河北水庫大壩基礎防滲設計研究

馮曉波，張宇航，強鵬飛

(1.太原理工大學建筑設計研究院有限公司，山西 太原 030000；2.山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030000)

水庫是一項維持國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的基礎水利設施，在水資源調度和防洪等方面有著重要作用[1- 2]。水庫大壩基礎處理是大壩工程設計的關鍵環(huán)節(jié)，能保證大壩發(fā)揮其功能。其中大壩基礎防滲設計的合理性直接影響未來水庫高效運行與管理。本文以河北水庫大壩為例進行防滲設計方案的可行性研究。

1 常用防滲技術

我國土石壩防滲技術過去大多采用粘土鋪蓋等方案，隨著國外防滲技術的引進，大量先進工藝如混凝土防滲墻、高壓噴射灌溉等被經(jīng)常采用。通過試驗和工程實踐，這些防滲技術有各自優(yōu)勢和不足以及適用條件，見表1。

表1 防滲技術分析

2 河北水庫工程概況

2.1 工程概況

河北水庫位于山西省汾陽市栗家莊鄉(xiāng)，主要由均質土壩、上游進水涵管、下游供水涵管等組成，是一座小(一)型水庫。其總庫容357.7萬m3，調蓄庫容354.7萬m3，主要服務于生活、工業(yè)用水以及農(nóng)業(yè)灌溉等。

2.2 壩基地質條件

2.3 壩基地質評價

水庫壩基置于卵石混合土之上，通過對現(xiàn)場取回的土樣進行分析計算，主壩地基卵石混合土的不均系數(shù)范圍為66.8～106.8，細粒含量范圍為1.18%～1.44%，經(jīng)計算，其臨界水力比降Jcr平均值為0.24。副壩卵石混合土的不均系數(shù)范圍為62.3～100.6，細粒含量范圍為1.09%～1.54%，Jcr平均值為0.22。

根據(jù)現(xiàn)場滲水試驗和相關工程經(jīng)驗值，滲透系數(shù)取2.2m/d，當水庫處于正常蓄水位時，主壩和副壩壩基覆蓋層滲漏量分別為1034.77和158.9m3/d，因此壩基滲漏總量為43.5萬m3/a，超過規(guī)劃允許滲透量25.88萬m3/a。此外，根據(jù)勘察規(guī)范[8]可知，河北水庫在結構及穩(wěn)定方面也存在一定問題，管涌為此壩基滲透變形的主要類型。

3 壩基防滲設計方案比選

根據(jù)常見防滲技術以及本工程地質報告的建議，本工程防滲體布置要求有：設計方案必須保證工程質量；工程整體概算低，工程量小，易施工；防滲體施工時必須保證大壩整體安全性；防滲體施工期間，盡量協(xié)調各方面用水需求。因此對相對適合的2種方案混凝土防滲墻以及高噴防滲墻進行進一步的比較。

3.1 混凝土防滲墻方案

3.1.1頂高程、底高程

根據(jù)相應規(guī)范[7]，垂直防滲措施一般布置在壩的底部。本工程主壩防滲墻全長115m，頂高程設為813m，最大深度21.23m。副壩防滲墻全長120m，頂高程設為824.5m，最大深度14.5m。

3.1.2墻體材料

防滲墻材料一般采用普通或塑性混凝土，相比普通混凝土，塑性混凝土彈性模量小，可以降低墻內應力，減少墻體開裂，抗地基變形能力強，適合厚度較大的防滲墻。通過分析，本工程采用塑性混凝土作為防滲墻的材料，設計參數(shù)見表2。

表2 塑性混凝土參數(shù)

3.1.3防滲墻厚度

3.1.4施工方法

(1)施工平臺開挖。防滲墻施工前，將壩頂開挖至主壩副壩設計高程，施工平臺寬度大于5m。

(2)修建高0.9m，底寬1.0m，厚度0.3m的倒L型鋼筋混凝土導墻。

(3)泥漿拌制。首先在水庫壩肩處建造磚砌泥漿池，并用泥漿固壁進行防滲處理。其中泥漿主要原料及配合比見表3。

表3 泥漿主要原料及配合比

(4)成槽造孔。施工原理如圖1所示，首先在槽段定位進行導向孔施工，然后利用抓斗抓槽。

圖1 抓斗式成槽機造孔

(5)混凝土澆筑。塑性混凝土材料見表4，導管下至設計深度開始澆筑，過程中混凝土面的上升速度小于2m/h。

表4 混凝土主要原料

3.2 高噴防滲墻方案

高噴防滲墻方案的頂高程、底高程設計等與混凝土防滲墻方案一樣。

3.2.1高噴灌漿形式

由于河北水庫大壩防滲體由粉土、砂土和砂卵石等組成，高噴灌漿形式選擇高壓旋噴方式。灌漿方法選擇三管法，相應配備專業(yè)施工人員如泵工，鉆工，噴灌工等[9- 10]，工藝參數(shù)見表5。

表5 三管法工藝參數(shù)

常見工程灌漿施工布置會根據(jù)地質條件選擇鉆孔方式及孔距[11]，見表6。本工程防滲墻范圍處于雜填土和砂卵石地層，結合現(xiàn)場試驗，灌漿孔選擇柱列型，旋噴樁直徑和孔距設為1.5m。

表6 常見鉆孔方式及布置

3.2.2高噴灌漿施工

高噴灌漿首先找準孔位，通過鉆機鉆孔，深入相對不透水層。將噴射管放置到設計深度，按規(guī)定的方向進行漿液旋噴。最后達到設計要求后停止噴射，并清洗相關管路，以防殘留漿液堵塞管道，影響下次操作。

3.3 方案對比

混凝土防滲墻和高噴防滲墻防滲方案對比見表7。

由表7可知，從可靠性角度來說混凝土防滲墻槽段接頭問題已在多個工程項目中得到解決，而高噴防滲墻的銜接質量問題取決于現(xiàn)場實際地質條件，因此塑性混凝土防滲墻的可靠性更高。從經(jīng)濟角度出發(fā)，高噴防滲墻方案投資金額低于混凝土防滲墻方案，更有經(jīng)濟優(yōu)勢。

表7 方案對比

綜上考慮，河北水庫屬于小型水庫，壩基防滲土層較不復雜，各土層之間防滲銜接質量問題較小，因此選擇高噴防滲墻作為壩基防滲墻體。此外，為了使防滲墻與不透水層更好地銜接而不出現(xiàn)滲漏，考慮同時結合施工簡便的粘土截水槽技術，減少滲流量，加固防滲，如圖2—3所示。

圖2 主壩防滲墻剖面圖

4 大壩滲流分析

大壩經(jīng)防滲處理后，選取最大壩高斷面(主壩樁號為：主壩0+095.00，副壩樁號為：副壩0+060.00)并通過有限元法計算[12]滲流量。

圖3 副壩防滲墻剖面圖

計算結果見表8—9。采取防滲措施后主壩、副壩壩基的年最大滲漏量分別為4.1萬、1.6萬m3/a，低于規(guī)劃允許滲漏量。

表8 主壩滲流計算成果

表9 副壩滲流計算成果

5 結語

(1)壩基防滲設計是水利工程建設的重要組成部分，要結合大壩地質條件、規(guī)劃防滲要求以及施工經(jīng)濟可靠性來確定加固方案。經(jīng)過對河北水庫壩基防滲方案的比選，驗證了高噴防滲墻結合粘性土截水槽技術可以減少壩基滲漏總量，提高水庫安全穩(wěn)定性。為此研究人員應將其應用于實踐，發(fā)揮出該有的作用價值。

(2)高噴防滲墻結合粘性土截水槽方案防滲效果好，造價低，但是對于地質復雜的工程應用仍有一定局限性，存在防滲體銜接質量問題。相信隨著未來各種新技術新材料的不斷改進發(fā)展，將會進一步強化水庫大壩的安全穩(wěn)定性。