羽山水庫(kù)大壩防滲加固設(shè)計(jì)淺析

□郭曉萌 □孫玉賢 □梁祥金 □陳秋紅

（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

0 前言

羽山水庫(kù)位于連云港市東海縣橫溝、溫泉兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)交界處的羽山南麓。水庫(kù)1979年4月建成蓄水，集水面積7.00 km2，干流長(zhǎng)度3.20 km、干流比降2.07‰，水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇設(shè)計(jì)，1000 a一遇校核，相應(yīng)的設(shè)計(jì)水位為49.28m（廢黃河零點(diǎn)，下同），校核水位為49.68m，總庫(kù)容1225萬(wàn)m3。羽山水庫(kù)是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、城鎮(zhèn)供水、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(kù)。該水庫(kù)樞紐工程主要建筑物有：均質(zhì)土壩、灌溉涵洞、泄洪涵洞和進(jìn)庫(kù)涵洞各一座。

羽山水庫(kù)大壩全長(zhǎng)2870m，壩頂高程52.00m，壩頂寬8m，最大壩高16.50m。受特定歷史環(huán)境和技術(shù)條件限制，壩體土方工程在冬季施工，多為凍土上壩，特別是南壩地處老河槽處，凍土上壩程度較大，自1979年蓄水后沉陷和滲漏現(xiàn)象不斷。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，大壩壩腳護(hù)壩地長(zhǎng)期呈沼澤狀，滲水嚴(yán)重，說(shuō)明壩體和壩基存在質(zhì)量隱患，直接威脅大壩的整體安全，急需進(jìn)行防滲處理。

1 地質(zhì)勘察成果

地質(zhì)勘察成果主要包括以下幾個(gè)方面：①羽山水庫(kù)地貌屬低山丘陵間的沖洪積平原區(qū)，表層第四系覆蓋層較薄，主要由粉質(zhì)粘土及砂組成，局部含大量石英礫石；下部基巖為下元古界東海群變質(zhì)巖系片麻巖。②壩身填土共分三層，上層為重粉質(zhì)壤土，中層以粉質(zhì)粘土為主，下層為中粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)粘土為主，局部為重粉質(zhì)壤土，壩身土0+000～1+435及2+135～2+735為中等透水性。③壩基第一層土為粉質(zhì)粘土，強(qiáng)度較好，微透水性；第二層土為砂壤土，中等透水性，是大壩不可忽視的透水層；以下土層為風(fēng)化片麻巖，承載力較好，弱透水性。④壩體與壩基接觸帶上下土性不均，上部多含砂礫，下部多為密實(shí)老粘性土層，容易形成貫通的通道，為大壩重要的滲漏通道。壩體與壩基接觸帶屬中等透水性。⑤兩側(cè)壩肩與基巖多為直接接觸，接觸面地勢(shì)平緩，上下部物質(zhì)成分相差較大，易產(chǎn)生接觸沖刷，形成貫通的滲漏通道。

2 防滲加固范圍

①根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，壩身土0+000～1+435及2+135～2+735為中等透水性，壩基土0+135、0+839、0+935、2+035～2+335剖面處存在中等－強(qiáng)透水的砂壤土層，應(yīng)采取防滲加固措施；②大壩施工時(shí)為凍土上壩，施工質(zhì)量較差，水庫(kù)蓄水后沉陷和滲漏現(xiàn)象不斷；③根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查，整個(gè)壩體多處滲水，壩址近區(qū)長(zhǎng)年呈沼澤狀；④羽山水庫(kù)興利水位為49.00m，50 a一遇設(shè)計(jì)洪水位為49.28m，1000年一遇校核洪水位為49.68m，幾個(gè)特征水位差別比較小，水庫(kù)長(zhǎng)期處于高水位運(yùn)行狀態(tài)。綜合地質(zhì)資料、安全鑒定、現(xiàn)場(chǎng)勘查以及水庫(kù)自身的運(yùn)行特性，確定做防滲處理的范圍為0+035～2+535。1000 a一遇校核洪水位為49.68m，加上安全超高，防滲墻頂高程取50.50m。

3 加固方案比選

3.1 方案一——高壓噴射灌漿防滲墻方案

高壓噴射灌漿防滲墻即采用鉆機(jī)造孔，然后把帶有噴頭的灌漿管下至土層的預(yù)定位置，以高壓把漿液或水從噴嘴中噴射出來(lái)，形成噴射流沖擊破壞土層，土粒從土體中剝落下來(lái)后，一部分細(xì)小土粒隨著漿液冒出地面，其余部分與灌入的漿液混合摻攪，在土體中形成凝結(jié)體。其基本原理是利用射流作用切割摻攪地層，改變?cè)貙拥慕Y(jié)構(gòu)和組成，同時(shí)灌入水泥漿或混合漿液形成凝結(jié)體，借以達(dá)到加固地基和防滲的目的。通過(guò)高壓噴射灌漿形成防滲墻，完成對(duì)壩身、壩基的防滲加固處理，形成一道完整的防滲體，解決壩身與壩基的滲透穩(wěn)定問(wèn)題，最大深度20.09m。

高壓噴射防滲墻噴射方式有三種：高壓定噴、高壓旋噴、高壓擺噴。高壓定噴形成薄板狀凝結(jié)體，高壓旋噴形成圓柱狀凝結(jié)體，高壓擺噴形成啞鈴狀凝結(jié)體。由于高壓定噴形成的防滲墻厚度較薄，施工較難控制，所以本次不采用此方法防滲。另外，高壓擺噴造墻施工中控制不好容易對(duì)壩體穩(wěn)定造成影響。結(jié)合本工程實(shí)際情況，采用旋噴防滲墻比較適宜。

方案布置：沿壩軸線方向做高壓噴射灌漿防滲墻，墻頂高程50.50m。優(yōu)點(diǎn)：高壓噴射灌漿是在地基應(yīng)力不釋放的情況下實(shí)施形成的防滲體，屬逐漸過(guò)度型，墻體厚度雖然較薄，但兩側(cè)能形成滲透膠結(jié)層，帷幕彈模為10-3MPa，能適應(yīng)土體的變形，與原地層結(jié)合緊密，防滲效果較好，而且具有施工速度快、固結(jié)體強(qiáng)度大，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 方案二——混凝土防滲墻方案

混凝土防滲墻技術(shù)是在松散透水地基中連續(xù)造孔，以泥漿固壁，往孔內(nèi)灌注混凝土而建成的墻形防滲建筑物。它是對(duì)閘壩等水工建筑物在松散透水地基中進(jìn)行垂直防滲處理的主要措施之一。防滲墻按分段建造，一個(gè)圓孔或槽孔澆筑混凝土后構(gòu)成一個(gè)墻段，許多墻段連成一整道墻。墻體底部嵌入基巖或相對(duì)不透水地層中一定深度，即可截?cái)嗷驕p少地基中的滲透水流，對(duì)保證地基的滲透穩(wěn)定大壩安全，充分發(fā)揮水庫(kù)效益有重要作用。它也可作為土石壩中的防滲心墻，還可用以加固滲漏嚴(yán)重的土石壩?；炷练罎B墻的設(shè)置，減小了壩下承壓水頭，大大降低了下游壩體浸潤(rùn)線，增強(qiáng)大壩下游壩坡抗滑穩(wěn)定性。

方案布置：沿壩軸線方向在壩中布置混凝土防滲墻，防滲墻墻頂高程50.50m,形成一道完整的防滲體系，以控制壩體壩基滲流，降低壩體浸潤(rùn)線，防止壩體產(chǎn)生滲透破壞。優(yōu)點(diǎn)：①適用性廣：幾乎可適應(yīng)于各種地質(zhì)條件，從松軟的淤泥到密實(shí)的沙卵石，甚至漂石和巖層；②適用性強(qiáng)：深可達(dá)100m左右；③與其它防滲措施相比，混凝土防滲墻耐久性較好，防滲效率較高，安全、可靠。

4 設(shè)計(jì)內(nèi)容

4.1 方案一，高噴防滲墻方案

4.1.1 高噴防滲墻厚度

高噴防滲墻厚度按公式T=ΔH/J計(jì)算。式中，ΔH—最大上、下游水頭差（m），上游最高洪水位49.68m，相應(yīng)下游水位35.50m(最低地面高程)；ΔH=49.6835.50=14.18m；J—高噴防滲墻允許水力坡降，按有關(guān)資料J為60～70，取60；則T=ΔH/J=14.18/60=0.24m，取0.30m。

4.1.2 高噴灌漿孔距

根據(jù)以往水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程施工時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，高壓旋噴灌漿的間距為0.80～1.20m時(shí)，高噴防滲墻厚度方可達(dá)到0.30m。因此本次高壓旋噴的間距取1.20m。

4.1.3 高噴灌漿孔頂高程

旋噴墻頂取水庫(kù)校核洪水位或設(shè)計(jì)洪水位加0.30～0.60m的超高中大值，通過(guò)計(jì)算旋噴墻頂高程按校核洪水位取值為50.28m，實(shí)際施工取50.50m。

4.1.4 高噴灌漿孔底高程

帷幕的底部深入相對(duì)不透水層宜≥5m，據(jù)此確定各樁號(hào)高壓噴射灌漿高程為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖向下5m。

4.2 方案二，混凝土防滲墻方案

4.2.1 混凝土防滲墻厚度

混凝土防滲墻厚度按公式T=ΔH/J計(jì)算。式中：ΔH—最大上、下游水頭差（m），同前。ΔH=49.68－35.50=14.18m；J—混凝土防滲墻允許水力坡降， 按有關(guān)資料J取80.00；T=ΔH/J=14.18/80=0.18m，為施工方便，本次設(shè)計(jì)取厚度0.30m。

4.2.2 混凝土防滲墻頂高程

墻頂高程取50.50m，高程50.50m至壩頂回填素混凝土C15。

4.2.3 混凝土防滲墻底高程

混凝土防滲墻墻底宜嵌入基巖0.50～1.00m，據(jù)此確定各樁號(hào)處混凝土防滲墻底高程為伸入強(qiáng)風(fēng)化片麻巖0.50m。

5 方案選用

防滲方案主要工程量及投資見表1。

表1 防滲方案主要工程量及投資比較表

基于如下因素，本次設(shè)計(jì)選方案二為推薦方案，盡管方案一存在“施工程序少、可直接在壩頂施工、施工速度快、施工不受庫(kù)水位影響、防滲性能較好等優(yōu)點(diǎn)，但其造價(jià)高昂；方案二有“工藝先進(jìn)、速度快、成墻效果直觀，可靠性高”等優(yōu)點(diǎn)，且與方案一相比，其造價(jià)還是節(jié)省很多。

綜合以上分析，最終采用混凝土防滲墻施工方案解決羽山水庫(kù)大壩防滲問(wèn)題，一方面造價(jià)省，為高噴防滲墻造價(jià)的50%，另一方面在解決水庫(kù)大壩防滲問(wèn)題上技術(shù)是可行的。

6 壩體加固前后滲透穩(wěn)定成果

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，考慮地形、地質(zhì)及壩高等因素，選取大壩樁號(hào)0+835、1+335和1+635作為典型斷面，利用滲流有限元分析方法計(jì)算加固前后的壩坡滲透坡降以及壩體、壩基滲流量。由計(jì)算結(jié)果可知，采用混凝土防滲墻處理后，防滲效果顯著，大壩滲透安全滿足相關(guān)要求。