陀興水庫(kù)擴(kuò)建后土壩壩基防滲方案研究

姜福基，劉乃飛，葉知暉，冉統(tǒng)軍，俞宏

(1.甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 甘肅 蘭州 730000；2.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048)

陀興水庫(kù)擴(kuò)建后土壩壩基防滲方案研究

姜?；?，劉乃飛2，葉知暉1，冉統(tǒng)軍1，俞宏1

(1.甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 甘肅 蘭州 730000；2.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048)

陀興水庫(kù)建于二十世紀(jì)六七十年代，工程分為兩期，目前正在進(jìn)行二期改擴(kuò)建工程(正常蓄水位由53.23 m抬升到60 m)。根據(jù)水庫(kù)現(xiàn)狀條件和工程地質(zhì)勘探成果擬定了兩套防滲方案，并從滲流穩(wěn)定、壩坡抗滑穩(wěn)定以及工程投資等方面開(kāi)展了對(duì)比研究。研究表明無(wú)論從滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定還是工程投資方面方案2均優(yōu)于方案1。研究成果可為工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

陀興水庫(kù)；土壩；壩基防滲；滲流穩(wěn)定；抗滑穩(wěn)定

20世紀(jì)50～70年代，我國(guó)完成了水利工程建設(shè)的“大躍進(jìn)”，成為世界上水庫(kù)數(shù)量最多的國(guó)家[1]。但限于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件的限制，大部分都是小型土石壩，壽命約為50年。到目前為止基本都在超期服役，存在巨大的安全隱患[2-3]。如1975年的“板橋事件”致使超過(guò)2.5萬(wàn)人死亡，1 100萬(wàn)人受災(zāi)[4]。從而引起了中央層面的重視，并制定了一系列的除險(xiǎn)加固計(jì)劃，同時(shí)開(kāi)展了大量的相關(guān)研究工作。嚴(yán)祖文等[5]從大壩病險(xiǎn)認(rèn)定及除險(xiǎn)加固資金的使用等多個(gè)方面研究了中小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固過(guò)程中存在的主要問(wèn)題并最終給出了對(duì)策設(shè)想。唐巨山等[6]對(duì)橫山水庫(kù)擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究。文會(huì)祥等[7]對(duì)赤金峽水庫(kù)加高加固工程的壩基防滲技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。王莉等[8]對(duì)丹江口大壩加高兩岸土石壩設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了分析介紹。翁湛[9]采用有限單元法研究了土石壩加高后壩體滲流及其邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題。劉洪輝等[10]以峽山水庫(kù)南辛副壩除險(xiǎn)加固防滲設(shè)計(jì)為例，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)、滲流、穩(wěn)定及施工條件等方面對(duì)不同防滲方案進(jìn)行了分析。劉文等[11]采用有限體積法對(duì)西夏水庫(kù)土壩垂直防滲墻和水平防滲鋪蓋兩種防滲方案的滲流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究。

綜上可知，開(kāi)展土石壩除險(xiǎn)加固和加高培厚工作對(duì)于確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全及社會(huì)和諧穩(wěn)定至關(guān)重要。但針對(duì)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作的研究和總結(jié)工作大多集中于具體的加固方案或抗滑穩(wěn)定方面，關(guān)于土石壩壩基防滲方面的研究卻相對(duì)較少。本文結(jié)合海南省陀興水庫(kù)現(xiàn)狀條件和改擴(kuò)建工程地質(zhì)勘探成果，針對(duì)該工程土壩壩基擬定了兩套防滲設(shè)計(jì)方案并從滲流穩(wěn)定、滲流量、壩坡抗滑穩(wěn)定以及工程投資等方面開(kāi)展了對(duì)比研究，以期該研究成果能夠?qū)Ρ竟こ碳邦?lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

陀興水庫(kù)位于海南省東方市感恩河上，工程的任務(wù)是以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧供水、發(fā)電，是海南省東方市、樂(lè)東縣重要的骨干水利工程。水庫(kù)始建于1969年—1977年，原設(shè)計(jì)規(guī)模為Ⅱ等大(2)型水庫(kù)，實(shí)施期將工程分為一期和二期，到目前為止，工程僅實(shí)施了一期。擋水大壩由左岸漿砌石重力壩、中部漿砌石溢流壩、右岸漿砌石剌墻、右岸土壩等組成。

改擴(kuò)建前(一期)死水位為40.23 m，正常蓄水位為53.23 m，設(shè)計(jì)洪水位為58.53 m，校核洪水位為60.93 m。改建后(二期)死水位為43 m，正常蓄水位為60 m，設(shè)計(jì)洪水位61.26 m，校核洪水位為64.4 m。土壩段壩高由24.1 m增高為28.5 m。

由于右岸土壩壩趾、壩基表層為殘坡積土，根據(jù)殘坡積土層中的注水試驗(yàn)，其滲透系數(shù)K范圍值為5.26×10-4cm/s～5.35×10-3cm/s。下伏巖體為陀烈群云母石英片巖?；鶐r面以下3 m～5 m范圍內(nèi)，強(qiáng)風(fēng)化層透水率大于10 Lu，屬中等—強(qiáng)透水層。其下2 m～6 m范圍內(nèi)為弱透水上帶，透水率(5 Lu≤q<10 Lu)，之下為厚約2.0 m～3.0 m的弱透水中帶，透水率(3 Lu≤q<5 Lu)。改擴(kuò)建將水庫(kù)正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位抬高，總庫(kù)容增大后首先要對(duì)土壩段壩基滲流穩(wěn)定、滲流量、壩體抗滑穩(wěn)定等進(jìn)行計(jì)算分析，本文重點(diǎn)對(duì)水庫(kù)改擴(kuò)建后右岸土壩壩基防滲提出2個(gè)方案進(jìn)行研究。

2 壩基防滲改擴(kuò)建設(shè)計(jì)方案

改擴(kuò)建后要確保土壩壩基防滲方案滿(mǎn)足大壩各特征水位抬高后土壩段的防滲及穩(wěn)定性要求。土壩壩基防滲根據(jù)土壩趾防滲線和壩軸線防滲線地質(zhì)勘探成果，初步擬定了兩種設(shè)計(jì)方案[12-14]：(1) 壩趾設(shè)防滲墻+單排帷幕灌漿。在除險(xiǎn)加固壩面鋪設(shè)防滲土工布工程完成的基礎(chǔ)上，自壩趾防滲線樁號(hào)0+167.40—0+632.52段人工堆積填土和殘坡積土層中增補(bǔ)C15塑性混凝土防滲墻，墻下基巖透水層設(shè)單排帷幕灌漿；(2) 自壩頂設(shè)防滲墻+單排帷幕灌漿。在除險(xiǎn)加固工程完成的壩體斷面基礎(chǔ)上，自圓錐裹頭壩軸線樁號(hào)0+182.46—0+540.71段在壩頂設(shè)C15塑性混凝土防滲墻，墻底伸入基巖強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)1 m控制，云母石英片巖層滲透率≤5 Lu以下5 m控制設(shè)單排帷幕灌漿。

各方案詳細(xì)改擴(kuò)建典型斷面如圖1所示。

圖1 各方案土壩防滲改擴(kuò)建方案典型斷面(0+319)

3 各方案比選研究

為了研究上述兩方案是否滿(mǎn)足防滲要求及對(duì)比兩方案的優(yōu)劣，以便確定最優(yōu)方案，本節(jié)從滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定和工程投資等幾個(gè)方面進(jìn)行了分析論證。

3.1 滲流穩(wěn)定計(jì)算

3.1.1 計(jì)算方法及模型

考慮水庫(kù)工程現(xiàn)狀，對(duì)上述擬定的二個(gè)方案在水庫(kù)蓄水位從52.23 m抬升至60.00 m的土壩壩體、壩基滲流情況進(jìn)行分析。計(jì)算方法采用三維有限元計(jì)算，有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 壩區(qū)滲流場(chǎng)三維網(wǎng)格計(jì)算模型

計(jì)算域邊界條件設(shè)定為：上下游邊界以及底邊界均視為隔水界面；對(duì)于地表邊界，壩軸線上游側(cè)低于庫(kù)水位的地方為已知水頭邊界，高于庫(kù)水位的地方為滲流逸出面；壩軸線下游側(cè)，同樣低于下游水位的地方為已知水頭邊界條件，高于下游水位的地方為滲流逸出面。

3.1.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)勘探試驗(yàn)結(jié)果及反演分析確定的各地層及防滲材料的滲透參數(shù)如表1所示。

3.1.3 計(jì)算工況

土壩改擴(kuò)建后的特征水位條件下的滲流計(jì)算工況見(jiàn)表2。

表1 陀興水庫(kù)土壩改擴(kuò)建壩區(qū)各材料滲透系數(shù)

表2 滲流計(jì)算工況

3.1.4 結(jié)果分析

兩種改擴(kuò)建方案在不同工況下的滲流場(chǎng)如圖3所示(限于篇幅文中僅給出部分結(jié)果)，整理得到的各工況條件下滲透坡降和滲流量見(jiàn)表3和表4。

根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果(圖3及表3和表4)可以看出，方案1(壩趾防滲墻+基巖帷幕灌漿)和方案2(壩頂防滲墻+壩基帷幕灌漿)均對(duì)壩體、壩基滲流有一定控制作用，可有效消減水頭和基礎(chǔ)覆蓋層中的滲透坡降，降低下游壩坡浸潤(rùn)線。庫(kù)水位抬高后方案1各工況下總滲漏量分別為82.56 m3/d、92.44 m3/d、116.41 m3/d；方案2較方案1降低了約0.2%～3.2%。方案2主要部位的滲透比降和壩體下游水頭分布也比方案1略有減小，特別是漿砌石部位僅為方案1的60%(方案1還存在刺墻破壞后帶來(lái)的滲透隱患)。方案1在各種工況下土工膜和防滲墻共消減水頭分別為5.79 m、7.7 m和8.73 m，而方案2各種工況下消減水頭分別為5.99 m、7.87 m和8.83 m。兩方案逸出點(diǎn)與排水溝頂部高程(39.00 m)均基本齊平，出逸點(diǎn)部位滲透穩(wěn)定。綜上可知兩方面均滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定要求，但無(wú)論從滲流量、滲透比降還是削減水頭方面方案2均優(yōu)于方案1。

圖3 設(shè)計(jì)洪水位時(shí)0+319壩斷面水頭等值線分布(m)

表4 各工況下的滲漏量計(jì)算結(jié)果

注：右岸山體的滲漏量只是對(duì)模型中反映出的那一部分山體進(jìn)行計(jì)算獲得的。

3.2 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算

3.2.1 計(jì)算方法及模型

土壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算根據(jù)規(guī)范要求，采用簡(jiǎn)化畢肖普(Simple Bishop)法?？够€(wěn)定各方案分別選取1個(gè)典型斷面進(jìn)行分析，見(jiàn)圖1。兩方案僅在防滲措施設(shè)置的位置不同，即方案1在壩趾處設(shè)防滲墻+帷幕灌漿，方案2在壩頂設(shè)防滲墻+帷幕灌漿。3.2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)提出的土壩壩基殘積土和原土壩填土的物理力學(xué)參數(shù)建議值，土壩改擴(kuò)建前后主要參數(shù)見(jiàn)表5。

3.2.3 計(jì)算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[15](SL 274—2001)要求，土石壩穩(wěn)定分析主要計(jì)算工況如表6所示。

表5 土壩壩體主要參數(shù)

表6 抗滑穩(wěn)定計(jì)算工況

3.2.4 結(jié)果分析

抗滑穩(wěn)定分析主要對(duì)改擴(kuò)建后的土壩正常運(yùn)用條件和非常運(yùn)用條件下不同水位組合進(jìn)行計(jì)算?？紤]到陀興水庫(kù)區(qū)域構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度，按規(guī)范要求可不進(jìn)行地震工況下穩(wěn)定分析，主要對(duì)正常蓄水位60.00 m、設(shè)計(jì)洪水位61.26 m、校核洪水位64.40 m的壩體下游坡，以及水位驟降情況(初期為校核洪水位驟降至設(shè)計(jì)洪水位，后期為校核洪水位驟降至正常蓄水位)時(shí)壩體上游坡等工況進(jìn)行分析。兩方案典型斷面上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算最小安全系數(shù)如表7所示。

表7 土壩典型斷面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

由表7可以看出，方案1和方案2在各種工況下壩體典型斷面上游壩坡和下游壩坡抗滑穩(wěn)定均滿(mǎn)足規(guī)范要求。對(duì)比兩方案可知，前三種工況條件下(正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位)方案2的安全系數(shù)均大于方案1，但第四種工況條件下(校核洪水位驟降)方案1的安全系數(shù)大于方案2?？梢?jiàn)方案1對(duì)校核洪水位驟降工況更為有利。但鑒于第四種工況出現(xiàn)概率低且方案2也滿(mǎn)足安全要求，所以可以認(rèn)為方案2較方案1抗滑穩(wěn)定性略好。

3.3 投資分析

為能提出經(jīng)濟(jì)合理的方案，對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行了同精度概算。

方案1主體工程投資為1 241.3萬(wàn)元；方案2主體工程投資為1 125.2萬(wàn)元。方案2較方案1節(jié)節(jié)省投資9.35%，約為116.1萬(wàn)元。

4 討 論

前文從滲透穩(wěn)定、壩體抗滑穩(wěn)定和投資方面對(duì)擬定的兩種改擴(kuò)建方案進(jìn)行了全面對(duì)比分析，其匯總結(jié)果如表8所示。

表8 兩種方案綜合分析表

綜合表8及前述分析可以看出，無(wú)論從滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定還是工程投資方面方案2均優(yōu)于方案1。特別是由于刺墻滲徑短且滲透坡降較大，方案1的刺墻一旦出現(xiàn)裂隙，庫(kù)水將會(huì)在刺墻中形成滲漏通道，對(duì)刺墻部位以及整個(gè)庫(kù)水的防滲不利。但方案2自壩頂布置的防滲墻+基巖帷幕灌漿并自土壩圓錐裹頭與刺墻接觸部位起平行刺墻布置，防滲由防滲墻承擔(dān)，刺墻既是否出現(xiàn)裂隙，也不會(huì)產(chǎn)生較大滲漏。因此綜合考慮多方面的影響因素，本文推薦采用方案2。

5 結(jié) 論

根據(jù)海南省陀興水庫(kù)現(xiàn)狀條件和改擴(kuò)建工程地質(zhì)勘探成果，針對(duì)土壩壩基擬定了兩套防滲設(shè)計(jì)方案(方案1為壩趾設(shè)防滲墻+單排帷幕灌漿；方案2為自壩頂設(shè)防滲墻+單排帷幕灌漿)并從滲流穩(wěn)定、滲流量、壩坡抗滑穩(wěn)定以及工程投資等方面開(kāi)展了對(duì)比研究。研究表明，無(wú)論從滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定還是工程投資方面方案2均優(yōu)于方案1，且方案1壩趾防滲墻+單排帷幕灌漿在土壩圓錐裹頭段布置困難，同時(shí)存在與漿砌石溢流壩前帷幕灌漿的銜接問(wèn)題。故為保證陀興水庫(kù)改擴(kuò)建后土壩的運(yùn)行安全，土壩改擴(kuò)建壩基防滲推薦方案2(即壩頂設(shè)防滲墻+壩基單排帷幕灌漿)。

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Foundation Seepage Control for the Earth Dam of the Tuoxing Reservoir

JIANG Fuji1, LIU Naifei2, YE Zhihui1, RAN Tongjun1, YU Hong1

(1.GansuProvinceInstituteofWaterResourcesandHydropowerInvestigationandDesign,Lanzhou,Gansu730000,China； 2.InstituteofGeotechnicalEngineering,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an,Shaanxi710048,China)

Tuoxing reservoir was constructed in the 1960 s and 1970 s, which was divided into two stages. Now the second phase will raise the normal water level from 53.23 meters to 60.00 meters. According to the present situation of reservoir and geological exploration results, two seepage control schemes were proposed. Some comparative analysis of the two schemes were carried out which focusing on the seepage stability, sliding stability, construction cost etc. The study shows that regards to seepage stability, sliding stability or construction cost, the scheme II is better than Scheme I. The research results can provide useful reference for the design and construction of nd similar projects.

Tuoxing reservoir; earth dam; foundation seepage control; seepage stability; sliding stability

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.012

2017-03-12

2017-04-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11572246)

姜福基(1956—)，男，甘肅臨澤人，高級(jí)工程師，主要從事水工建筑設(shè)計(jì)工作。 E-mail: jfj19556@sina.com

TV643

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1672—1144(2017)04—0062—05