水磨溝水庫(kù)大壩復(fù)合土工膜防滲斜墻設(shè)計(jì)分析

張 臻

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

水庫(kù)壩體滲漏對(duì)運(yùn)行安全有著極大威脅，全球超過(guò)50%的潰壩事故均是由壩體滲漏引發(fā)的。我國(guó)境內(nèi)目前存在有小型水庫(kù)超過(guò)10×104座，而且這些水庫(kù)大部分面臨滲漏嚴(yán)重、缺乏管理等問(wèn)題，存在諸多安全隱患，也時(shí)刻威脅著周邊區(qū)域人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，應(yīng)用最簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的辦法對(duì)其進(jìn)行防滲加固才是消除隱患的最佳途徑，其中復(fù)合土工膜防滲斜墻便是簡(jiǎn)單、實(shí)用的大壩防滲技術(shù)之一。

1 工程概況

水磨溝水庫(kù)位于新疆自治區(qū)阜康市境內(nèi)，是一座平原注入型水庫(kù)，無(wú)防洪任務(wù)。大壩全長(zhǎng)1 678.3 m，最大壩高5.5 m，設(shè)計(jì)總庫(kù)容101.65×104m3，工程規(guī)模為小(Ⅰ)型，工程等別Ⅳ等，永久建筑物中壩體及放水涵洞均為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。2015年8月，阜康市水利局組織專(zhuān)家對(duì)水磨溝水庫(kù)壩體實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，壩面高低不平，壩坡土體松散且無(wú)任何護(hù)坡，存在滲漏量較大問(wèn)題。為保證壩體安全穩(wěn)定性，決定對(duì)其進(jìn)行防滲加固處理。

2 壩體及壩基土體性力學(xué)質(zhì)分析

2.1 壩體土物理力學(xué)性質(zhì)分析

水磨溝水庫(kù)壩體土均為低液限黏土，棕黃色～棕褐色，干～稍濕，可塑～硬塑狀態(tài)，韌性強(qiáng)，干強(qiáng)度高。本次勘察采取壩體部分壩段土樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，各段指標(biāo)見(jiàn)表1[1]。

表1 壩體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 壩基土的物理力學(xué)性質(zhì)分析

水磨溝水庫(kù)壩基地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積層，主體為低液限黏土，部分存在厚度小于0.3 m的粉土、粉砂夾層。低液限黏土為棕黃色～棕紅色，稍濕，韌性較強(qiáng)，干強(qiáng)度較高。壩基部分壩段物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 壩基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3 復(fù)合土工膜防滲斜墻設(shè)計(jì)分析

3.1 水庫(kù)大壩滲漏量計(jì)算

3.1.1 壩體滲漏量計(jì)算

根據(jù)試驗(yàn)室滲透試驗(yàn)結(jié)果，確定水磨溝水庫(kù)壩體土的滲透系數(shù)為1.8×10-7～7.2×10-6cm/s，屬微透水性土層。水庫(kù)正常水位為504.1 m，壩后地下水位埋深1.5 m。壩體滲漏屬均一單層滲漏類(lèi)型，壩體滲漏量Q的計(jì)算見(jiàn)式(1)[2]。經(jīng)粗略估算，壩體滲漏量Q=6.5×104m3。該值較大，說(shuō)明壩體滲漏較嚴(yán)重，需進(jìn)行防滲加固。

(1)

式中：k為壩體土滲透系數(shù)，m/d；H1，H2為水庫(kù)正常蓄水位，壩后地下水位，m；h1，h2為壩體上下游含水層厚度，m；L為壩體透水部分平均距離，m；B為滲漏段總寬度，m。

3.1.2 壩基滲漏量計(jì)算

由于水磨溝水庫(kù)壩基由低液限黏土構(gòu)成，不存在透水砂層，滲透系數(shù)為1.8×10-7～5.3×10-6cm/s，屬微透水層。根據(jù)地層結(jié)構(gòu)及透水性，計(jì)算采用H.H巴甫洛夫斯基公式計(jì)算壩基滲漏量Q，見(jiàn)式(2)。經(jīng)計(jì)算，全壩段壩基滲漏量為4.15 m3/d，全年按200天計(jì)算得總滲漏量為830 m3，說(shuō)明壩基滲漏問(wèn)題不嚴(yán)重，無(wú)需處理[3]。

Q=B·K·H·qr

(2)

式中：B為滲漏計(jì)算段長(zhǎng)度，m，取1 677 m；K為滲透系數(shù)，m/d，取0.003 m/d；H為上下游水頭差，m，取5.5 m；qr為含水層厚度和壩基基底寬有關(guān)的流量參數(shù)，取0.15。

3.2 復(fù)合土工膜防滲斜墻設(shè)計(jì)

根據(jù)上文壩體和壩基兩部分滲漏量計(jì)算結(jié)果，水磨溝水庫(kù)大壩的滲漏部位主要集中在壩體，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)復(fù)合土工膜防滲斜墻對(duì)壩體進(jìn)行防滲加固。

3.2.1 復(fù)合土工膜厚度設(shè)計(jì)

復(fù)合土工膜厚度δm對(duì)壩體防滲性、土工膜抗拉性、土工膜壽命等參數(shù)均有直接影響，因此其厚度要根據(jù)土工膜承受載荷、壩體不均勻沉降等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。本項(xiàng)目采用蘇聯(lián)水工科學(xué)院的推薦公式計(jì)算δm，見(jiàn)式(3)。經(jīng)計(jì)算，δm=0.2 mm，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為兩布一膜[4]。

(3)

式中：E為塑料膜彈性模量，kPa；H為鋪膜范圍最大水頭，m；d為砂礫料保護(hù)層最大粒徑，mm；σ為塑料膜允許拉應(yīng)力，kPa。

3.2.2 土工膜錨固形式設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)防浪方案有兩個(gè)：①壩頂設(shè)置鋼筋砼防浪墻；②壩頂不設(shè)計(jì)防浪墻(加高培厚壩體)，經(jīng)估算，方案①比②投資多128元/m，因此選取方案②。而土工膜錨固只能在壩頂位置設(shè)計(jì)錨固溝，有V型和U型兩種形式(圖1)[5]。

圖1 土工膜錨固形式

通過(guò)利用ABAQUS有限元模擬軟件對(duì)兩種錨固方案土工膜最大主應(yīng)變(錨固溝內(nèi))進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)U型錨固的最大主應(yīng)變達(dá)到0.17，而V型錨固最大主應(yīng)變?yōu)?.08，相差2.15倍，因此最終設(shè)計(jì)采用V型錨固形式。見(jiàn)圖2。

圖2 土工膜不同錨固型式最大主應(yīng)變結(jié)果

3.2.3 復(fù)合土工膜防滲斜墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)壩坡設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定計(jì)算成果、培厚加高等要求，水磨溝水庫(kù)大壩上游壩坡設(shè)計(jì)1∶2.5，下游壩坡設(shè)計(jì)1∶2，上游需增加平均厚度為1 000 mm(最下端為5 000 mm，隨著高度增加厚度逐漸減小至500 mm)。上游護(hù)坡設(shè)計(jì)為現(xiàn)澆混凝土板結(jié)構(gòu)，其厚度t對(duì)壩坡壽命、工程投資有直接影響，經(jīng)驗(yàn)公式見(jiàn)(4)[6]。經(jīng)計(jì)算，t=150 mm，參照已有工程經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)混凝土護(hù)坡板厚取200 mm。

(4)

式中：η為相關(guān)系數(shù)，取1.0；Lm為平均波長(zhǎng)，m；ρc為板的密度，t/m3；ρw為水的密度，t/m3；hp為累計(jì)頻率為1%的波高，m。

最終水磨溝水庫(kù)壩體復(fù)合土工膜防滲斜墻結(jié)構(gòu)從下至上依次為：黏土層(200 mm)、砂礫料(300 mm)、土工膜、砂礫料(300 mm)、混凝土板(200 mm)，其中砂礫料作為土工膜保護(hù)層(圖3)。

圖3 復(fù)合土工膜防滲墻結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

水磨溝水庫(kù)大壩經(jīng)本次防滲加固后，壩體滲漏量降至1.6×104m3/a，較加固前下降75.4%，防滲效果顯著。復(fù)合土工膜防滲斜墻施工簡(jiǎn)單、快速，特別適合壩體較長(zhǎng)、等級(jí)較低壩體除險(xiǎn)加固工程。在設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合工程實(shí)際和其他工程經(jīng)驗(yàn)，本次水磨溝項(xiàng)目的設(shè)計(jì)值較理論計(jì)算值適當(dāng)有所提高，也是在調(diào)研其他項(xiàng)目基礎(chǔ)上作出的決定。