壩體加高防滲體系設計及方案比選研究

張文龍 武豐慶 郭晨陽 劉婉純 雷進生

（1.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310000；2.三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學防災減災湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002）

0 引言

竹壽水庫擴建工程是白鶴灘水電站庫區移民安置水利工程項目的重要組成部分。存在洪水復核后壩頂高程不夠、下游壩坡穩定安全系數不滿足規范要求、繞壩滲流、溢洪道進口山體高陡邊坡掉塊堵塞溢洪通道、大壩觀測設施缺乏等安全隱患。需要對竹壽水庫進行防滲加固施工，確保該工程可以長久發揮作用不會產生大的危害。本文對壩體加高防滲體系的設計與施工方案進行比選，以期擇優施工，滿足水庫防滲要求，降低工程施工成本，提高項目經濟效益。

1 加高壩體防滲體系設計

1.1 安全性的論證

原大壩壩殼上部石渣料碾壓不密實、細粒含量較多，物理力學參數較低，需對老壩壩體及加高后的壩體進行壩坡穩定及壩體應力應變復核。2016年的試驗成果表明，壩體經過多年固結，密實度有所提高。為對現階段老壩壩體的壩坡穩定性進行分析，采用geostudio軟件進行計算分析。根據南京水利科學研究院取現場壩料所做的老壩壩坡穩定分析，壩坡安全系數滿足規范要求，部分工況安全余度較小，但總體上來說，經過多年的沉降固結，老壩壩坡穩定性較竣工期有一定提高，整體處于較安全的狀態，具備加高擴建的條件。

1.2 大壩防滲體系方案的擬定

1.2.1 加高擴容大壩的防滲要求

采取老心墻防滲加固，上部設鋼筋混凝土面板，上游壩坡坡比1∶1.4，對原大壩心墻和基礎防滲體系進行加固改造，增設心墻防滲加固措施并加強基礎防滲帷幕灌漿，使老壩心墻及壩基防滲能力滿足加高擴容大壩防滲要求。加高壩體和防滲加固體頂部相連接，形成完整的防滲體系。

鋼筋混凝土面板優點：鋼筋混凝土面板屬于剛性防滲，變形模量大，在基礎不均勻沉降較大的情況下，可能引起面板開裂、接縫止水破壞，但可以通過工程措施進行解決，例如，對筑壩材料填筑指標進行合理設計，以盡量減少壩體不均勻沉降和控制面板澆筑時間等。施工比較常規，混凝土的制備工藝非常成熟，占用的施工場地也相對較少，施工機械設備供選用的范圍較廣，不需要專門的施工設備和施工技術。面板環境污染相對較小，對竹壽水庫的生產生活用水影響較小。

1.2.2 防滲設計方案

1.2.2.1 大壩加高混凝土面板壩方案

（1）大壩采用“下游堆石培厚加高”方案，即采用在下游部位用堆石培厚加高大壩，設混凝土面板防滲，并通過混凝土水平連接板與混凝土防滲墻連接。

（2）心墻防滲加固措施：竹壽水庫原大壩左右兩端復合土工膜可能局部破損，水庫擴建設計擬不考慮土工膜防滲效果；同時，根據現場鉆孔注水試驗，心墻填筑料屬中等～弱透水層，略大于原設計滲透系數；通過對鉆孔巖芯取樣進行土工試驗可知，原黏土心墻料物質組成變化較大，礫石含量偏高可能是導致滲透系數偏大的原因；三軸試驗飽和試樣結果顯示，礫質黏土心墻料干密度和鄧肯模型參數值相比于同類工程，礫質黏土心墻料密實度較低，為0.93，且所摻礫風化較嚴重。因此，大壩加高時需對原大壩防滲體進行加固處理。

土質心墻堆石壩防滲加固主要有混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿、土體充填灌漿和劈裂灌漿等幾種措施[1]，其他如沖抓套井回填黏土形成防滲墻、復合土工膜防滲、土工膜+防滲墻等防滲措施并不常用，具體需根據其地層特性、處理的深度、病害程度等，進行方案設計比較后綜合確定加固方案。防滲墻、高壓噴射灌漿、充填灌漿和劈裂灌漿等幾種常用加固措施防滲效果不同，防滲加固方案比選時，除進行方案設計和經濟性比較外，還要考慮方案的施工難度、技術可行性與不確定因素、處理效果等綜合因素。

（3）加固方式比選結論：和其他防滲措施做對比，防滲墻是最可靠的。原因為：防滲墻是在造孔完整并有可靠的接頭條件下澆筑混凝土的[2]；在造孔過程中，泥漿的滲透和泥皮的存在形成了一個附加的隔水層；防滲墻的工序檢驗和最終檢驗方法相對成熟[3]。因此，綜合考慮竹壽水庫防滲加固工程規模、基礎深度及原有防滲體特性，推薦采用防滲墻加固竹壽水庫老壩礫質黏土心墻。

（4）工程布置：擴建后的竹壽水庫樞紐主要建筑物有混凝土面板堆石壩（原大壩加高而成）、左岸洞式側堰溢洪洞、泄放系統等。

混凝土面板堆石壩是在原礫石土心墻石渣壩下游面培厚加高而成。加高后大壩壩頂高程2451.0m，最大壩高98.1m，壩頂長度271.47m，壩頂寬度10.0m，壩頂上游設鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程2452.2m[4]。壩體上游面坡比為1∶1.4，下游面坡比1∶1.5～1∶1.4，在下游面設置寬度4.5m的“之”字上壩路。壩體從上游向下游依次分為：混凝土面板、墊層區、過渡區、主堆石區、下游次堆石區及砌塊石護坡等區域。壩體典型剖面見圖1。

圖1 原壩址大壩典型剖面圖

1.2.2.2 大壩加高瀝青心墻壩方案

（1）大壩加高瀝青心墻壩方案大壩軸線位于原壩址下游約126m處，擬新建瀝青混凝土心墻堆石壩軸線走向與原壩軸向平行，為N37°E，壩頂高程2451m。

（2）工程布置：擴建后的竹壽水庫樞紐主要建筑物有瀝青混凝土心墻壩（原大壩后坡削坡后加高而成）、左岸洞室溢洪道、泄放系統等。

瀝青混凝土心墻壩壩頂高程2451.0m，壩頂寬10.0m，上游設鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻頂高程2452.0m，最大壩高103.1m，壩頂長299.80m。上游壩坡自高程2409.70m平臺以上為1∶2.0，下游壩坡為1∶1.8，結合已有便道形成壩后“之”字形道路，寬度4m。大壩上下游坡面高程2430.0m以上設置混凝土網格梁，并在網格內設干砌塊石護坡，2430.00m以下設置干砌石護坡。老壩從壩頂高程2416.1m開挖至高程2409.70m，在形成的平臺下游側與加高心墻壩上游坡連接。老壩下游側自2394.00m馬道內側開始，以1∶1.2坡比進行削坡開挖，挖除壩后部分碾壓石渣及堆石棱體。

大壩防滲采用瀝青混凝土心墻，心墻斷面為梯形結構，頂寬0.6m，向下逐漸加厚，心墻上下游坡比為1∶0.0043，底部最大厚度1.4m。心墻底部為高3.0m的大放腳，大放腳底部與基礎接觸處最大厚度為3m。心墻與基礎之間設置C25鋼筋混凝土基座?；炷粱湓谌躏L化基巖上部[5]?；讓挒?.0m，高程2415.0m以下基座設灌漿廊道，廊道尺寸2.5m×3.5m（寬×高），垂直坡面高度8.0m，高程2415.0m至壩頂基座不設灌漿廊道，垂直坡面高度4m?；舷掠伍_挖側坡坡比為1∶0.5。

防浪墻結構縫、防浪墻與心墻、心墻與混凝土基座之間設置一道止水銅片及一道塑性止水。

沿混凝土基座設置固結和帷幕灌漿。固結灌漿間距為3.0m，孔深8.0m，共布置3～4排。帷幕灌漿布置于基座中部，共布置2排，間距為2.0m，帷幕灌漿深入相對隔水層線（q≤3Lu）以下5.0m。

為避免白家溝溢洪道出口水流對壩腳部位形成沖刷，在下游壩腳部位設置C20混凝土重力式擋墻，擋墻基礎開挖至基巖，高度為6～15m，擋墻中部布置量水堰，用于量測壩基及壩體滲漏量。

瀝青混凝土心墻壩典型斷面見圖2。

圖2 瀝青混凝土心墻壩典型斷面圖

2 防滲方案的比選

2.1 地形條件

混凝土面板堆石壩方案壩址左岸地形坡度30～35°，右岸地形坡度15～35°，兩岸無較大沖溝發育；瀝青心墻堆石壩方案壩址下游左岸地形坡度30～40°，右岸地形坡度15～35°，左岸發育白家溝，溝內常年流水，雨季流量較大，對大壩下游側沖刷作用較強，對壩體穩定影響較大。從地形條件來看，混凝土面板壩方案較優。

2.2 施工條件

施工條件的比較包括導流工程與料場規模兩個方面。

料場導流方面：混凝土面板壩方案上游需拆除老壩高8.5m，換填碾壓堆石體5m，在換填碾壓堆石體上填筑袋裝土料作為圍堰，高3.5m，圍堰防滲采用土工膜，預埋在換填碾壓堆石體內并與原黏土心墻相接，下游在汛前填筑至度汛高程，無需設置下游圍堰；瀝青心墻壩方案上游采用老壩擋水，下游在汛前難以填筑至度汛高程，可結合永久導墻設置圍堰。瀝青心墻壩方案導流程序相對較簡單，兩個方案導流工程投資相當。

料場方面：混凝土面板壩方案大壩石料填筑壓實方約129萬m3，設計需要量約117萬m3（自然方），首部樞紐區混凝土工程量12萬m3，設計需要量13萬m3，則弱風化石料設計需要量約130萬m3，扣除可利用的部分洞挖料，另外需要開挖料場弱風化料約125萬m3，料場有用料規劃開挖量按照設計需要量的1.25倍選取，則規劃開采弱風化料約156萬m3，剝采比按0.3計，則料場開挖總量約200萬m3；瀝青心墻壩方案大壩石料填筑壓實方約198萬m3，設計需要量約178萬m3（自然方），首部樞紐區混凝土工程量15萬m3，設計需要量16萬m3，則弱風化石料設計需要量約194萬m3，扣除可利用的部分洞挖料，另外需要開挖料場弱風化料約189萬m3，料場有用料規劃開挖量按照設計需要量的1.25倍選取，則規劃開采弱風化料約237萬m3，剝采比按0.3計，則料場開挖總量約300萬m3。從料場開挖量來看，瀝青心墻壩方案對應的料場規模較大，開挖難度及支護、棄渣工程量較大。兩方案總布置格局基本相同。

2.3 征地比較

混凝土面板壩方案和瀝青心墻壩方案的大壩壩高一致，正常蓄水位一致，因此庫區淹沒范圍一致，其占地比較主要圍繞首部大壩樞紐工程永久征地展開[6]。由于瀝青心墻壩方案大壩上下游坡比緩于混凝土面板壩方案，且瀝青心墻壩軸線較混凝土面板壩方案下移了37.9m，因此瀝青心墻壩方案首部大壩樞紐部位工程永久征地較混凝土面板壩方案的面積大，經統計，混凝土面板壩方案首部大壩樞紐位置工程永久征地面積為215.44畝，而瀝青心墻壩方案則為239.91畝，相差24.47畝，征地費用相差156.4萬元。因此，從征地角度而言，混凝土面板壩方案更優。

2.4 壩型比較結論

從地形條件、施工條件與工期、征地比較方面綜合比較，原址加高面板壩方案較優，推薦原址加高面板壩方案作為竹壽水庫擴建工程推薦壩型[7]。

3 結束語

根據竹壽水庫增容加高擴建防滲項目的實際情況，本文通過對兩種壩型的綜合對比，推薦采用原址加高面板壩，可以盡可能地方便施工，將不利影響盡可能降到最低。預估完成該工程后可以達到竹壽水庫防滲目標，能提升當前竹壽水庫的安全性。