死庫(kù)容82 萬(wàn)m3，灌區(qū)灌溉面積約為6000 畝，是一座以防洪灌溉為主，兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖、休閑游樂(lè)為一體的綜合利用的小（1）型水庫(kù)。

1.2 存在的問(wèn)題及加固的必要性

大壩壩體位于瀍河原河道砂卵石層上，筑壩時(shí)壩基截水槽并未伸入不透水層，水庫(kù)存在壩基滲漏問(wèn)題；2007 年孟西灌區(qū)工程僅對(duì)九泉水庫(kù)進(jìn)行了擴(kuò)容改造，抬高、培厚了壩體，并未針對(duì)水庫(kù)滲漏問(wèn)題進(jìn)行處理，至今大壩不能正常蓄水。

鑒于以上存在的問(wèn)題，水庫(kù)無(wú)興利效益，且存在影響孟津縣供水調(diào)節(jié)工程正常運(yùn)行以及下游人民的生命安全等問(wèn)題，對(duì)水庫(kù)除險(xiǎn)加固是十分必要的。

2 大壩防滲加固設(shè)計(jì)

2.1 水平防滲

針對(duì)九泉水庫(kù)存在問(wèn)題，受范圍限制，帷幕灌漿的方式無(wú)法做到不透水層，防滲效果不可靠。故為了達(dá)到最佳的防滲效果，采用水平防滲在庫(kù)區(qū)鋪設(shè)復(fù)合土工防滲膜，大壩上游庫(kù)區(qū)底部鋪設(shè)復(fù)合土工防滲膜，鋪設(shè)范圍順?biāo)鞣较蜓卦拥榔陆涤缮嫌螇文_鋪至大壩上游河底高程291.0 m 處，兩側(cè)與兩岸原狀岸坡連接，鋪設(shè)面積10 萬(wàn)m2。

土工膜鋪設(shè)范圍上游對(duì)瀍河主河槽進(jìn)行防滲處理，防滲處理長(zhǎng)度500 m。處理長(zhǎng)度由庫(kù)區(qū)鋪設(shè)土工防滲膜處起向上游沿主河槽按設(shè)計(jì)斷面護(hù)砌500 m，護(hù)砌斷面采用梯形斷面，底寬0.5 m，深1.0 m，底板厚0.2 m，兩岸邊坡厚0.12 m，邊坡坡比1∶1.5，護(hù)砌采用C20 砼。護(hù)砌底板及邊坡每6 m 設(shè)一道伸縮縫，縫寬2 cm，縫內(nèi)填閉孔低發(fā)聚乙烯板。

2.2 土工膜鋪設(shè)工藝

鋪設(shè)前先進(jìn)行地面處理，清除地面一切可能損傷土工膜的硬物，并對(duì)表層松散土層進(jìn)行壓實(shí)，壓實(shí)度不小于0.94；對(duì)周邊結(jié)合部位進(jìn)行處理，使土工膜與不透水基礎(chǔ)緊密聯(lián)結(jié)，徹底封堵滲漏進(jìn)口，截?cái)酀B漏通道。

鋪設(shè)時(shí)將卷成捆的土工膜沿壩坡由下而上縱向鋪放，展平四周邊緣保持整直，擠出膜內(nèi)空氣，避免產(chǎn)生小氣泡，同時(shí)周邊用梯形槽形式埋固好；鋪設(shè)時(shí)不能拉得太緊，要均勻的留有小褶皺，以保證反濾布本身良好的伸縮性，避免受壓破壞；鋪放面積是計(jì)算面積的110%，土工膜鋪好后，按一定方向順序同步前進(jìn)回填保護(hù)層，使膜內(nèi)空氣從膜底擠出，土工膜鋪設(shè)完成后在上方鋪設(shè)40 cm 厚粘土保護(hù)層；先回填防滑槽，再填坡面，邊回填邊壓實(shí)。

3 除險(xiǎn)加固后大壩滲流安全分析

3.1 大壩浸潤(rùn)線計(jì)算

水庫(kù)建成運(yùn)用沒(méi)有統(tǒng)計(jì)相關(guān)觀測(cè)資料，大壩浸潤(rùn)線及滲流量沒(méi)有資料可供參考利用。采用《水利水電工程設(shè)計(jì)計(jì)算程序集》土石壩設(shè)計(jì)軟件包土壩滲流計(jì)算程序?qū)Υ髩卧谂d利水位297.00 m、設(shè)計(jì)水位300.16 m、校核水位301.82 m，有限透水地基上的均質(zhì)土壩計(jì)算大壩浸潤(rùn)線。

大壩為有限透水地基上有棱體排水的均質(zhì)壩，上游壩坡簡(jiǎn)化為1∶2.75，下游邊坡簡(jiǎn)化為1∶2.25，壩體填土為低液限粘土，干密度為1.47 g/cm3，含水量為24.3%，內(nèi)摩擦角為18.1°，粘聚力為28.6 kPa，滲透系數(shù)取1.4×10-5cm/s。壩基透水層地質(zhì)分為兩層，上層為級(jí)配不良礫，滲透系數(shù)取7.37×10-2cm/s，平均厚度13 m。下層為礫巖，滲透系數(shù)取8.0×10-2cm/s，平均厚度18 m。因透水兩層地基滲透系數(shù)相近在5 倍以內(nèi)，可將壩基簡(jiǎn)化為一個(gè)透水層，厚度31 m，滲透系數(shù)取7.68×10-2cm/s。壩前復(fù)合土工膜防滲鋪蓋長(zhǎng)500 m。

由《水利水電工程設(shè)計(jì)計(jì)算程序集》土壩設(shè)計(jì)軟件包軟計(jì)算三種工況大壩浸潤(rùn)線，壩體浸潤(rùn)線計(jì)算圖見(jiàn)圖1～圖3，計(jì)算成果見(jiàn)表1。

圖1 興利水位297.00 m

圖2 設(shè)計(jì)洪水位300.16 m

圖3 校核洪水位301.82 m

表1 浸潤(rùn)線計(jì)算成果表（0+340）

大壩下游壩坡在高程284.30 m 以下設(shè)有排水棱體，高于正常蓄水位浸潤(rùn)線在下游壩坡最高滲出點(diǎn)2.3 m，符合規(guī)范要求。

3.2 大壩下游坡滲透出逸安全分析

3.2.1 出流坡降

由《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)手冊(cè)》（水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院編）式7-9-1 計(jì)算出流坡降:

式中：m2為邊坡系數(shù)，m2=2.75，J 為出流坡降。

計(jì)算結(jié)果為J=0.342。

3.2.2 允許坡降計(jì)算

（1）根據(jù)大壩土工試驗(yàn)結(jié)果可得管涌破壞臨界坡降：土體孔隙比e=0.865，聚力C=28.6 kPa，空隙率n==0.464，土粒比重Gs=2.71，土的干容重γd=1.47 t/m3。滲透破壞臨界水力坡降由《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》（水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院編）式3-3-10 計(jì)算：

式中：Gs 為土粒比重，Gs=2.71；n 為空隙率，n=0.464；J0為滲透破壞臨界水力坡降。

（2）流土破壞臨界坡降

粘性土臨界水力降按下式計(jì)算：

式中：Gs 為土的比重，Gs=2.71；n 為土的空隙率，n=0.464。

經(jīng)計(jì)算得Jcr=0.917。

流土破壞的允許坡降：

由上述計(jì)算可知，出滲坡降J=0.342 小于管涌破壞的允許坡降[J0]=0.590，故不會(huì)發(fā)生管涌破壞；出滲坡降J 小于流土破壞的允許坡降[J0]=0.458，所以大壩不會(huì)發(fā)生流土破壞。

由上述方法計(jì)算可知大壩除險(xiǎn)加固前：出滲坡降J=0.342小于管涌破壞的允許坡降[J0]=0.598，不會(huì)發(fā)生管涌破壞；出滲坡降小于流土破壞的允許坡降[J]=0.550，所以大壩也不會(huì)發(fā)生流土破壞。

4 除險(xiǎn)加固后壩體抗滑穩(wěn)定分析

4.1 計(jì)算工況與孔隙水壓力確定

根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合九泉水庫(kù)具體運(yùn)用情況，分析穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡，庫(kù)水位降落期的上游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全。

（1）對(duì)上游壩坡，分析水庫(kù)水位為1/3 壩高水位，壩體形成穩(wěn)定滲流；庫(kù)水位為興利水位，壩體形成穩(wěn)定滲流；庫(kù)水位為校核洪水位，壩體形成穩(wěn)定滲流；水位由校核水位驟降至興利水位，興利水位，遇地震幾種工況進(jìn)行壩體穩(wěn)定計(jì)算。

（2）對(duì)下游壩坡，庫(kù)水位為興利水位，壩體形成穩(wěn)定滲流；庫(kù)水位為校核水位，壩體形成穩(wěn)定滲流，興利水位，遇地震幾種工況進(jìn)行壩體穩(wěn)定計(jì)算，下游水位取地面高程。

4.2 計(jì)算參數(shù)

壩體土料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

大壩穩(wěn)定計(jì)算土體參數(shù)采用飽和固結(jié)快剪實(shí)驗(yàn)參數(shù)；對(duì)于浸潤(rùn)線以上的土體，采用濕容重；上下游靜水位以下的壩體，采用浮容重；浸潤(rùn)線以下、靜水位以上的土體，計(jì)算滑動(dòng)力時(shí)采用飽和容重，計(jì)算抗滑力時(shí)采用浮容重。

表2 壩體土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

4.3 計(jì)算結(jié)果及分析

大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用《水利水電工程設(shè)計(jì)計(jì)算程序集》土壩設(shè)計(jì)軟件包進(jìn)行計(jì)算。

簡(jiǎn)化畢肖普法分析時(shí)：正常運(yùn)行條件下，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)要大于1.25；非常運(yùn)行條件下，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)要大于1.15。各工況壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果表3。

表3 大壩除險(xiǎn)加固后穩(wěn)定分析計(jì)算成果表（0+340）

穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明：大壩除險(xiǎn)加固后在各種正常和非常運(yùn)行工況下安全系數(shù)均高于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)，大壩抗滑穩(wěn)定滿足要求。

5 結(jié)論

水庫(kù)防滲加固工程實(shí)施后，保守估計(jì)每年可以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益108.73 萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)效益，包括防洪、灌溉和水面效益，對(duì)類似水庫(kù)的防滲加固工程具有一定參考價(jià)值。

（1）防洪效益。確保水庫(kù)大壩安全運(yùn)行，保護(hù)下游地區(qū)人民生命。按水庫(kù)下游受損面積5000 畝地，500 元/畝；受損人口2000 人，3000 元/人；防洪年效益28.33 萬(wàn)元。

（2）灌溉效益。水庫(kù)灌溉面積6000 畝，按每畝增產(chǎn)150 kg糧食計(jì)算，則灌區(qū)可增產(chǎn)糧食90 萬(wàn)kg，糧食單價(jià)按1.6 元/kg計(jì)，則增產(chǎn)效益144 萬(wàn)元，按灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)為0.5 計(jì)，每年灌溉增產(chǎn)效益72 萬(wàn)元。

（3）水面效益。庫(kù)區(qū)正常蓄水位形成25.7 萬(wàn)m2水面面積，合385.5 畝，按照60%發(fā)展養(yǎng)殖水面計(jì)，為231.3 畝，按照90 kg/畝水面。扣除成本后，平均按5 元/kg 計(jì)算養(yǎng)魚(yú)獲得的凈效益，庫(kù)區(qū)年養(yǎng)魚(yú)凈效益為10.5 萬(wàn)元。分?jǐn)傁禂?shù)按0.8 計(jì)，水面年凈效益8.4 萬(wàn)元。