茶園水庫大壩防滲加固設計研究

廖益群

（吉水縣水利局,江西 吉水 331600）

0 引言

大壩的滲漏若不及時進行加固處理,不僅會危害壩體結構的整體穩定性,也會為水庫日后的運行埋下安全隱患。常見的大壩防滲加固方法有防滲墻法、水平防滲加固法、劈裂灌漿防滲加固法等,其中防滲墻法根據施工方式的不同又包括高壓噴射注漿法、垂直鋪塑防滲法、混凝土防滲墻法等,水平防滲加固中常用的施工技術有反濾溝導滲技術、透水壓滲平臺技術、臨水截滲技術等。在實際工程中,結合工程特點,考慮經濟和技術條件選取合適的加固方法尤為重要。

1 工程概況

茶園水庫位于江西省吉水縣尚賢鄉茶園村,座落于贛江水系同江支流尚賢水上,距吉水縣城30 km。大壩為均質土壩,壩頂高程為93.99 m～95.00 m,壩頂寬4.0 m～4.5 m,壩頂長192 m,最大壩高15.0 m,上游壩坡坡比1∶3.2～1∶3.9,下游壩坡坡比1∶3.0～1∶3.8。

根據茶園水庫安全鑒定結論,大壩存在以下安全問題：

（1）壩頂高低不平,沉陷不均,上游壩面無任何襯護,高程90.5 m 以下風浪沖刷嚴重,高程90.5 m 以上灌木雜草叢生；下游壩坡未護坡,無壩面排水系統,無壩體排水設備。

（2）大壩清基不徹底,殘留有第四系殘坡積低液限粘土,具中等透水性。壩基上部強風化巖體節理裂隙發育,巖質破碎,具中等透水性,壩基（肩）存在淺層滲漏問題。

（3）大壩壩體填筑過程中,碾壓施工不到位導致壩體填筑質量不符合整體工程項目標準,滲透系數大于1×10-4cm/s,不滿足規范對壩體防滲性的相關要求。

2 防滲加固設計

大壩防滲處理的原則主要是“上截、下排”,“上截”就是在上游封堵滲漏入口,截斷滲漏途徑,防止滲入。結合本工程具體情況綜合考慮,采用沖抓套井回填粘土防滲心墻的方法進行防滲加固設計。

2.1 壩體加固設計

自大壩壩頂順壩軸線方向上游側2 m 設置沖抓套井回填粘土防滲心墻,粘土防滲墻最大深度為14.2 m,防滲墻頂高程91.50 m,防滲墻厚度為1.5 m,沖抓粘土心墻布置2 排孔,造孔直徑1.1 m,孔距為0.86 m,排距為0.9 m。設計指標如下所示：

（1）粘土防滲墻設計指標如下：k≤1×10-5cm/s,允許滲透坡降為6～8,壓實度不小于0.95。

（2）沖抓粘土要求：粘粒含量為30%～50%,干密度大于1.5 g/cm3,含水量控制在20%～30%之間,水溶鹽含水及有機質含量均不大于5%,土中不允許摻有草皮、樹根等雜物,干密度和含水量均需通過現場試驗,控制在設計要求范圍內。

（3）套井回填粘土心墻填筑要求：沖抓粘土心墻施工前需將庫水位降至最低水位,保證粘土心墻施工。粘土心墻分兩序孔施工,先單序孔,再雙序孔?；靥钿佂烈鶆蚱秸?分層填筑,每層厚度宜控制在0.3 m～0.5 m,粘土心墻回填夯實在落錘時要保持幾秒鐘的的穩定,以免造成夯錘碰撞孔壁。當距壩頂2 m 以內回填時,應減少沖量,夯距小于2 m,以防壩頂開裂及沿孔周壅起。

（4）造孔要求：造孔要保證平整垂直,孔位允許偏差+30 mm。單號井與雙號井孔套接中心在任一深度的偏差,不得大于設計墻厚的1/3。

（5）壩體與兩壩肩接觸面存在接觸滲漏,采用沖抓套井回填粘土心墻沿左、右壩肩向兩側延伸5.0 m,防滲墻底部截斷壩基含礫低液限粘土層。

2.2 壩頂加固設計

（1）壩頂高程復核

茶園水庫正常蓄水位90.50 m,根據庫水位～流量關系曲線,經調洪計算水庫校核洪水位（P=0.33%）為91.46 m,設計洪水位（P=3.33%）為91.16 m,庫區多年平均最大風速為16 m/s,吹程0.8 km。根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2020）,壩頂在水庫靜水位以上的超高按下式確定：

式中：Y為壩頂超高,m；R為最大波浪在壩坡上的爬高,m；e為最大風壅水面高度,m；A為安全加高,m。大壩為4 級建筑物,正常運用情況取0.5 m,非常運用情況取0.3 m。

波浪平均波高和平均波周期采用莆田實驗站公式：

式中：hm為平均波高,m；Tm為平均波周期；W為計算風速,m/s,取W=16 m/s（校核）、24 m/s（設計）；Hm為水域平均水深,m,Hm=10.76 m（校核）、Hm=10.46 m（設計）；g為重力加速度,取9.81 m/s2。

平均波長公式：

式中：Lm為平均波長,m；H為壩迎水面前水深,m。

計算點處的風壅水面高度公式：

式中：e為風壅水面高度,m；D為風區長度,m,取800 m；K為綜合摩阻系數,取3.6×10-6；β為風向與水域中線夾角,°,本次復合取0°。

平均波高在單坡上的平均波浪爬高公式：

式中：Rm為平均波浪爬高,m；KΔ為斜坡的糙率及滲水性系數,查表取0.90；Kw為經驗系數,由風速W、坡前水深H,重力加速度g所組成,由W/（gH）1/2確定,查規范得設計情況下Kw=1.01,校核情況下Kw=1.00。

根據式（1）～式（6）,計算結果見表1。

表1 壩頂高程計算結果

大壩所需壩頂高程為93.24 m,現狀壩頂高程為94.50 m,高于所需壩頂高程,壩頂高程滿足規范要求。根據大壩上、下游坡比、壩頂高程復核,壩頂設置砼路面,路面高程為94.50 m（含砼路面）,寬5 m。具體施工方法：在沖抓套井回填粘土心墻施工完成后,將壩頂寬5 m路面高程整平至94.1 m,在其上鋪設20 cm 厚的5%水泥穩定碎石基層,再澆筑砼路面,路面砼強度為C20,厚度為20 cm,砼路面向下游設2%的橫坡,并在壩頂上、下游側設置C20 路肩梁,路肩梁尺寸25 cm×60 cm。

2.3 壩坡加固設計

本次壩坡加固設計對上、下游壩坡不平整部分進行削坡整平,完善上、下游壩坡護坡,下游壩坡按滲流出逸點高程設置貼坡排水,貼坡排水以上進行草皮護坡。

（1）上游壩坡加固設計

對大壩上游壩坡不平整部分進行削坡整平后坡比為1∶3.5,高程80.7 m～91.66 m 選擇砼預制塊進行護坡。

砼預制板采用六角形板,邊長0.3 cm,采用C15 砼,其護坡厚度按《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2020）推薦的公式計算：

式中：η為系數,對整體式大塊護面板取1.0,對裝配式護面板取1.1；hp為累計頻率為1%的波高,m；Lm為平均波長,m；b為沿坡向板長,取0.6 m；ρc為板的密度,取2.4 t/m3；ρw為水的密度,取1.0 t/m3；m為坡度系數,取3.5。

經計算t=0.097 m。參考類似工程10 cm～20 cm,上游壩坡預制塊護坡厚度取10 cm,下設砂石墊層厚10 cm。

（2）下游壩坡加固

本次設計進行平整壩坡處理,在高程83.0 m 以上坡比為1∶3.0,采用草皮護坡,高程83.0 m 以下新建貼坡排水,坡比為1∶2.5。

3 加固設計計算

3.1 壩體滲流計算

粘土防滲墻滲透系數取1×10-5cm/s,貼坡式排水體的滲透系數5×10-2cm/s,其余土層滲透系數同大壩加固前滲流穩定安全復核計算。下游水位取大壩下游地面高程79.30 m,大壩加固處理方案典型斷面見圖1。

圖1 計算斷面

由表2 可知,大壩進行套井粘土防滲心墻加固處理后,浸潤線降低很多,滲透比降很小,單寬滲流量最大減小42%,大壩坡面最大降坡為0.20,小于大壩出逸允許坡降0.38,大壩不存在發生滲透破壞的可能,有利于壩體的穩定。

表2 大壩防滲加固前后滲流計算結果

3.2 壩坡穩定計算

（1）計算斷面及參數選取

穩定計算選取滲流狀態不利、安全隱患高、實測資料較為可靠的河床作為典型斷面,與滲流計算相同,土體的主要物理力學參數見表3。

表3 土體主要物理力學參數

（2）計算方法

大壩靜力穩定計算按剛體極限平衡理論采用瑞典圓弧法計算,穩定滲流期壩坡抗滑穩定計算抗剪強度指標采用有效應力指標,非穩定滲流期壩坡抗滑穩定計算抗剪強度指標采用總應力指標。壩坡抗滑穩定安全系數正常運用條件下取1.15,非常運用條件下取1.05。

壩坡抗滑穩定計算分析采用北京理正巖土邊坡穩定分析計算軟件,該軟件可根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2020）的要求,自動搜索并找出相應于瑞典圓弧法的最小安全系數及相應的滑裂弧位置。

（3）計算結果分析

大壩加固后,壩坡穩定計算結果見表4。

表4 壩坡穩定計算結果

由表4 可知,大壩經過防滲及壩坡加固后,大壩在各種工況下上下游壩坡抗滑穩定安全滿足要求。

4 結論

通過在壩頂設置套井回填粘土防滲心墻,從壩體、壩頂、壩坡三個部位對大壩進行綜合防滲加固設計,根據滲流計算和穩定計算可得如下結論：

（1）加固后,各工況下大壩單寬滲流量和壩面出逸坡降均大幅降低,大壩不存在發生滲透破壞的可能,有利于壩體的穩定。

（2）加固后,各工況下大壩壩坡抗滑穩定性滿足規范要求。