除險加固大壩的垂直防滲設計分析

周 選

(蘆溪縣水利局,江西 萍鄉(xiāng) 337200)

1 工程概述

蘆溪縣銀河鎮(zhèn)東風水庫興建于1958年，1965年完全投入運行。水庫壩址控制流域面積9 km2，水庫總庫容962萬m3，是一座以灌溉為主，兼顧養(yǎng)殖等綜合開發(fā)利用的重點小(1)型水庫。水庫樞紐工程主要建筑物有大壩、開敞式溢洪道、輸水隧洞和渠系建筑物等。隨著水庫的投入運行，該水庫大壩也出現(xiàn)了不同程度的工程質(zhì)量問題，雖然經(jīng)過了多次的除險加固處理，但是水庫大壩仍存在較多的安全隱患，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)水庫大壩壩基存在嚴重的滲漏問題，且與溢洪道交接區(qū)域，存在一定的繞滲現(xiàn)象。

(2)大壩在修建過程中，不良地基清理不徹底，壩基上部覆蓋有厚1.70～6.90 m的沖積、殘坡積含礫粉質(zhì)黏土層，表層見腐植質(zhì)，呈中等透水性。再加上，壩體及黏土心墻填筑時，填土不均勻，碾壓欠密實，壩殼填土及心墻填土滲透系數(shù)分別為K=3.84×10-3cm/s和K=8.05×10-4cm/s，均不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，導致大壩存在較為嚴重的滲漏問題。同時，反濾棱體主要由塊石堆填而成，塊石呈灰白色，巖性主要為砂巖，中等風化，大小不一，塊徑10～50 cm不等，無分選性，棱體下部空隙被黏土充填，排水效果差，局部已然失效，再加上大壩下游坡存在蟻害跡象，通過現(xiàn)場勘查和評估，當前大壩的滲透安全性為C級。

(3)水庫的溢洪道出口沒有設置消力池，且下游泄洪渠狹窄，很容易被廢棄土堵塞。

(4)大壩的低涵管閘門啟閉設施存在嚴重老化，部分設備出現(xiàn)螺桿銹蝕、剝落等問題，人工開啟困難。

(5)防洪搶險公路狹窄，路基不實，大壩無任何管理設施，包括水、雨情觀測設施等。

2 大壩的地質(zhì)勘查結(jié)果

本文重點針對大壩的滲漏問題展開研究分析，通過詳細的前期地質(zhì)、水文勘查，制定大壩的防滲設計方案。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)勘查結(jié)果，東風水庫大壩位于源南向斜的中段，源南向斜為一向南倒轉(zhuǎn)的兩翼不對稱的緊密狹長式向斜構(gòu)造，北翼傾角陡，為60°～80°，南翼局部倒轉(zhuǎn)，南翼被F3、F4兩個逆斷層切割，致使南翼龍?zhí)督M地層不完整。壩址區(qū)屬源南向斜中段的北翼，區(qū)域資料顯示及本次勘察均未發(fā)現(xiàn)壩址區(qū)有斷裂構(gòu)造。同時受區(qū)域構(gòu)造運動的影響和長期的風化作用，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育。

2.2 水文地質(zhì)

壩址區(qū)地下水類型主要為第四系松散層孔隙水及基巖裂隙水，通過對壩基、壩左肩、壩右肩地下水，水庫等區(qū)域的地下水進行取樣分析，壩址地下水對混凝土無腐蝕，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋無腐蝕，但均對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕。

2.3 壩體質(zhì)量評價

東風水庫大壩屬于黏土心墻壩，根據(jù)現(xiàn)場鉆探揭露，大壩壩殼及心墻填土均取自壩區(qū)附近的第四系殘坡積、沖積土。大壩壩殼填土土質(zhì)主要為灰黃色、棕紅色含礫粉質(zhì)黏土，填土成分較雜，均勻性差，隨機變化大，填土中礫(碎)石含量較多，一般達30%～50%，局部可達60%以上。礫(碎)石成分以風化砂巖為主，灰白色，礫徑一般為10～60 cm，呈棱角狀或次棱角狀。壩殼填土及心墻填土滲透系數(shù)分別為K=3.84×10-3cm/s和K=8.05×10-4cm/s，均不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3 除險加固大壩的垂直防滲設計

3.1 上游壩坡與兩岸連接處齒墻

為了改善上游護坡與兩岸之間的連接關(guān)系，本工程計劃在護坡上下限區(qū)域、以及護坡與岸坡相接處均設置C15混凝土齒墻，混凝土齒墻斷面尺寸為1.2 m×0.8 m。

3.2 下游貼坡排水體

根據(jù)前期的調(diào)查表明，水庫大壩的原排水棱體反濾層失效，因此，在處置防滲設計過程中，計劃對現(xiàn)有的排水棱體進行翻修施工，在壩腳設貼坡排水體，貼坡頂部高程為150.7 m，外坡與壩坡相同為1∶3.50，排水體上設0.4 m厚干砌塊石，下部分別設0.2 m厚卵石、0.2 m厚碎石、0.1 m厚砂墊層，貼坡排水兩側(cè)與巖坡相接處設岸坡排水溝，并在馬道與排水棱體頂部內(nèi)側(cè)各設置一條排水溝，在貼坡排水體底部設置一條壩趾集水溝，且與壩下游排水溝相連，排水溝與集水溝采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)型式。

同時結(jié)合工程實際情況，大壩下游采用C20混凝土設置一道50 cm×140 cm×150 cm的三角形量水堰，并在量水堰的開口位置設置一塊8 mm厚度的80 cm×40 cm的鋼板。

3.3 壩身壩基(肩)防滲加固處理

根據(jù)前期的數(shù)據(jù)調(diào)研表明，當水庫的水位超過148 m時，大壩下游右側(cè)壩腳146 m高程左右有集中滲漏現(xiàn)象，實測最大滲水量達6 L/s，如不處理，極易形成管涌，因此需對壩身進行防滲處理。為了在確保防滲處理效果的同時，盡可能的降低工程的整體造價，本工程設計了兩種防滲方案，具體如下。

(1)方案一：采用套孔沖抓造黏土截水墻方案，即在壩頂壩軸線處布置長度為125 m的套孔沖抓造黏土截水墻，按主孔和套孔相間布置，一主一套相交連接成墻。本次設計按雙排布置，其中排距為0.94 m，每排主(套)孔間距均為1.56 m，防滲墻有效厚度1.72 m，主(套)孔共布孔322個，每個鉆孔伸入壩基覆蓋層底線。

(2)方案二：采用高壓擺噴灌漿造混凝土防滲墻，即在壩頂軸線設置高壓擺噴灌漿造混凝土防滲墻，總長115.0 m，采用XT-100型鉆機，回旋鉆進單排布孔，同時采用泥漿護壁(比重不小于1.20 t/m3)，鉆孔直徑127 mm，鉆孔時采取有效控制措施，確保鉆進斜率小于1%。相鄰孔之間的間距為1.60 m，分二序進行施工，墻底伸入強風化巖下0.5 m，最大鉆孔深度24.5 m。

通過對比以上兩種防滲施工方案，均能夠有效的對壩體壩基(肩)進行防滲堵漏，徹底解決壩身滲漏問題。主要不同之處在于對壩體壩基防滲所采用材料不同；各方案在工程施工條件及施工難易程度，工程除險加固后安全度及工程投資方面存在差異(如表1所示)。

表1 大壩加固方案工程量與造價比較表

如表1所示，如果采用套孔沖抓造防滲墻施工方案，優(yōu)點是施工方法簡單，操作方便，但施工過程中會對壩頂路面產(chǎn)生較大的破壞，而且需要修剪臨時公路到取土場，整體造價和施工量較高。而采用高壓擺噴灌漿造混凝土防滲墻方案，不僅施工時，所使用的機械設備比較簡單，而且整體施工效率較高，無須護壁漿液和混凝土制作澆筑系統(tǒng)，且無需對施工場所進行改造。因此，經(jīng)過綜合考慮，本次大壩防滲設計采用高壓擺噴灌漿造混凝土防滲墻方案。

4 除險加固大壩的垂直防滲設計效果

高壓擺噴灌漿造混凝土防滲墻施工結(jié)束后，采用北京理正軟件設計研究院滲流計算程序，按設計斷面進行大壩滲流及壩坡穩(wěn)定計算，如表2所示。

表2 大壩滲流計算成果表

由表2的計算成果可知，大壩在完成垂直防滲施工之后，壩體浸潤線在下游排水體中出逸，位置較低，相比現(xiàn)狀斷面，設計斷面各土層滲透坡降明顯降低，最大滲透坡降均小于其允許值。此外，經(jīng)防滲處理后設計斷面校核洪水位滲流量Q=5.40 m3/d·m，設計洪水位滲流量Q=4.90 m3/d·m，滲流量明顯降低，浸潤線也明顯降低，證明垂直防滲施工方案有效。

5 結(jié) 語

綜上所述，結(jié)合水文地質(zhì)勘查結(jié)果以及防滲加固經(jīng)驗，通過對比套孔沖抓造防滲墻施工和高壓擺噴灌漿造混凝土防滲墻方案，最終選擇了高壓擺噴灌漿造混凝土防滲墻方案進行垂直防滲施工，根據(jù)施工后的控制效果來看，滿足了大壩除險加固的要求，延長了水庫大壩的使用壽命，保障了水庫大壩的安全穩(wěn)定運行。