水利工程施工中堤壩防滲加固技術(shù)探究

聶玉鋒

（澠池縣水利局,河南 澠池 472400）

1 工程概況

三門峽市澠池縣吳窯頭水庫(kù)位于澠池縣英豪鎮(zhèn)吳窯頭村西300 m處,澗河二級(jí)支流上,壩址以上控制流域面積6.8 km2,河道長(zhǎng)度3.36 km,河道比降0.0324。現(xiàn)狀總庫(kù)容40.71 萬(wàn)m3,興利庫(kù)容11.58 萬(wàn)m3,死庫(kù)容0.54 萬(wàn)m3。設(shè)計(jì)灌溉面積600畝。是一座以防洪為主,兼顧灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的小（2）型水庫(kù)。

該水庫(kù)的大壩主要是均質(zhì)土壩,當(dāng)中的填土主要以低液限粘土為主,壓實(shí)度相對(duì)較低,整體質(zhì)量較差,而且在壩體上游具有大量不規(guī)則的邊坡,邊坡上的植被雜草叢生,而下游區(qū)域沒(méi)有合理地進(jìn)行排水系統(tǒng)的構(gòu)建,在壩體的左側(cè)有溢洪道,屬于典型的敞開(kāi)式溢洪道,沒(méi)有對(duì)溢洪道進(jìn)行襯砌。輸水洞也主要由斜臥管和平洞組成,斜臥管已經(jīng)由于年久失修,已無(wú)法使用。

相對(duì)于混凝土壩,土石壩工程經(jīng)濟(jì)性較高,但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一定的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前我國(guó)出現(xiàn)的潰壩當(dāng)中,有98%是土石壩,其病害問(wèn)題會(huì)對(duì)大壩的正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響,因此需要合理地對(duì)水庫(kù)大壩安全鑒定方法進(jìn)行應(yīng)用,對(duì)大壩滲漏的具體原因進(jìn)行分析,與實(shí)際情況相結(jié)合進(jìn)行勘測(cè)和安全復(fù)核,并且采取合理的措施對(duì)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固,以保證大壩具有正常的防洪能力和蓄水?dāng)r截能力。

2 問(wèn)題分析

該水庫(kù)存在主要問(wèn)題如下：

（1）水庫(kù)防洪能力無(wú)法達(dá)到國(guó)家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-94）要求,在應(yīng)用過(guò)程中有很大的隱患。

（2）大壩抗滑穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求,尤其是上游位置,沒(méi)有依照規(guī)范建立護(hù)坡,下游區(qū)域的壩坡沒(méi)有形成排水設(shè)施；溢洪道無(wú)法形成完善的護(hù)砌,沖刷的情況非常嚴(yán)重,出口位置沒(méi)有形成消能設(shè)施,不能實(shí)現(xiàn)安全泄洪；輸水建筑物閘門缺失,斜臥管管壁裂縫,漏水嚴(yán)重,平管淤積堵塞。

（3）壩體填筑質(zhì)量差,壩體、壩基滲透比降均大于允許值,壩后河槽有滲流,左壩基肩有明顯散漫現(xiàn)象。大壩滲透系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

（4）大壩無(wú)監(jiān)測(cè)、管理設(shè)施。為排除大壩險(xiǎn)情,使水庫(kù)充分發(fā)揮效益,澠池縣水利局委托三門峽市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司對(duì)該水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)[1]。

3 加固處理前安全復(fù)核

3.1 計(jì)算指標(biāo)

為能夠了解不同載荷條件下壩體的穩(wěn)定性,為該水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固提供數(shù)據(jù),在此過(guò)程中通過(guò)Spencer法來(lái)全面對(duì)壩體的穩(wěn)定性進(jìn)行符合。在實(shí)踐操作中依照河南省水利勘測(cè)總隊(duì)提交的相關(guān)資料,并且與碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求結(jié)合。本次選擇的安全復(fù)合力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 穩(wěn)定計(jì)算采用指標(biāo)表

3.2 計(jì)算方法

對(duì)二維滑坡問(wèn)題進(jìn)行分析,在土體當(dāng)中,巖土參數(shù)是沿著滑裂線擾動(dòng)的量,在設(shè)計(jì)方面可以對(duì)其進(jìn)行模型化,使之成為沿曲線擾動(dòng)的隨機(jī)場(chǎng)。通過(guò)該理論進(jìn)行推廣,使隨機(jī)場(chǎng)逐步推廣到曲面,就可以快速的對(duì)各維度空間當(dāng)中各向異性巖土參數(shù)的變化和分布問(wèn)題進(jìn)行了解,在實(shí)踐當(dāng)中設(shè)α（x,y）為二維連續(xù)平穩(wěn)隨機(jī)場(chǎng),并且設(shè)定m和σ為均值和方差,在實(shí)踐當(dāng)中需要滿足y=f（x）并且將α（x,y）等于離散為隨機(jī)數(shù)值。局部平均隨機(jī)場(chǎng)為：

式中：Li是單元i的長(zhǎng)度。

任意兩單元i、j間的協(xié)方差為：

當(dāng)i=j時(shí)i單元的方差,i單元任意一點(diǎn)到j(luò)單元任意一點(diǎn)間的水平距離：

它們的垂直距離為：

ρ（r,z）是典型的隨機(jī)數(shù)相關(guān)量,在隨機(jī)數(shù)相關(guān)量計(jì)算過(guò)程中, ρ（r,z）隨機(jī)場(chǎng)的互相關(guān)函數(shù)通過(guò)優(yōu)化算法來(lái)對(duì)可靠性指標(biāo)進(jìn)行取值,在計(jì)算過(guò)程中各變量都需要符合正態(tài)分布。如果屬于非正態(tài)分布,還需要注意將其當(dāng)量正態(tài)化[2]。可靠度指標(biāo)（安全系數(shù)）即為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)空間坐標(biāo)系中,坐標(biāo)原點(diǎn)到極限狀態(tài)曲面上的最短距離,亦即原點(diǎn)到極限狀態(tài)曲面上點(diǎn)切平面法線上的長(zhǎng)度。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

表2 水庫(kù)安全復(fù)核結(jié)果

4 壩體防滲加固

壩基河槽處為第四系全新統(tǒng)含礫低液限粘土、低液限粘土,含礫層滲透系數(shù)為2.51×10-3cm/s,屬中等透水性,低液限粘土滲透系數(shù)為3.87×10-5cm/s~8.74×10-5cm/s,具弱~微透水性。水庫(kù)大壩初建時(shí),雖然對(duì)壩基含礫層做了截水槽開(kāi)挖處理,但是沒(méi)有把整個(gè)含礫層挖透,仍有部分在具中等透水性的含礫低液限粘土上,沒(méi)有切斷滲漏通道,現(xiàn)場(chǎng)核查發(fā)現(xiàn)壩基中部有明顯滲漏。

左壩肩553 m~537 m高程附近表層土質(zhì)較疏松,具大孔隙,含砂量較高,粘粒含量偏低,滲透系數(shù)3.4×10-4cm/s,具中等透水性,整體上左壩肩工程地質(zhì)性質(zhì)較差,大壩左岸坡腳處及壩基中部有漏水點(diǎn),壩下游河床濕軟,有滲水現(xiàn)象,水位高時(shí)漏水量較大。卵石滲透變形破壞為管涌。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及地質(zhì)報(bào)告,本次設(shè)計(jì)對(duì)左壩肩防滲處理采用粘土換填的方式。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖實(shí)際情況及地質(zhì)報(bào)告。粘土換填范圍自大壩樁號(hào)0+075 沿壩頂路向西20 m,底部高程554 m,頂高程557 m,防滲槽底寬3 m,兩側(cè)邊坡1∶1。防滲槽施工完畢后,恢復(fù)原壩坡,表層用質(zhì)量比1∶10 的水泥土硬化30 cm厚,并與上游砼護(hù)坡連接。施工時(shí)應(yīng)在滲漏通道上游側(cè)設(shè)排水基坑,以方便施工[3]。

5 加固后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

依照碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范的具體要求對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,與水壩壩型結(jié)構(gòu)體型結(jié)合來(lái)進(jìn)一步分析計(jì)算滲流量。水庫(kù)均質(zhì)土壩在防滲處理之后,滲流量為0. 53 m3/（d·m）,最大滲透比降為3. 55,符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)分析研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)防滲加固處理后,壩體具有較好的滲流效果,穩(wěn)定性較高。

為確保土石壩的運(yùn)行工況穩(wěn)定,具有較強(qiáng)的抗滑穩(wěn)定性,依照?qǐng)A弧滑動(dòng)法來(lái)計(jì)算大壩的整體抗滑穩(wěn)定性。在此過(guò)程中,修復(fù)處理后,各工況組合條件下安全系數(shù)較高,符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

在水庫(kù)防滲加固竣工后,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)壩體防滲加固修復(fù)質(zhì)量達(dá)到100%,而且粘土具有較好的防滲性,能夠適應(yīng)較大的應(yīng)變,可以使大壩的防洪系數(shù)和整體防滲能力大幅度提高。在進(jìn)行修復(fù)處理之后,各工況條件均符合安全系數(shù)要求[4]。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之,在水利工程建設(shè)和管理過(guò)程中,加強(qiáng)大壩防滲加固具有非常重要的意義,當(dāng)前防滲加固技術(shù)多種多樣,施工單位需要與實(shí)際情況相結(jié)合,合理的分析防滲加固技術(shù),以此為基礎(chǔ)逐步加強(qiáng)防滲體系的構(gòu)建,確保水利工程防滲參數(shù)符合規(guī)范要求。