某中型水庫下游壩坡面滲漏處理措施探究

郭 龍

（甘肅大禹節水工程設計有限責任公司,甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

某中型水庫總庫容3878 萬m3,是一座以灌溉為主、兼顧防洪的Ⅲ等中型工程。水庫于1958 年動工興建,經過四期壩高加固后于1996 年完成現有規模,2003 年對水庫進行除險加固并通過驗收,至今運行狀況良好,2018 年完成安全評價,水庫為一類壩[1]。水庫于2020 年2 月23 日16 時30 分在庫水位1569.86 m（低于正常蓄水位0.03 m）下大壩后壩坡出現滲水,滲水位置分別位于壩軸線樁號壩橫0+153 m,高程1568.19 m和壩橫0+153 m,高程1568.86 m處,滲濕影響范圍順坡長1.0 m,寬0.5 m,經量測1#滲水點（壩軸線0+153 m,高程1568.19 m）位置為最大滲水點,最大滲出量為 8.73 L/s。針對本次滲水險情,國家水利部、省水利廳高度重視,省水利廳當即派出專家組現場查看研判險情,做出降低水位等應急措施,25 日開始,水庫因滲漏問題開始降水位運行,水位降至1569.50 m以下運行,壩后滲流量為7.48 L/s~6.19 L/s。根據水利部、省水利廳領導做出的批示,要求汛前必須將險情排除,完成應急處理。本文主要根據現場勘察及資料收集等,提出水庫的防滲應急措施。

2 大壩險情工程地質評價

大壩后壩坡出現滲水險情后,在壩頂中部布置3 個探坑（見圖1、圖2）,根據探坑揭示[2],表層10 cm為壩頂路面混凝土,中部填筑砂碎石厚約175 cm,下部上游側為混凝土或漿砌石（防浪墻基礎）,下游側為粉質壤土（壤土斜墻）,坑身及坑底未見裂縫,壤土斜墻頂部與防浪墻基礎頂面基本持平,防浪墻基礎寬約140 cm,為混凝土、漿砌石,防浪墻為混凝土結構,頂部寬約63 cm,墻底寬約80 cm,與基礎銜接部位局部殘留有約10 cm厚的砂碎石,透水性強,防浪墻里側局部澆有混凝土,水平厚度約40 cm,澆筑質量較差,錘敲易剝落。

圖2 防浪墻基礎探查情況

現場測量壤土斜墻頂面與防浪墻基礎頂面高程為1569.6 m~1569.7 m,1994 年水庫擴建后,壤土斜墻頂面設計高程為1569.9 m,根據大壩變形監測資料,1995 年~2017 年累計沉降在2 cm~23.5 cm之間,其中壩頂中部最大沉降23.5 cm,基本與本次探坑揭示的壤土斜墻頂面高程相吻合。2020 年2 月23 日水庫在正常蓄水位1569.89 m運行時,庫水位高于壤土斜墻頂面約20 cm~30 cm,庫水沿防浪墻底部約10 cm厚的砂碎石發生滲流,溢水點位于大壩中部壩后坡1566.66 m~1568.15 m高程附近,樁號0+153 處存在貫通滲漏通道。

3 方案比選

3.1 方案布置

根據壩頂細部結構原設計和現狀情況,應急處理布置擬定兩個方案[3]：方案一 是拆除壩頂原防浪墻、壩頂道路等,加高壤土斜墻、新建防浪墻、壩頂道路和電 纜溝等,典型橫斷面設計見圖3；方案二不拆防浪墻,只拆除壩頂道路等,加高壤土斜墻、新建壩頂道路和電纜溝等。

圖3 壩頂拆除典型橫剖面圖

圖4 壩頂新建典型橫斷面圖

3.2 方案比選

本文分別從工程地質、總體布置、施工和工程投資等方面進行方案比選。

（1）工程地質方面

兩方案壤土斜墻填筑高程相同,方案一拆除原漿砌石防浪墻并新建C25 鋼筋砼“L”型防浪墻,徹底解決了原防浪墻局部砂碎石透水通道問題,防浪墻底部與基礎可較好銜接；方案二不拆除原漿砌石防浪墻,原防浪墻局部砂碎石透水通道問題未得到根本解決,并且原漿砌石防浪墻與防滲體壤土斜墻未可靠銜接。從工程地質角度分析,方案一優于方案二。

（2）工程布置方面

兩方案防滲體頂高程相同。方案一新建C25鋼筋砼“L”型防浪墻,且與壤土斜墻緊密結合；方案二原漿砌石防浪墻基礎存在透水夾層,且澆筑質量較差,不滿足上述規范要求。從工程布置方面分析,方案一優于方案二。

（3）施工方面

兩方案施工條件基本相同,主體工程施工以及施工總體布置相差不大。方案一需要新建C25鋼筋砼“L”型防浪墻和上游拆除的漿砌石護坡；方案二不拆除防浪墻,但施工時需對防滲體與防浪墻接觸面做特殊處理（具有一定施工難度）,保證其與原防浪墻的緊密接觸。從工程施工方面分析,方案一略優于方案二。

（4）工程投資方面

根據兩方案主體建筑工程投資可知,方案一投資291.20 萬元,方案二投資131.36 萬元,方案二比方案一節省一次性投資159.84 萬元。由于原漿砌石防浪墻基礎存在透水夾層,且澆筑質量較差,并且建成后已運行二十幾年,方案二不拆除原漿砌石防浪墻,會埋下安全隱患,會造成二次修復或處理問題。綜上所述,從工程地質和工程布置方面考慮,方案一優于方案二,從施工角度看,兩方案大體相同,工程投資方案二優于方案一,但存在安全隱患,造成多次處理,投資疊加等問題,因此推薦方案一：拆除原漿砌石防浪墻方案。

3.3 應急處理設計

本次水庫大壩應急處理主要是對壩頂部分拆除重建。壩頂開挖至建基面,拆除防浪墻、壩頂道路等,加高粘土斜墻,新建C25 鋼筋砼“L”型防浪墻、壩頂道路和電纜溝等。

3.3.1 應急處理特征高程確定

（1）開挖面高程確定

開挖面高程的確定主要考慮兩個因素：一是現狀防浪墻底高程；二是現狀壤土斜墻頂高程。

本次處理要挖除防浪墻,至少要挖至現狀防浪墻底部。測得現狀防浪墻底高程為1569.30 m,考慮到探槽開挖的僅是局部位置,應按原設計開挖到1569.10 m 高程。

壤土斜墻頂部,至少要從現狀高程下挖一層,使新舊材料能更好結合。現狀壤土斜墻頂高程為1569.59 m,下挖一層的厚度可定義為30 cm或50 cm,則開挖面高程為1569.30 m或是1569.10 m。考慮施工因素,開挖面齊平比較合理,故開挖面高程確定為1569.10 m。

（2）壤土斜墻頂高程確定

防滲體頂高程的規范要求是不得低于正常運用的靜水位,應預留竣工后的沉降超高。

正常運用的靜水位在本工程中是指正常蓄水位,即1569.89 m,本次設計斜 墻頂部高出正常蓄水位的值取20 cm。

根據該水庫安全評價關于沉降變形的分析結論：“1995 年至今沉降呈現逐步收斂趨勢,目前沉降速率已小于1.0 mm/年”,原壩體的沉降很小,新填部分的厚度僅約1.0 m,竣工后沉降量不大,竣工后的沉降超高值取6 cm,壤土斜墻頂高程確定為1570.15 m。

（3）其他特征高程確定

本次應急處理水庫特征水位不變,對應壩頂高程、防浪墻頂高程等均維持原設計高程,壩頂高程1571.55 m,防浪墻頂高程1572.80 m。

3.3.2 壩頂構造設計

（1）壩頂寬度

壩頂寬度根據構造、施工、運行和抗震等因素確定為5 m,滿足交通、觀測等方面的要求。

（2）壩頂道路設計

壩頂道路采用現澆C20 砼,混凝土抗凍等級為F250,厚度0.25 m,每5 m 設置一道伸縮縫,縫寬2 cm,由高密度閉孔泡沫板填塞；壩頂排水設計壩頂道路向上游側排水,設計縱坡1%,新建防浪墻在壩頂處預埋排水管,排水管為DN100 鋼管壁厚=5 mm,設計縱坡3%。

（3）防浪墻設計

新建防浪墻總高3.75 m, 墻底設計高程1569.10 m,墻頂設計高程1572.80 m,高出壩頂1.25 m,防浪墻為現澆C25 鋼筋砼“L”型結構,頂寬0.50 m,基礎底寬1.95 m,混凝土抗凍等級為F250 ,抗滲等級W4,該水庫屬“4 A”級景區,壩頂以上部分采用仿石磚外墻面裝飾；防浪墻每10m設置一道伸縮縫,縫寬2 cm,伸縮縫止水采用652 型橡膠止水帶,伸縮縫由高密度閉孔泡沫板填塞,迎水面采用3 cm厚聚氯乙烯膠泥填充,止水帶向下伸至壤土斜墻0.5 m。

（4）電纜溝設計

為滿足大壩自動化監測需要,壩頂下游側新建0.6 m×0.6 m的現澆C 25 鋼筋砼電纜溝,混凝土抗凍等級為F250 ,底板和邊墻厚度為0.3 m,電纜溝蓋板為預制C25 鋼筋砼,板厚0.08 m,電纜溝每10 m設置一道伸縮縫,縫寬2 cm,伸縮縫由高密度閉孔泡沫板填塞,壩頂下游側設1.2 m高的不銹鋼欄桿。

（5）上下游壩坡恢復設計

根據壩頂拆除具體情況,需恢復上游M10 漿砌石護坡（高程1570.20 m以上）,厚度0.40 m,施工時應注意漿砌石護坡新舊結合面的處理,恢復下游干砌石護坡（高程1569.10 m以上）,厚度0.30 m。

（6）壩頂其他細部構造設計

應急處理壩頂開挖時,拆除上下游壩坡的8 個觀測墩,拆除時需對測壓管進行必要保護,并新建8 座現澆C20 砼觀測墩。為方便防浪墻頂檢修,壩頂設三處壩頂至防浪墻頂現澆C20 砼踏步,踏步尺寸長×高0.3 m×0.2 m,踏步寬0.8 m。

為保證大壩滲流監測的正常運行,清除壩后4 處測壓管的淤堵。

3.3.3 防滲體設計

本次應急處理防滲體采用壤土斜墻型式,頂高程確定為1570.15 m。防滲材料為壤土,防滲性能指標要求滲透系數不大于10-5cm/s,水溶鹽含量不大于3%（按質量計的）,有機質含量不大于2%,黏粒含量按15%~30%控制。塑性指標：塑性指數Ip=10~20,含水率按照最優含水率-2%~+3%范圍。本工程設計地震烈度為8 度,壤土填筑要求壓實度不低于98%。

3.3.4 反濾料和壩殼料設計

本次處理拆除了原防浪墻,擬填筑高程1569.10 m~1570.1 m的壤土斜墻,故涉及到原拆除上游壩坡反濾層的恢復和新填筑壤土斜墻下游側反濾層的設計。

兩處反濾層的厚度和設計坡比與原設計相同,上游側漿砌石護坡下設兩層反濾層,厚度分別為0.7 m（粒徑d=20 mm~150 mm）和0.73 m（粒徑d≤20 mm）,新填筑壤土斜墻下游側反濾層設計坡比1∶1.0,厚度為0.7 m（粒徑d≤20 mm）,反濾料中粒徑小于 0.075 mm的顆粒含量應不超過5 %。

本次應急處理壩殼料采用砂礫石填筑,要求砂礫石相對密度不低于0.75。

3.3.5 壩體與岸坡及其他建筑物的連接設計

開挖兩岸岸坡應清除表面松動石塊、凹處積土和突出的巖石,新建壤土斜墻和反濾層與兩岸開挖新鮮基巖面可靠連接,土質防滲體與兩岸巖石邊坡接觸處,在鄰近接觸面1.0 m范圍內,防滲體采用粘土,并且粘土應控制在略高于最優含水率情況下填筑,在填筑前用粘土漿抹面。

岸坡應大致平順,不應成臺階狀、反坡或突然變坡,岸坡上緩下陡時,變坡角應小于20°,巖石邊坡不宜陡于1∶0.5,岸坡應保持施工期穩定。

4 結論及建議

通過大壩險情勘察、觀測資料分析,采取拆除壩頂道路、防浪墻,挖除現狀防滲體頂面以上的填筑砂碎石,開挖面以上填筑壤土斜墻、砂碎石,壤土斜墻頂 面高于正常蓄水位,并預留竣工后的沉降超高,同時新建防浪墻擴大基礎,并做 好防浪墻底部與基礎的銜接等措施,有效解決了水庫下游壩坡滲漏險情甚至由此可能造成的不可估量的損失,挽救了下游人民的生命及財產安全。