大石橋水庫大壩滲漏成因及加固措施

（信陽市水利勘測設(shè)計院）

大石橋水庫大壩滲漏成因及加固措施

□王冰

（信陽市水利勘測設(shè)計院）

大石橋水庫庫興建于動亂年代的特殊時期，大壩填筑質(zhì)量差，又經(jīng)過多年運行，大壩壩體、壩基滲漏嚴(yán)重，已危及水庫安全。文章詳細(xì)分析了大壩滲漏的原因，并制定了針對性的加固處理措施，即采用塑性混凝土防滲墻結(jié)合帷幕灌漿對壩體、壩基進(jìn)行了防滲處理，有效的解決了大壩滲漏問題，使水庫的防洪效益得以正常發(fā)揮，具有一定的推廣價值。

水庫大壩；滲漏成因；加固措施

1 工程概況

大石橋水庫位于商城縣觀廟鄉(xiāng)柳大灣村大石橋村民組，大壩座落在淮河右支白露河支流萬象河上。是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖、發(fā)電等綜合利用的中型水庫。水庫于1970年11月動工興建，1973年12月建成，控制流域面積7.40 km2（流域外的鮑樓?。?）型水庫洪水由溢洪道泄到本水庫，控制流域面積3.20 km2）。防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50 a一遇洪水設(shè)計，1 000 a一遇洪水校核，總庫容1 172萬m3。主要建筑物有大壩、溢洪道、輸水洞等。

大壩為粘土心墻砂殼壩，壩頂長200 m，壩頂高程128.14 m，最大壩高27.14 m，壩頂寬5 m，心墻頂部高程127 m，頂寬1 m，上、下游坡比均為1∶0.50，心墻下設(shè)有截滲槽，并在上游側(cè)壩基表層鋪筑有粘土鋪蓋，鋪蓋厚1～1.90 m。大壩上游坡122.14、112 m高程分別設(shè)有1.80、2 m寬平臺一道；下游坡121.85、112.35 m高程分別設(shè)有2.20、2 m寬平臺一道。大壩坡率：上游坡1∶2.05～1∶2.50、下游坡1∶1.78～1∶2.25。大壩上游坡為0.40 m厚的干砌石護(hù)坡；下游坡為草皮護(hù)坡，設(shè)有縱、橫向排水溝，壩腳處設(shè)有堆石排水棱體，壩后設(shè)有2 m厚的壓滲平臺。

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)

壩址區(qū)內(nèi)地層從上至下共分為五層：第①層，風(fēng)化砂代替料：褐黃色、黃色，顆粒組成從壩頂向下以風(fēng)化砂石為主，粘性土含量較少，填筑較松散～稍密；第②層：填土（心墻）：填筑中實，土呈可塑狀，物質(zhì)組成以低液限粘土為主，含少量低液限粉土，厚度在2.40～28.10 m之間；第③層：填土（心墻）：填筑稍密，土呈可塑狀，含較多風(fēng)化砂代替料，結(jié)構(gòu)中密，呈透鏡體狀分布，厚度在0.70～4.70 m之間；第④層：片巖（強(qiáng)風(fēng)化）：褐黃色，巖石呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，干鉆不易，清水鉆進(jìn)較快，但取不到巖芯，該層厚度6～8.30 m不等，承載力特征值fak= 300 kPa；第⑤層：片巖（中風(fēng)化）：褐黃色、青灰色，裂隙發(fā)育，巖石硬度較高，勘察揭示最大厚度2.70 m，承載力特征值fak= 500 kPa。

3 大壩存在的滲漏問題

3.1 壩基滲漏

在壓滲平臺后可見多處滲漏點，壓滲平臺后可見一股明流。滲水量隨庫水位增減而變化，當(dāng)庫水位達(dá)到123 m時，壩基呈帶狀滲水，滲水量高達(dá)0.81 L/s；當(dāng)庫水位下降至118 m時，滲水量為0.52 L/s。

3.2 壩體滲漏

壩體滲漏嚴(yán)重，當(dāng)庫水位達(dá)到122 m時，在下游坡高程104.80 m附近可見明顯的滲水明流現(xiàn)象。

4 滲漏原因分析

4.1 壩基裂隙發(fā)育

壩基表層為強(qiáng)風(fēng)化片巖，裂隙較發(fā)育，該層厚度6～8.30 m不等，往下漸變?yōu)橹酗L(fēng)化片巖，巖石較為新鮮完整。經(jīng)鉆孔壓水試驗，強(qiáng)風(fēng)化片巖透水率4＜q＜11Lu，為弱～中等透水，造成壩基滲漏。

4.2 壩體心墻填筑土料不滿足要求

大壩心墻填土以低液限粘土為主，為就近采取的河床兩岸階地表層坡積、沖積形成的低液限粘土、低液限粉土，局部含有有機(jī)質(zhì)及尚未腐爛的草根等，不滿足筑壩要求。

4.3 壩體填筑質(zhì)量差

勘探共取壩體原狀土樣17組，進(jìn)行了常規(guī)試驗與擊實試驗，按規(guī)范要求，中型水庫設(shè)計壓實度為0.96，由擊實試驗成果筑壩干密度設(shè)計值應(yīng)為1.65 g/cm3。原狀土樣常規(guī)試驗干密度結(jié)果表明：干密度最小值為1.50 g/cm3，最大值為1.67 g/cm3，平均值1.58 g/cm3。其中干密度＞1.65 g/cm3的1組，填筑質(zhì)量合格率僅達(dá)6%，尤其在樁號0+051～0+105之間高程115.10～120.30m段，以低液限粉土為主含風(fēng)化砂的心墻填筑碾壓質(zhì)量差，結(jié)構(gòu)較疏松，滲水較嚴(yán)重，滲透系數(shù)為4.27×10-5～3.15×10-4cm/s，滲透級別為弱～中等透水。

5 加固措施

5.1 方案比選

具體內(nèi)容見表1。

表1看出，方案b投資較省，但整體強(qiáng)度低、持久性差；方案a處理壩體滲流徹底，防滲效果好，但造價較高。為從根本上解決壩體滲漏問題，本設(shè)計采用方案a，即塑性混凝土防滲墻。

表1 壩體滲漏處理方案比較表

5.2 壩體防滲工程措施

5.2.1 工程布置

防滲墻中心線位于心墻軸線處，防滲墻底部深入壩基1 m，頂部高程127 m，最大深度32 m。

5.2.2 防滲墻技術(shù)參數(shù)

①塑性混凝土的密度：2～2.20 t/m3；②無側(cè)限抗壓強(qiáng)度：1.50～5 MPa；③抗拉強(qiáng)度：抗壓強(qiáng)度的1/7～1/12；④抗剪強(qiáng)度：c=0.20～0.30 MPa，Ф≥30。；⑤變形模量：100～600 MPa；⑥滲透系數(shù)：n×10-6～10-8cm/s；⑦破壞滲透比降：不小于300；⑧抗?jié)B標(biāo)號：W6～W8；⑨破壞應(yīng)變：無側(cè)限時為0.33%～0.70%。強(qiáng)度齡期采用90 d。

5.2.3 防滲墻厚度

根據(jù)防滲墻破壞時的水力坡降確定墻體厚度（d），見公式（1）。

式中：ΔHmax—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。

通過計算δ=0.42～0.47 m之間，防滲墻墻體厚度確定為0.50 m。

5.2.4 塑性混凝土防滲墻配合比設(shè)計

5.2.4.1 塑性混凝土防滲墻設(shè)計指標(biāo)

參考國內(nèi)已建工程經(jīng)驗，結(jié)合本工程的實際情況，該工程塑性混凝土防滲墻設(shè)計指標(biāo)為：①塑性混凝土的密度：2～2.20 t/m3；②無側(cè)限抗壓強(qiáng)度：1.50～5.00 MPa；③抗拉強(qiáng)度：抗壓強(qiáng)度的1/7～1/12；④抗剪強(qiáng)度：c=0.20～0.3 0 MPa，Ф≥30。；⑤變形模量：100～600 MPa；⑥滲透系數(shù)：n×10-6～10-8cm/s；⑦破壞滲透比降：≥300；⑧抗?jié)B標(biāo)號：W6～W8；⑨破壞應(yīng)變：無側(cè)限時為0.33%～0.70%。

5.2.4.2 塑性混凝土強(qiáng)度齡期確定

塑性混凝土強(qiáng)度增長較為緩慢，后期強(qiáng)度增長較大，一般采用90 d強(qiáng)度較為合理。

5.3 壩基防滲工程措施

5.3.1 工程布置

壩基滲漏采用帷幕灌漿進(jìn)行處理，施工時先做壩體塑性混凝土防滲墻，再進(jìn)行壩基帷幕灌漿。帷幕采用在混凝土防滲墻內(nèi)預(yù)埋管灌漿，埋管內(nèi)徑110 mm，灌漿終孔孔距2 m，三序孔施灌。

5.3.2 灌漿材料及灌漿方法

采用普通硅酸鹽水泥漿液，水泥強(qiáng)度等級42.50級。水泥漿采用水灰比5∶1、3∶1、2∶1、1∶1和0.50∶1五個比級，開灌水灰比5∶1，然后逐漸變濃。灌漿采用自上而下分段阻塞法灌漿，自上而下灌漿段長為：第1段2 m，第2段3 m，以下各段5 m。鉆孔采用150型地質(zhì)鉆機(jī)，硬質(zhì)合金鉆頭或金剛石鉆頭鉆進(jìn)，孔徑76 mm。

5.3.3 漿液擴(kuò)散半徑

漿液擴(kuò)散半徑按在有均勻分布裂隙的巖石中灌漿灌液擴(kuò)散半徑進(jìn)行計算，見公式（2）。

式中：K-灌漿前巖層的滲透系數(shù)；t-灌漿的延續(xù)時間；μ1、μ2-水與漿液的粘滯系數(shù)；H-灌漿壓力，以水柱高度計；r-輸漿管半徑；n-巖層的孔隙率。

根據(jù)上式及地質(zhì)報告中參數(shù)計算得：R＝1.43 m。

5.3.4 帷幕厚度

由于壩基灌漿采用單排帷幕，故帷幕厚度T=R。

5.3.5 帷幕孔距確定

灌漿孔孔距根據(jù)《大壩基礎(chǔ)灌漿》進(jìn)行計算，見公式（3）。

式中：L-灌漿孔距；R-漿液擴(kuò)散半徑。

經(jīng)計算，L＝2.47 m，取帷幕灌漿孔最終孔距為2 m。

5.3.6 灌漿壓力初步確定

根據(jù)帷幕灌漿造孔深度（不含靜壓灌漿造孔深度）進(jìn)行灌漿壓力計算，見公式（4）。

式中：P-灌漿壓力（kg/cm2）；D-灌漿段深度，m；α-系數(shù)；P1-灌漿泵上壓力表指示的壓力（kg/cm2）；P2-漿液自重的壓力（kg/cm2）；Pf-壓力損失，指漿液在流經(jīng)全部的管路過程中的壓力損失（kg/cm2）。由于孔內(nèi)管中的漿液流速較低，壓力損失較小，故此項可忽略不計。

經(jīng)計算，P＝8.70 kg/cm2，即P＝0.87 MPa。由于灌漿孔造孔深度不一，故計算灌漿泵上壓力表指示壓力應(yīng)介于0.38～0.67 MPa之間。實際灌漿壓力先通過試驗孔根據(jù)巖層的吸漿情況及對地表觀察，視有無冒漿或抬動變形情況，再做壓力調(diào)整，要求幕體單位吸水量W0降低到0.01～0.05 L/（min·m·m）。

5.3.7 帷幕結(jié)構(gòu)驗算

式中：ω—灌漿前巖層的單位吸水量，ω=0.20 L/（min·m·m）；ωc—灌漿后帷幕幕體的單位吸水量，ωc=0.02 L/（min·m·m）。

在設(shè)計規(guī)范中，規(guī)定了帷幕幕體內(nèi)的水力坡降的最大允許值Ia與幕厚T的關(guān)系，當(dāng)1.00＜T＜2.00m時，Ia=18，經(jīng)計算I＜Ia，說明幕體安全。

6 結(jié)語

大石橋水庫大壩采用塑性混凝土防滲墻結(jié)合帷幕灌漿對壩體、壩基進(jìn)行了防滲處理，有效的解決了大壩滲漏問題，使水庫的防洪效益得以正常發(fā)揮，整體經(jīng)濟(jì)效益得以提高。具有一定的推廣價值。

編輯：劉長垠 韋詩佳

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1673-8853（2017）04-0044-03

2017-1-5