土石壩除險加固防滲方案比選研究

魏麗娟

(博爾塔拉蒙古自治州水利水電勘測設計院，新疆 博樂 8334000)

1 工程背景

鄂托克賽爾水庫是一座以防洪和灌溉為主，兼具養殖和旅游等諸多功能為一體的中型水利工程，可以保護下游8個自然村的安全。水庫壩址以上控制流域面積540 km2，總庫容2290萬m3[1]。水庫主要建筑物包括大壩、泄洪閘和輸水洞。其中，水庫主壩為長700 m的黏土心墻土石壩，設計高程1261.50 m，最大壩高8.04 m，壩頂寬8.6～12.3 m，迎水坡坡比為1∶3.8，背水坡坡比為1∶2.9，迎水坡為干砌石護坡。由于歷史原因的影響，該水庫病險問題比較突出，特別是存在比較顯著的壩肩和壩基滲漏。此外，溢洪道右岸也存在比較顯著的風化坍塌問題，造成溢洪道進水口和泄洪洞處堆積了大量的石渣，對防洪安全極為不利，溢洪道的末端也沒有設置消能設施，下泄高速水流對下游河床造成比較明顯的沖刷破壞。顯然，水庫的病險問題已經對大壩的安全和穩定運行造成了比較嚴重的影響。因此，對該水庫實施除險加固工程極為必要。

2 大壩防滲方案的初步擬定

根據水庫的前期地質勘查資料以及水庫的滲漏情況，壩體和壩基均需要進行防滲處理[1]。結合工程實際和相關類似工程的經驗，初步擬定出如下五種方案進行比選，以獲取最佳設計方案，為工程建設提供必要的支持。

方案1：混凝土防滲墻是利用專用的造孔機械設備連續造孔，以泥漿固壁，用導管在注滿泥漿的槽孔中灌注混凝土而筑成的防滲墻體。壩頂沿壩軸線連續造孔，灌注混凝土防滲墻，防滲墻在大壩兩岸壩肩及壩中部位需伸至不透水層與壩基防滲帷幕緊密銜接?，F狀壩頂寬度不足8m，不滿足混凝土防滲墻最小施工場地寬度要求，可將壩頂開挖至1259.6 m，相應壩頂寬可達10 m，利用施工棄土在壩頂的上游側和下游側填筑形成寬度為12.0 m的工作平臺，滿足施工要求。故混凝土防滲墻高度定為1259.6 m，防滲墻施工完畢后，壩頂采用黏土填筑至設計壩頂高程，并恢復上下游護坡和壩頂道路[2]，防滲墻采用C30普通混凝土，厚度為30 cm，下部深入壩基基巖0.5 m。處理范圍為樁號0+101～0+325，防滲墻的右側需要向壩肩方向延伸27.0 m。

方案2：該方案的思路是在壩頂設置高壓擺噴灌漿。高壓噴射灌漿法為將裝有特質合金噴嘴的注漿管沿鉆孔下到預定位置，利用高壓將噴射的漿液或水體與土體顆粒攪拌混合，漿液凝固后形成垂直的防滲體[3]。在施工設計中，灌漿孔沿著大壩壩軸線布置，其處理的范圍和方案相同。在施工過程中，結合壩頂的改建工程形成灌漿施工平臺。壩頂沿壩軸線方向布置高壓噴射灌漿孔，共布置1排，分序施工。 噴射漿液采用水泥黏土漿，要求墻體厚度≥60 cm，滲透系數≤1×10-6cm/s，28 d抗壓強度≥6 MPa，抗折強度≥0.6 MPa。根據現場試驗，灌漿擴散半徑不低于0.85 m，結合墻體厚度要求，灌漿孔的孔距設置為1.5 m，灌漿形成的高噴墻頂部要深入壩體土砂層2.0 m，底部深入壩基基巖0.5 m。

方案3：該方案的基本設計思路是沿著大壩上游馬道以及右側壩腳設置混凝土防滲墻[4]。鑒于大壩壩體中的砂礫層頂的高程為117 m左右，在上游壩坡120 m高程部位設置有寬度為2.0 m的馬道。因此，在上游馬道和右側壩腳部位布置混凝土防滲墻，其處理的范圍與方案1和方案2相同。在施工過程中需要拆除馬道以上護坡和壩體填土，并在馬道以下形成寬度為12.0 m左右的工作平臺，待施工完畢之后再進行恢復。在大壩右側壩肩上填筑形成寬度為6.0 m的黏土鋪蓋，混凝土防滲墻的頂部要深入鋪蓋，形成完整的防滲系統[5]?；炷练罎B墻的厚度設計為30 cm，墻底要深入基巖0.5 m。

方案4：該方案的基本思路是將方案3中的防滲墻改為高壓擺噴灌漿。該方案的布置范圍和方案3相同，施工中需要拆除馬道以及上部的部分護坡和填筑土，形成寬度約8.0 m的工作平臺。灌漿孔的孔距設計為1.5 m，處理的深度也與方案3相同[6]。

方案5：該方案的基本思路是大壩的上游壩腳開挖截滲槽，同時在壩坡增設復合土工膜防滲結構[7]。該方案的處理范圍和上述4種方案相同。在施工中首先需要拆除大壩上游的護坡和反濾，然后，進行截滲槽的開挖，再進行復合土工膜的鋪設[8]。土工膜的下部和左右岸需要錨固在截滲槽中，上部錨固于馬道，并利用C20普通混凝土進行澆筑。在復合土工膜鋪設完畢之后，利用原土回填，恢復反濾和護坡。

3 方案分析與比選

3.1 滲流與安全性分析

研究中利用GeoStudio 軟件對各方案采用有限元法進行滲流計算和安全性分析。計算中設計三種計算工況。其中，工況1為正常蓄水位工況，上游蓄水位為124.5 m；工況2為設計水位工況，上游蓄水位為125.68 m；工況3為校核水位工況，其上游蓄水位為126.41 m，三種工況的下游均為無水狀態。

各方案在三種不同工況下的大壩滲流計算結果如表1所示。由表中的計算結果可以看出，5種方案在各工況下的最大水力比降均小于J=3的工程設計值，也就是各方案下不同工況下均不會發生滲透破壞。從滲漏量來看，五種方案的滲漏量均相對較小，在正常蓄水位條件下的年滲漏量均不超過庫容總量的2%。從不同方案的對比來看，方案1的滲漏量最小，方案3和方案1的滲漏量比較接近，其余3種方案的滲漏量相對較大。

表1 各方案大壩滲流計算結果

對不同方案的邊坡穩定性進行計算分析，分別獲得各工況下大壩上游和下游壩坡的安全系數，結果如表2所示。由計算結果可以看出，5種不同防滲加固方案在各個計算工況下的壩坡安全系數均大于1.25的工程設計值，因此，在正常運行的條件下，壩坡均處于安全狀態。從不同方案的對比來看，各方案上游和下游壩坡的安全系數存在一定的差異。其中，安全系數最高的是方案3和方案5，且兩者比較接近，方案1和方案2相對偏小。

表2 壩坡安全系數計算結果

綜合滲流計算結果和壩坡安全計算結果，方案3為最佳方案，不僅上下游壩坡的安全系數較高，同時滲漏量也相對較小。

3.2 工程經濟性分析

研究中結合工程項目地的市場價格以及各個方案的工程量，對5種不同方案的主要工程量和造價進行統計計算，結果如表3所示。從表中的計算結果可以看出，在5種不同的方案中，方案2和方案4的投資總額明顯大于方案1和方案3。由此可見，擺噴灌漿方案的投資明顯多于混凝土防滲墻方案。方案5為土工膜防滲方案，該方案需要將上游馬道以下的干砌石護坡全部拆除，同時還需要開挖長度較大的截滲槽，工程量較大，因此，投資額最高。由此可見，從工程投資的角度來看，方案3的投資額最小，為最佳方案。

表3 主要工程量和工程造價表

3.3 方案的選定

由上文的計算結果可以看出，無論是滲流安全性分析，還是工程的經濟性，均為方案3最佳。另一方面，5種方案相比，方案3的工期最短。同時，混凝土防滲墻技術在國內已經有了幾十年的應用，技術較為成熟，工程經驗十分豐富。而高壓擺噴方案的施工工藝隱蔽性強，施工質量的影響因素較多，質量不易保證。土工膜方案需要較大的工程量，施工比較復雜，在施工前還需要放空水庫。綜合上述分析，方案3為最佳防滲加固方案，建議在工程設計中選用。

4 結語

病險土石壩安全受到各種不確定因素的影響，且各因素之間存在較多的耦合作用，需要針對不同隱患和病險形式，采取科學、合理的應對策略。此次研究以遼寧省某水庫為例，結合工程的實際情況，通過比選研究獲得最佳防滲施工方案，可以為工程建設的順利進行提供必要的支持和保障。當然，隨著經濟的發展和進步，水利工程規劃理論方法的改革也迫在眉睫，如何提出更具有整體性和優化性的思路，為水利工程建設提供有效的決策依據，是需要繼續深入研究的方向。