超美水庫除險加固工程的大壩防滲

宋 翼，宋 偉

（常德市水利水電勘測設計院，湖南 常德 415000）

水庫是我國國民經濟發展以及人們日常生活生產順利進行的重要保障，做好病險水庫的除險加固具有十分重要的意義。病險水庫除險加固工作是一項長期的工作，但如何有效準確地進行大壩的安全診斷，做到除險加固工作效益的最大化是一個難題[1～2]。

超美水庫建成運行70多年，為下游兩岸防洪保安，人民安居樂業，促進當地經濟發展，發揮了極其重要的作用，但工程所存在的病險嚴重威脅水庫大壩運行安全，因此，盡快對超美水庫進行除險加固是十分必要的。

1 工程概況

超美水庫位于常德市鼎城區南部，地處沅水支流水溪河水系，控制集雨面積44 km2，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發電、旅游等綜合利用的中型水利工程。水庫設計灌溉面積0.617萬畝，總庫容2 596.7萬m3，工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型，主要建筑物級別為3級，水庫樞紐由大壩、溢洪道、輸水隧洞、麻家溪隧洞四大部分組成，其中，水庫大壩為粘土斜墻土石混合壩，最大壩高38.5 m，壩頂高程129.50 m，面寬5 m，壩頂軸長220 m。超美水庫按100年一遇設計，1 000年一遇校核，水庫于1958年9月動工興建，1960年2月基本建成。

經安全技術鑒定，超美水庫定為三類壩。大壩主要病險問題：大壩粘土斜墻與堆石體交界面無反濾層，滲透坡降大于允許坡降，滲流控制體系不健全，不滿足滲流安全，左壩基壩肩滲漏嚴重；護坡有下滑跡象，局部隆起，頂部與防浪墻交接部位變形開裂。大壩批復建設內容：對大壩左壩基壩肩帷幕灌漿及壩身高壓旋噴灌漿、上游壩坡復合土工膜防滲；上游壩坡預制六方塊護坡；重建防浪墻及壩頂硬化；下游壩坡整形、草皮護坡，壩面排水設施翻修，新建貼坡排水體、踏步翻修。

2 大壩防滲設計

2.1 工程地質

經地質勘測，超美水庫主要存在問題為：大壩斜墻填土的配級不良，以粉質粘土夾少量礫石為主，局部有強風化泥質板巖塊石，缺少中間顆粒的成分，導致斜墻存在局部的明顯滲漏；斜墻和堆石體之間缺少反濾層，不利于大壩防滲；壩基清基不徹底存在透水層，留下的粉質粘土夾礫石和強風化破碎基巖組成的中等透水帶是該壩滲漏的途徑，對大壩的安全和穩定造成很大的危害；壩身左壩肩繞壩滲漏問題嚴重，大壩上游壩坡護坡預制塊整體下滑，上游坡頂端與防浪墻出現拉裂縫；下游壩坡無排水溝。建議對大壩進行全面防滲處理，對大壩增加反濾排水設施，并對大壩上下游壩坡進行整形和護坡[3～5]。

2.2 壩體材料特性

根據現場調查，鉆探及前期勘察和除險加固資料，結合室內物理力學性質試驗，將大壩分成如下5個區：

Ⅰ區：粘土斜墻區，粘土斜墻位于壩體上游，最大壩高處底部寬度約70 m，底部高程94 m左右，上游面坡比1∶1.5～1∶2.5，頂部高程與壩頂平齊，寬5 m。以粘土、粉質粘土為主，夾雜少量強風化的塊碎石，取樣室內試驗定義為含少量礫的粉質粘土，其中上部主要以黃褐色粉質粘土為主，可塑狀，含鐵錳結核，切面粗糙無光澤，搖震反應中等，韌性差，干強度低，礫石含量在10%左右；下部為粉質粘土夾碎石，碎石含量較高，占20%～30%，粒徑3～5 cm，塊碎石呈黃褐色、灰褐色，其母巖主要為泥質板巖，土體與塊碎石間已完成自重固結，呈中等透水性，部分斜墻已失去防滲功能。

Ⅱ區：下游堆石體主壩區，泥質板巖和鈣質板巖塊石堆積區。黃褐色，大多數塊石已強風化，夾有粘土和粉質粘土，整體密實度較好，透水性能好，部分位置粘土呈透鏡體出露，厚度不均。

Ⅲ區：泥質板巖強風化層，褐色，保留原有泥巖構造，巖心破碎，大部已風化為塊碎石，粒徑5～8 cm，少量呈短節狀，敲擊聲音沉悶，易擊碎，深度達10 m，現場壓水試驗檢測不到壓力，透水率大于30 Lu。

4～6歲兒童在來生信念不同維度的理解上存在差異，他們更傾向認為情緒、愿望和認知功能在死亡后仍然存在；父母相信存在死后生活的程度越高，跟孩子討論死亡話題時，更偏向于使用“天堂”“另一個世界”等象征有死后生活的詞匯，談及逝者時，也更傾向于描述逝者仍有情緒和心理狀態，父母的來生信念會通過死亡話題的親子談話進而影響到兒童對死亡的認知及來生信念。

Ⅳ區：弱風化泥質板巖，青灰色為主，上部呈褐色，巖心較完整，節理裂隙發育，透水率依然在10～20 Lu之間，下部青灰色，巖心完整，呈長柱狀，透水率小于10 Lu。

V區：粉質粘土夾礫石，為建壩時未清干凈的原狀土，連接強風化破碎的基巖在大壩左側底部形成一道厚0.5 m到幾米不等的中等透水帶，是原始的滲漏通道。

加固后大壩材料分區如表1及圖1所示。

圖1 超美水庫材料分區圖

表1 超美水庫滲透指標表

2.3 大壩防滲方案

根據地質條件，超美水庫大壩防滲推薦方案為上游二級平臺（高程117.10 m）以下壩身高壓旋噴灌漿+壩基帷幕灌漿+上游二級平臺以上土工膜防滲。

高噴灌漿防滲墻漿孔采用單孔布設，孔距0.8 m，灌漿范圍為0+000～0+115m共115m，鉆孔深入基巖1.0m。灌漿應按分序加密的原則進行，本次高壓旋噴灌漿次序分兩序進行，按孔號的奇偶分序，即奇數孔號為一序，偶數孔號為二序，同序孔距1.6m，最終孔距0.8m。

帷幕灌漿孔布置為單排孔，孔距2.4 m，呈梅花形布置。灌漿軸線在大壩上游二級平臺（高程117.10m）向左岸山體延伸，灌漿范圍為0-080～0+115 m共195 m。由兩排孔組成的帷幕應先灌注下游排孔，再灌注上游排孔，每排孔可分為三序灌漿，帷幕灌漿與高噴灌漿搭接2 m。

拆除原來的預制六方塊及土工膜，對現有坡面進行整形，一級坡由于坡比較陡，不滿足土工膜抗滑穩定要求，一級坡采用階梯式鋪設復合土工膜，土工膜鋪至校核水位127.35m。土工膜選用二布一膜，厚度為0.5mm。

3 大壩滲流復核

3.1 數值模擬

滲流復核應用北京理正巖土軟件，采用有限元法處理各種非勻質土層分布及復雜壩體情況，并可顯示、輸出等勢線、流線、浸潤線各種彩色云圖、計算結果曲線及滲流量。

3.2 復核工況及結果

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001）第8.1.2 條規定，滲流計算應考慮下列水位組合。

1）上游正常蓄水位與下游相應的最低水位。

2）上游設計洪水位與下游相應的水位。

3）上游校核洪水位與下游相應的水位。

4）上游庫水位快速降落時，對上游壩坡穩定最不利情況。

根據超美水庫洪水標準復核成果，正常蓄水位124.5 m，設計洪水位為126.78m，校核洪水位127.35m，上游不利水位取大約1/3壩高處水位，此處取108.21m，下游無水，水位取地面高程，即95.0 m。

滲流計算見圖3～圖9。

圖3 穩定滲流期大壩計算斷面浸潤線（正常蓄水位:124.5 m）

圖4 穩定滲流期大壩計算斷面浸潤線（設計洪水位:126.78 m）

圖5 穩定滲流期大壩計算斷面浸潤線（校核洪水位:127.35 m）

圖6 穩定滲流期大壩計算斷面浸潤線（上游低水位:108.21 m）

圖7 非穩定滲流期大壩計算斷面浸潤線（上游水位:120.00 m）

圖8 非穩定滲流期大壩計算斷面浸潤線（上游水位:110.00 m）

圖9 非穩定滲流期大壩計算斷面浸潤線（上游水位:97.57 m）

3.3 局部滲透穩定分析

滲流出口處土體產生流土的臨界水力坡降[6]為：

求得臨界水力坡降見表2。

表2 斷面允許水力坡降

為保證大壩不產生滲透破壞，應使實際水力坡降i小于臨界水力坡降，并保證有一定的安全系數FS，對于分布均勻粘性土，取FS=2.0，由此求出允許水力坡降[i]。

由表3知，大壩計算斷面浸潤線出逸點最大滲透坡降均小于允許坡降，故發生滲透破壞的可能性不大。

表3 大壩計算斷面出逸點水力坡降

4 結 論

超美水庫建成于1960年，先后出現過大壩滲漏、水庫大面積的散浸等險情。2000年以來，水庫運行中除了原有病險在繼續發展外，又陸續出現了新的病險。對此次除險加固設計，采用有限元數值分析法復核，能有效解決超美水庫大壩滲漏問題。