潑河水庫(kù)主壩壩體滲水原因分析及除險(xiǎn)加固防滲處理

□付明濤 □代 蔚（信陽(yáng)市潑河水庫(kù)管理局）

一、工程概況

潑河水庫(kù)坐落在淮河流域潢河支流潑陂河上，位于光山縣潑陂河鎮(zhèn)南3km處，控制流域面積222km2，總庫(kù)容2.35億m3，保護(hù)著下游光山、潢川兩縣城近50萬(wàn)人口，2萬(wàn)hm2耕地及京九鐵路、京九通訊光纜、國(guó)道312、滬陜高速公路、省道213、西寧鐵路、大廣高速公路等國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施。是淮河上游一座以防洪、灌溉為主，兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖、水力發(fā)電等綜合利用的大型水庫(kù)。

潑河水庫(kù)主壩為攔河大壩，位于潢河右支潑陂河鎮(zhèn)南3km張灣與劉河之間的潑陂河河床上。壩長(zhǎng)1050m，最大壩高27.5m，為粘土心墻砂殼壩，壩頂高程87.5m。

二、主壩地質(zhì)情況

潑河水庫(kù)主壩位于侵蝕低山丘陵區(qū)，地層為中元古界信陽(yáng)群南灣組片巖系，燕山期大量中酸性小巖體和巖脈侵入于其中。壩基斷層有4條，F(xiàn)1為最大，擠壓破碎帶寬達(dá)10～20m，F(xiàn)2、F3、F4破碎帶寬僅1～2m。壩址及壩址附近以第四系覆蓋層為主，主要有土層、淤泥層、砂及礫石層。主壩左岸臺(tái)地較河床高5m，上部為中、重粉質(zhì)壤土，一般厚2～4m，透水性小，平均滲透系數(shù)為1.95×10-4cm/s。淤泥層多介于土層與砂層之間，屬粉質(zhì)壤土和輕粉質(zhì)壤土，一般厚達(dá)2m以上。

河槽段巖層以上為中砂及礫砂層，厚度為3～4m；右岸臺(tái)地上部為1～2m，孔隙發(fā)育，透水性大；以下至巖層為中細(xì)砂及礫石層，顆粒均勻松散，局部地段夾淤泥凸透體，固結(jié)較好。砂礫層透水性近壩頭處較弱，其他較強(qiáng)，滲透系數(shù)為9.75×10－2cm/s。

三、主壩右壩頭滲水的勘探與分析

經(jīng)對(duì)主壩勘查，發(fā)現(xiàn)主壩右壩頭滲水異常，滲水位置在大壩樁號(hào)0+700～0+850距岸坡15m，高程在72m以上至74～75m以零星點(diǎn)、片狀多處出露，順壩呈條帶狀滲水。滲水處水草叢生坡面稀軟，大片處可見細(xì)水明流，無細(xì)顆粒帶出，無論庫(kù)水位高低干旱多久，均未停滲、斷流。

對(duì)此，1976年省勘探隊(duì)專門進(jìn)行了勘探、開挖，發(fā)現(xiàn)表層草植土多疏松不勻，中部有砂層，東段純凈含礫石，西段含泥多細(xì)砂，底部至72m平臺(tái)壤土夾碎石，較緊密。水從夾層中滲出，剛開始時(shí)水量較大，隨后減少，并多集中在0+720～0+790及0+800～0+850段滲出。壤土夾碎石無滲壓水滲出，也不飽和，稍硬。稀軟土僅表層草植土（即腐殖土）。

從竣工剖面圖可以看出，心墻后及其下游壩基岸坡設(shè)有垂直及水平砂帶，后坡壩體為代替料，即壤土夾碎石類。代替料中，在高程74～77m間夾一砂層，厚薄不等（約2.0～2.5m）寬窄不勻，約2～15m，其東至岸坡，西止合龍口南垂直砂帶相連接，北出露于壩坡，厚約1.5m。這正好與滲水帶位置高程及開挖情況吻合，可以肯定，水是從砂帶中滲出。

經(jīng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于粘土心墻下游設(shè)有完整的導(dǎo)滲排水系統(tǒng)，來自心墻和岸坡的水流，將順坡排走，不會(huì)沿水平方向流動(dòng)再進(jìn)入夾砂層中。另外，大壩浸潤(rùn)線觀測(cè)剖面，一個(gè)正好位于此滲水帶內(nèi)，3個(gè)觀測(cè)孔地下水位3年來均在70m高程以下，低于滲水帶高程，因此粘土心墻滲水從低處排走，不可能進(jìn)入夾砂層中，在夾砂層與岸坡排水砂帶交接處，雨后卻有細(xì)水明流，且高于其交接處，但并不能在排水砂帶形成水位或水流，更沒有經(jīng)排滲砂帶進(jìn)入夾砂層中，就滲水帶開挖前后的滲水情況看，也沒靠岸邊的滲水點(diǎn)多，滲水量大，出滲點(diǎn)高的現(xiàn)象。這個(gè)滲水的大小與庫(kù)水位升降無明顯關(guān)系。

研究分析滲水原因是由于夾砂層本身有較大的透水性及儲(chǔ)水能力且直臨壩坡，而表層土又多疏松且坡面坑凹不平更易于入滲。入滲時(shí)為垂直滲透，當(dāng)遇到下部壤土夾碎石相對(duì)隔水層時(shí)，則變?yōu)樗綕B透，暫時(shí)儲(chǔ)存在夾砂帶中，又由于此地雨量充實(shí)，不斷補(bǔ)給，因此總是日夜長(zhǎng)流，即使盛夏久旱，雖滲水點(diǎn)面有所減少，但還沒有斷流情況。因此認(rèn)為這種滲水現(xiàn)象，主要是由于大氣降水的影響，至今未有惡化的趨勢(shì)。

四、壩體防滲處理措施

根據(jù)主壩滲水情況，此次水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)主壩在原壩軸線位置做一道塑性混凝土防滲墻，墻頂高程86.1m，底部進(jìn)入基巖1m，墻厚0.4m；下游貼坡加固，壩體回填代替料至87.15m。加固后壩頂總寬由4.5m加寬至6.8m，其中壩頂路面寬為6m。

（一）防滲墻長(zhǎng)度和深度

由于潑河水庫(kù)主壩填筑料混亂，心墻后水位過高，故擬在全段做防滲墻。主壩防滲墻深度最大為32.5m。

（二）防滲墻采用的材料

根據(jù)潑河水庫(kù)大壩壩體的情況，選用塑性混凝土作為防滲體的材料。塑性混凝土的特點(diǎn)是比普通混凝土具有較好的變形性能，此種材料在側(cè)向壓力為1kgf/cm2，可承受10%的變形而不變裂。塑性混凝土每m3混凝土水泥用量50～160kg，其他材料可以利用開挖出來的粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)粘土，因而造價(jià)較省。塑性混凝土防滲墻的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：28d彈性模量800～1000MPa，抗壓強(qiáng)度≥2.5MPa，滲透系數(shù)＜（1～9）10－8cm/s。

（三）防滲墻厚度

防滲墻的厚度應(yīng)滿足墻體抗?jié)B性、耐久性、以及墻體應(yīng)力和變形的要求，同時(shí)還應(yīng)考慮到地質(zhì)情況及施工設(shè)備等因素。根據(jù)防滲墻破壞時(shí)的水力坡降確定墻體厚度（d），計(jì)算公式如下：

式中：△Hmax—作用在防滲墻上的最大水頭差（m）；K—抗?jié)B坡降安全系數(shù)，一般取3～5；Jmax—防滲墻滲透破壞坡降，取300。

根據(jù)混凝土防滲墻設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，防滲墻允許承受的水力坡降Jp＝Jmax/K，可達(dá)到100，當(dāng)K＝5時(shí)，Jp為60，假定防滲墻承受的最大水頭差與壩前水深相同。平原區(qū)水庫(kù)，由于河流水頭較低，△Hmax一般在10～30m之間居多。計(jì)算得：δ＝0.15～0.5m即可滿足要求。

為節(jié)約材料，降低成本，潑河水庫(kù)大壩混凝土防滲墻可以做得薄一些，受造孔機(jī)具限制，參考國(guó)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)，土壩混凝土防滲墻體厚度確定為0.4m。

（四）塑性混凝土防滲墻配合比設(shè)計(jì)

1.塑性混凝土防滲墻設(shè)計(jì)指標(biāo)

參考工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，塑性混凝土防滲墻設(shè)計(jì)指標(biāo)為：塑性混凝土的密度2～2.2t/m3，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度1.5～5MPa，抗拉強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的1/7～1/12，抗剪強(qiáng)度C=0.2～0.3MPa,φ≥30°，變形模量 100～600MPa，滲透系數(shù)：n×10-6～10-8cm/s，破壞滲透比降不小于300，抗?jié)B標(biāo)號(hào)W6～W8，破壞應(yīng)變無側(cè)限時(shí)為0.33%～0.70%。

2.塑性混凝土強(qiáng)度齡期確定

塑性混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)較為緩慢，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較大。根據(jù)以往塑性混凝土防滲墻試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，塑性混凝土強(qiáng)度一般采用90d強(qiáng)度較為合理。

3.配制強(qiáng)度

塑性混凝土的配制強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度、強(qiáng)度保證率及離差系數(shù)等指標(biāo)，依據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》（SDJ207－82）中的有關(guān)規(guī)定確定。《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》（SL174－96）中指出：一般認(rèn)為泥漿下澆筑的混凝土強(qiáng)度只有陸地澆筑混凝土強(qiáng)度70%左右。綜合以往塑性混凝土的使用情況，塑性混凝土的配制強(qiáng)度可采用下式計(jì)算：

式中：R配—塑性混凝土配制強(qiáng)度（MPa）；R90—塑性混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度（MPa）；t—塑性混凝土強(qiáng)度保證率為95%時(shí)的概率度，取t＝1.645；Cv0—混凝土抗壓強(qiáng)度離差系數(shù)。

塑性混凝土的彈性模量、強(qiáng)度、滲透系數(shù)主要取決于水泥用量。通過調(diào)整粘土和膨潤(rùn)土的用量能在一定程度上改善塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及滲透系數(shù)。

五、加固后大壩計(jì)算復(fù)核

（一）滲透穩(wěn)定計(jì)算

主壩的防滲措施是打一道防滲墻，壩體各部分計(jì)算參數(shù)仍為加固前的。

心墻：K1＝3.89×10－4cm/s；代替料：K2＝3×10－4cm/s；排水砂帶：K3＝1×10－4cm/s。

防滲墻厚度0.4cm，滲透坡降為44.75，此值小于防滲墻允許滲透比降75，故大壩滲透穩(wěn)定是滿足要求的。計(jì)算結(jié)果顯示，打過防滲墻之后壩體心墻內(nèi)浸潤(rùn)線明顯降低，浸潤(rùn)線只和上下游水位有關(guān)系。

（二）壩坡穩(wěn)定計(jì)算

加固后壩坡穩(wěn)定計(jì)算考慮為兩種情況即穩(wěn)定滲流期和庫(kù)水位降落期。上游坡核算壩前危險(xiǎn)水位（按三分之一壩高計(jì)）和水位從86.52m（5000年校核水位）降至78m（防洪起調(diào)水位）時(shí)的壩坡穩(wěn)定；下游坡核算壩前為設(shè)計(jì)水位83.10m壩體內(nèi)部形成穩(wěn)定滲流時(shí)的壩坡穩(wěn)定。

計(jì)算按比肖普（簡(jiǎn)化法）圓弧法電算，采用河海大學(xué)《土石壩穩(wěn)定分析系統(tǒng)SLOPE》電算程序，計(jì)算成果列于下表。

潑河水庫(kù)主壩壩坡穩(wěn)定畢肖普法復(fù)核成果表

表中成果均大于規(guī)范中要求，壩坡是安全的。

六、結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)主壩滲水原因的分析和防滲處理，從根本上解決了主壩滲水問題，清除了工程安全隱患，保障了水庫(kù)的安全運(yùn)行。