兔子湖水庫大壩滲流安全分析與治理措施探究

向廣銀（河南省信陽市水利勘測設(shè)計(jì)院 信陽 464000）

兔子湖水庫大壩滲流安全分析與治理措施探究

向廣銀
（河南省信陽市水利勘測設(shè)計(jì)院 信陽 464000）

兔子湖水庫興建于20世紀(jì)70年代初期，水庫大壩為均質(zhì)土壩，填筑質(zhì)量差，壩體滲漏嚴(yán)重。本文運(yùn)用有限元法對信陽市兔子湖水庫大壩滲流安全進(jìn)行分析評價(jià)，并通過方案比選論證，提出水泥土攪拌樁的防滲處理方案。

水泥土攪拌樁 壩體防滲 滲透系數(shù) 滲流穩(wěn)定

1 工程概況

兔子湖水庫位于淮濱縣城南7km張莊鄉(xiāng)境內(nèi)，淮河二級支流思河上，控制流域面積50.8km2。水庫興利水位31.60m，50年一遇設(shè)計(jì)水位33.10m，300年一遇校核水位33.55m，總庫容2025萬m3。主要建筑物包括大壩、溢洪道、灌溉輸水洞及交通橋，水庫大壩為均質(zhì)土壩，壩長1062m，最大壩高7.7m。水庫興建時(shí)，正值十年浩劫末期，工程在邊勘測、邊設(shè)計(jì)、邊施工的情況下倉促上馬實(shí)施，施工質(zhì)量較差，大壩滲漏嚴(yán)重，存在較大的滲流安全隱患。

2 壩體滲流安全分析

2.1 地質(zhì)鉆探與現(xiàn)場觀測情況

通過地質(zhì)鉆探揭示：大壩壩體填筑質(zhì)量普遍較差，土體碾壓密實(shí)度不夠，并有大量空隙，大壩樁號0+230、0+780附近填土干密度為1.45～1.56 g/cm3，滲透系數(shù)K為1.60× 10-5～4.99×10-4cm/s，滲透等級為弱～中等透水。

通過水庫現(xiàn)場運(yùn)行觀察，當(dāng)庫水位高于31.60m時(shí)，大壩背水坡即出現(xiàn)大面積滲水，并伴有散浸現(xiàn)象，散浸段主要位于樁號0+175～0+320（右端與莊臺接合處）、0+720～0+810（主河槽），逸出點(diǎn)高程位于28.40～28.90m之間。

2.2 壩體滲流安全分析

由于壩體未安裝浸潤線觀測管，壩腳無量水堰，未積累相關(guān)的觀測資料，所以僅對大壩滲流安全作理論分析。

2.2.1 計(jì)算斷面選取

綜合地勘資料選取樁號0+800處斷面作為大壩滲流分析的典型剖面，該剖面為最大壩高剖面，見圖1。

2.2.2 滲透系數(shù)選取

計(jì)算斷面各區(qū)土層的滲透系數(shù)均采用該項(xiàng)目工程地質(zhì)勘察報(bào)告的建議值，K=2.57×10-4cm/s。

2.2.3 允許抗?jié)B坡降計(jì)算

低液限粘土發(fā)生滲透破壞的主要形式為流土，臨界坡降按下式計(jì)算：

式中：GS—土粒比重，GS=2.72（由《勘察報(bào)告》查得）；

e—土的孔隙比，e=0.72（由《勘察報(bào)告》查得）。

經(jīng)計(jì)算，Jcr=0.999

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99），結(jié)合該水庫大壩的重要性，安全系數(shù)取2.0。則允許抗?jié)B坡降[Jcr]=0.999/2=0.5。

2.2.4計(jì)算方法及工況

計(jì)算采用理正滲流計(jì)算軟件程序，用有限元法求解滲流水頭并計(jì)算滲漏流量。滲流有限元分析基本方程為：

式中：[K]—透水系數(shù)矩陣；

{H}—總水頭向量；

[M]—單元儲水量矩陣；

{Q}—邊界流量對節(jié)點(diǎn)水頭的貢獻(xiàn)；

t—時(shí)間。

表1 大壩壩體注水試驗(yàn)成果表

圖1 大壩典型剖面滲流分析計(jì)算圖

計(jì)算工況：（1）正常蓄水位31.60m，下游無水；（2）設(shè)計(jì)洪水位33.10m，下游無水；（3）校核洪水位33.55m，下游無水；（4）校核洪水位33.55m驟降至正常水位31.60m，下游無水。

2.2.5 計(jì)算成果及分析

各特征庫水位下的滲流計(jì)算成果見表2。

從計(jì)算結(jié)果可以看出：（1）設(shè)計(jì)水位、校核水位工況下，下游壩體的浸潤線均較高，出逸點(diǎn)位置高；（2）當(dāng)庫水位從正常蓄水位31.60m上升到校核洪水位33.55m時(shí)，滲漏量由0.61m3/d/m增至1.27m3/d/m。水庫運(yùn)行中出現(xiàn)在主河槽和右岸臺地段多處散浸現(xiàn)象比較明顯，壩體滲流存在安全隱患。

3 壩體防滲加固方案選擇設(shè)計(jì)

針對壩體填筑質(zhì)量差、清基不徹底，主河槽壩段、右壩肩臺地段嚴(yán)重滲漏問題，需對壩體進(jìn)行防滲加固處理。3.1防滲處理方案比選

擬定三種方案進(jìn)行比較：方案Ⅰ，多頭小直徑深層攪拌水泥土防滲墻；方案Ⅱ，大壩劈裂粘土灌漿；方案Ⅲ，澆筑塑性混凝土防滲墻。

方案Ⅰ：多頭小直徑深層攪拌水泥土防滲墻

深層攪拌水泥土防滲墻一般采用單軸、多軸深攪拌樁機(jī)施工。其原理是用深攪拌樁機(jī)鉆孔至預(yù)定深度，向孔中注入水泥漿液，用螺旋型鉆頭進(jìn)行攪拌，盡量使土體與水泥漿強(qiáng)制拌合均勻而凝結(jié)，形成水泥土柱，互相搭接成墻，起到防滲作用。技術(shù)要點(diǎn)：（1）施工工藝較簡單，施工工效高，與塑性混凝土防滲墻施工相比，不需開槽，無塌孔、護(hù)壁等問題；（2）成墻造價(jià)低，折算85.26元/m2；（3）成墻效果好，墻體厚度均勻、連續(xù)，墻體厚度滿足防滲要求。

方案Ⅱ：大壩劈裂粘土灌漿

土壩劈裂灌漿是運(yùn)用壩體應(yīng)力分布規(guī)律，用一定的灌漿壓力，將壩體沿壩軸線方向劈裂，同時(shí)灌注合適的泥漿，形成鉛直連續(xù)的防滲帷幕，并堵塞漏洞裂縫或切斷軟弱層，以提高壩體的防滲能力；同時(shí)，通過漿壩互壓和濕陷，使壩體內(nèi)部應(yīng)力重分布，提高壩體變形的穩(wěn)定性。劈裂灌漿具有機(jī)理明確、工藝簡單、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)。但它也有一定的局限性：（1）對于粗砂及卵礫石壩基，因其土層結(jié)構(gòu)性差，形不成連續(xù)劈裂，不宜于采用劈裂灌漿；（2）影響壩體整體強(qiáng)度，持久性差；（3）防滲效果沒有防滲墻顯著。

表2 加固前大壩典型剖面滲流計(jì)算成果表

表3 加固后大壩典型剖面滲流計(jì)算成果表

方案Ⅲ：塑性混凝土防滲墻

在壩頂上開深槽，采用鋸槽法施工，塑性混凝土材料具有抗?jié)B性能好，變形模量低，極限應(yīng)變值大，適應(yīng)變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)，對壩體和壩基滲漏處理效果好。但工程造價(jià)高，折合348.35元/m2，約為方案Ⅰ投資的4倍。

該工程大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高只有7.7m，經(jīng)防滲性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合比較，采用方案Ⅰ。

3.2 防滲處理設(shè)計(jì)

本工程擬對大壩0+630～0+870、0+175～0+370段采用多頭小直徑深層攪拌水泥土防滲墻進(jìn)行防滲處理，沿壩軸線布置，采用單排樁布設(shè)，一機(jī)3個(gè)鉆頭，直徑為400mm，樁搭接寬度為100mm以上，水泥土防滲墻進(jìn)入壩基低液限粘土層1.0m。

3.2.1 墻體厚度

防滲墻厚度是根據(jù)破壞時(shí)的水力梯度來確定的，其計(jì)算公式為：

δ=H/J允

式中：δ—防滲墻厚度，m；

H—作用在墻體上的水頭，m；

J允—防滲墻的允許水力梯度，設(shè)計(jì)采用J允=40。

經(jīng)計(jì)算，墻體厚度取0.3m。

3.2.2 墻體深度

防滲墻底部高程至壩基低液限粘土1.0m，攪拌樁距輸水洞洞壁1m范圍內(nèi)不做防滲。

4 加固后壩體滲流穩(wěn)定驗(yàn)算

加固后壩體滲流穩(wěn)定驗(yàn)算典型斷面、計(jì)算參數(shù)、計(jì)算方法和計(jì)算工況同加固前壩體滲流安全分析。各種工況下的滲流計(jì)算成果見表3。

從計(jì)算結(jié)果可以看出：防滲處理后各種工況下，下游壩體的浸潤線溢出點(diǎn)均較低，滲漏量也大幅降低，壩體滲流形態(tài)趨于安全，下游坡不會發(fā)生滲透破壞。

5 結(jié)論

確定水庫大壩防滲加固方案時(shí)，經(jīng)過深層攪拌樁水泥土防滲墻、壩體劈裂粘土灌漿、塑性混凝土防滲墻多種方案比較，最終確定采用深層攪拌樁水泥土防滲墻方案。為使壩體滲水能安全排出，在背水坡壩趾處設(shè)置貼坡排水。通過上堵下排的防滲處理方案，較為徹底地解決了大壩滲透穩(wěn)定問題