新屋居水庫防滲加固設計方案研究

鄔建江

(進賢縣河道堤防安全保障中心，南昌 331799)

0 引 言

防滲加固技術對消除水庫安全隱患，提高防洪安全儲備，發揮老舊水庫綜合效益，增強水資源調蓄保障能力具有重要意義[1]。滲透穩定是否達標關系到水庫的安全運行。文章通過對新屋居水庫滲流穩定除險加固設計，從滲流安全評價，加固方案設計、效果評價等方面進行了全過程分析總結，可以推廣應用。

1 工程概況

新屋居水庫位于江西省南昌市進賢縣鐘陵鄉，歸屬軍山湖水系，壩址以上控制流域面積為2.43km2，主河道長為2.25km，主河道坡降0.0744，是一座以灌溉為主，同時兼顧防洪、養殖等綜合效益的小(1)型水庫。水庫下游有龍泉村的12個自然村，水庫灌溉面積133.33hm2，保護區人口達0.3萬人。

由于前期壩體填土未能碾壓合格，土料均一性差，結構較松散，空隙發育，密實度差，滲透性為強透水。同時，建壩時清基不徹底，壩基下存在接觸滲漏。水庫蓄水期壩腳有明顯滲水，水位稍高外壩腳便出現明顯滲漏。多年來水庫只能低水位運行，安全隱患仍未消除。

2 壩體滲流安全評價

2.1 計算斷面

計算分析采取橫剖面上的二維有限元滲流計算。綜合考慮地形、地質、壩高等因素，選擇最高壩段作為滲流計算的典型斷面，并進行適當簡化，其計算分區見圖1。

圖1 滲流計算斷面及土層分區

壩體分為壩體填土層、壩其土層及壩基巖層等滲流計算分區，各分區滲透系數取值列于表1。

表1 新屋居水庫大壩土料滲透系數取值表

壩體填土允許滲透坡降為：I允=0.39，壩殼耕植土填土允許滲透坡降為：I允=0.5，壩基粉質黏土填土允許滲透坡降為I允=0.5。

2.2 計算模型

對于符合達西定律的二向均質以及各向同性土體的滲流，當土體完全固結時，其水頭函數符合拉普拉斯方程式：

(1)

與之相應的定解條件為：

初始條件：h1=0=h(x,z,0)。

邊界條件:水頭邊界：h1=t1=h(x,z,t)

2.3 計算工況

土壩滲流計算應考慮水庫運行期間出現的不利情況，選擇以下水位組合：①上游正常蓄水位與下游相應水位；②上游設計洪水位與下游相應水位；③上游校核洪水位與下游相應水位。

2.4 計算結果

按不同的工況條件組合進行計算，繪制各種工況下的滲流流網圖，其結果為：當上游水位為正常蓄水位32.80m、設計洪水位33.60m、校核洪水位33.97m時，大壩滲流浸潤線及等勢線圖見圖2-圖4。

圖2 正常水位大壩滲流浸潤線及等勢線圖

圖3 設計水位大壩滲流浸潤線及等勢線圖

圖4 校核洪水位大壩滲流浸潤線及等勢線圖

2.4.1 整體安全分析

根據大壩滲流安全分析，在各種計算工況條件下穩定滲流期，大壩的浸潤線位置偏高，浸潤線從壩體填土中出逸。從水庫實際運行情況來看，外壩坡滲流也從壩體填土中逸出，與滲流計算結果基本一致，在水庫蓄水后，在大壩的左側及外部，存在大面積集水現象，集水面積達10m2以上。大壩設置了均質，但均質厚度不滿足要求，均質的滲透系數也>1×10-4cm/s，不滿足規范要求，基礎為弱透水，大壩總體上存在滲流安全隱患。

2.4.2 局部安全分析

在各種計算工況條件下的穩定滲流中，壩體均質的最大坡度、壩基最大坡度和出口最大坡度均大于允許的滲透坡度。因此，均質、壩基和壩體在無保護的情況下可能會受到因土體流動而造成的破壞。

2.4.3 出滲口安全問題

大壩的滲流出口不安全。水庫上游正常蓄水位以下2.0m未進行護坡，對上游坡的水位降落期滲流穩定不利。

3 防滲加固方案

根據滲流計算結論，完善壩體的防滲體系是大壩除險加固處理的主要任務之一。根據本工程的實際情況和現階段土壩加固處理方法、習慣，結合新屋居水庫大壩上游壩坡的現狀情況，大壩防滲加固措施方案考慮斜墻方案和沖挖套管井心墻方案。以下為兩種加固方案的壩體防滲處理措施的對比。

3.1 斜墻方案

采用在大壩上游面清除淤泥和護坡砌體，加設防滲黏土斜墻。因斜墻底部礫質粉質壤土為中等透水層，需開挖該層，設置黏土截水槽。截水槽深約3-5m，底寬3m。上游面清除理至壩基表層礫質粉質壤土中等透水層底面以下1m，設置黏土截水槽后鋪筑防滲黏土斜墻，斜墻與下游壩體接觸位置設反濾過渡層，上游亦設置斜墻保護層。

3.1.1 墻體材料及防滲墻厚度

斜墻采用黏土填筑，其滲透系數要求比原壩土料滲透系數小兩個數量級以上。原壩體滲透系數為1.24×10-3cm/s，設計要求新設斜墻滲透系數K≤1×10-5cm/s。黏土斜墻頂部的水平寬度取1.0m，斜墻底部厚度則根據土料允許滲透坡降而定。

3.1.2 施工工藝流程

先將上游壩坡的護坡拆除，清除原壩坡面20cm厚的表層土，并隨著分層填土的同時，將原坡面分層耙松10-15cm，斜墻土料采用振動碾壓實，使新筑斜墻與原壩填土接合良好，斜墻填筑到壩頂為止，高程34.5m。斜墻上游面鋪設厚10cm砂礫保護層，然后10cm厚干砌塊石護坡。

3.1.3 主要工程量

采用本方案開挖斜墻底部及坡面表層壤土25339.96m3，填筑黏土斜墻及黏土截水溝32793.83m3。上游預制塊護坡拆除685.73m3，斜墻下游過渡層填筑4516.14m3。

3.1.4 斜墻方案特點

黏土斜墻方案的主要優點是施工作業簡單，不需專業施工力量，缺點是土方開挖和防滲黏土回填量大，施工容易受氣候條件影響，雨季施工難度大。

3.2 沖抓套井回填黏土心墻方案

在壩軸線上鉆孔到防滲層以下0.5m，回填黏土，進行夯實，進行套孔作業施工，在整個壩軸線上形成連續防滲墻。

3.2.1 防滲范圍

根據規范要求，防滲墻頂高確定為34.20m，底部延伸至壩基防滲層以下0.5m，墻底最小高度為24.52m，最大墻體深度約為9.7m。

3.2.2 墻體材料及防滲墻厚度

防滲墻體材料為黏土，要求K≤n×10-6cm/s，在夯實時保證在最佳的含水量下進行。考慮成墻工藝和已建類似工程經驗，共布置一排孔，抓孔直徑1.1m，孔距0.78m，可得墻厚0.78m。

3.2.3 防滲心墻施工工藝流程

施工程序為：壩頂清理平整→布孔→安機→造孔→清理→回填夯實→質量檢查。施工時先將壩頂清理平整，造孔時，先鉆1號和3號主孔，回填后鉆2號套筒孔，回填2號套筒孔后鉆5號孔，回填后鉆4號孔。按此順序，交錯開孔以進行制孔和回填。

3.2.4 工程量

經過計算，沖抓套管孔形成的黏土心墻共計4582m，沖抓套管孔形成的心墻面積331m2，沖抓套管孔填充黏土量4353m3。

3.3 防滲方案對比和確定

從施工條件來看，斜墻方案施工最為簡單，防滲施工質量顯著，但黏土挖填量大和回填多，受天氣條件影響明顯，雨季施工難度大。沖抓回填黏土心墻方案施工技術成熟，黏土需求可控，但施工要求高。當孔深超過20m時，鉆孔困難，質量難以控制。組合防滲方案則兼顧了兩個方面的優點，避害趨利，特別是既用斜墻加寬了壩頂又減少了壩腳部位的較大土方的開挖和圍堰工程量，降低了天氣對施工的影響。從工程造價來看，斜墻方案的造價與沖抓心墻方案造價相接近，采用組合防滲方案造價較低。因此，本著“因地制宜，就地取材，技術可靠，經濟合理”的原則，首先推薦新屋居水庫大壩防滲采用沖抓直墻防滲方案。

3.4 加固方案效果復核

計算工況按以下要求進行，計算方法同上，大壩加固后滲流穩定計算結果見圖5-圖7以及表2。

表2 大壩加固后滲流穩定計算結果表

圖5 上游正常蓄水位32.80m滲流圖

圖6 上游設計洪水位33.60m流網圖

圖7 上游校核洪水位33.97m滲流流網圖

1)上游正常蓄水位32.80m與下游地面高程；2)上游設計洪水位33.60m與下游地面高程；3)上游校核洪水位33.97m與下游地面高程。

根據計算結果，大壩加固后，下游壩趾的地面出逸坡降和滲流量大大減小，浸潤線也大大減小，這對大壩的滲流穩定和下游壩坡的抗滑穩定非常有利，且防滲墻出逸坡降均<允許值6，貼坡排水出口坡降也<允許值0.41，加固方案達到了設計要求。

4 結 語

文章根據新屋居水庫壩型特點和填筑土體參數，結合滲流穩定評價結論，從施工方案、填筑工程量、施工條件等方面系統分析了防滲加固設計方案，同時，對最終采用的加固方案予以復核計算論證。結果表明加固方案效果顯著，取得了預期結果。