頂山水庫大壩除險(xiǎn)加固中大壩防滲技術(shù)方案研究

張 輝

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十師水利工程建設(shè)管理處，新疆 北屯 836099）

1 工程概況

頂山水庫位于阿勒泰地區(qū)福?？h境內(nèi)，是一座以灌溉為主的中型水庫，擬規(guī)劃建設(shè)為飲用水水源地，屬師級(jí)管理水庫，水庫由主壩、副壩、進(jìn)水建筑物和放水建筑物組成，大壩為粘土心墻土石混合壩，現(xiàn)狀壩頂高程525.0 m，防浪墻頂高程525.7 m，大壩最大壩高為32.7 m，壩頂寬6 m，主壩頂長2008 m。大壩迎水坡及背水坡為堆石體、表層干砌塊石護(hù)坡，背水坡壩腳為干砌塊石排水棱體。工程始建于1975年，于1982年和1993年分別兩次擴(kuò)建。在除險(xiǎn)加固前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘了解及安全性復(fù)核，該水庫大壩存在的問題主要有：（1）上、下游壩坡面不平整，壩體存在滲水；（2）防滲壩區(qū)土料密實(shí)度不足0.90，壓實(shí)不均勻且難以滿足要求，在高程499 m～506 m段及壩基接觸段水平向的滲漏難以滿足要求；（3）大壩迎、背水坡局部雜草叢生。本文主要根據(jù)現(xiàn)狀大壩滲漏情況和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料，對(duì)大壩進(jìn)行防滲方案比選，選擇出安全可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的防滲技術(shù)來進(jìn)行大壩防滲加固。

2 壩體防滲加固方案比選

2.1 壩體防滲加固方案比較

壩體防滲加固主要可采取充填式灌漿、劈裂式灌漿、振動(dòng)沉模混凝土防滲墻、高噴防滲板墻、射水法防滲墻、迎水坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜和鋪復(fù)合土工膜等方案[2]。根據(jù)該水庫大壩的實(shí)際情況，若采用充填式灌漿方案在前期有一定的防滲效果，后期防滲效果較差；劈裂式灌漿方案會(huì)對(duì)壩體產(chǎn)生較大擾動(dòng)，影響壩體的整體穩(wěn)定性；水庫大壩屬于心墻堆石壩，若采用復(fù)合土工膜防滲則需要全面拆除迎水坡堆石體，另外，復(fù)合土工膜與兩岸連接段的接頭較難處理，處理不好，則防滲效果得不到保障；因此本次加固主要從單管高壓旋噴防滲墻、射水法防滲墻+高噴防滲墻和振動(dòng)沉?；炷练罎B墻+高噴防滲墻三種方案進(jìn)行比選。

（1）方案一：?jiǎn)喂芨邏盒龂姺罎B墻

根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，結(jié)合高壓旋噴防滲墻的基本原理[3]，壩體主要材料為填筑土Ⅱ，壩基主要為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化花崗巖。高壓旋噴灌漿能適用于上述壩體土質(zhì)及全、強(qiáng)風(fēng)化地層的防滲。

本方案大壩及兩岸岸坡防滲均采用單管高壓旋噴防滲墻。

單管高壓旋噴防滲墻布置在原壩中軸線處，全壩段布置，深入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層2.0 m或至弱風(fēng)化花崗巖頂，樁徑600 mm，孔距0.40 m，行距0.45 m。范圍長159.47 m，高程513.35 m以下布置雙排，梅花型布置，其余為單排布置。共布設(shè)旋噴孔889孔，鉆孔總進(jìn)尺約21324 m，（其中強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層鉆孔總長1114 m，全風(fēng)化花崗巖鉆孔總長4410 m，填筑土鉆孔總長15800 m），單管高噴灌漿總進(jìn)尺15525 m。

（2）方案二：振動(dòng)沉模混凝土防滲墻+單管高壓旋噴防滲墻

該方案是利用強(qiáng)力振動(dòng)將空腹鋼模板沉入土中，向空腹內(nèi)注滿混凝土，漿液留于槽孔中形成單塊板墻，將單板連接起來而形成連續(xù)的防滲板墻帷幕。該方案設(shè)計(jì)在大壩高程505.35 m以上采用振動(dòng)沉模法建防滲墻，防滲墻頂高程523.10 m。防滲墻中心線沿壩軸線布設(shè)，樁號(hào)壩0+018～0+152.70為振動(dòng)沉模混凝土防滲墻，墻厚0.15 m，最大墻深20.0 m，振動(dòng)沉?；炷练罎B墻面積2346 m2。單管高壓旋噴防滲墻，樁號(hào)0+031.30～0+114.54雙排，梅花型布置，其余部分單排。直徑600 mm，孔距0.45 m。頂端與振動(dòng)板墻底部間搭接長度不小于1.0 m，底端進(jìn)入深入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層2.0 m或弱風(fēng)化花崗巖頂。共布設(shè)旋噴孔513孔，鉆孔總進(jìn)尺約13769 m，（其中強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層鉆孔總長495 m，全風(fēng)化花崗巖鉆孔總長2128 m，填筑土鉆孔總長11146 m），單管高噴灌漿總進(jìn)尺5522 m。

（3）方案三：射水造孔成墻法+單管高壓旋噴防滲墻

射水法是利用高速泥漿水流來切割破壞土層結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用機(jī)具進(jìn)一步破壞土層并切割修整孔壁形成具有一定規(guī)格尺寸的槽孔，然后澆筑混凝土連續(xù)墻的一種置換成墻工法[4]。該方案設(shè)計(jì)對(duì)大壩高程500.35 m以上采用射水法建混凝土防滲墻，防滲墻厚度0.25 m；壩基以下采用單管高壓旋噴樁。射水法與高噴法兩種防滲墻搭接長度1.0 m。方案總形成射水法混凝土防滲墻2928 m2；同時(shí)共布設(shè)旋噴孔513孔，鉆孔總進(jìn)尺約13769 m，（其中強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層鉆孔總長495 m，全風(fēng)化花崗巖鉆孔總長2128 m，填筑土鉆孔總長11146 m），單管高噴灌漿總進(jìn)尺4047 m。

表1 大壩壩體防滲方案對(duì)照表

經(jīng)深入分析并參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，各方案的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

2.2 壩體防滲加固方案選擇

三種方案中，方案一單管高壓旋噴防滲墻方案，施工時(shí)振動(dòng)小、施工工藝簡(jiǎn)單，施工進(jìn)度不受庫水位變化影響，施工機(jī)械較小型，道路通過性好，但樁與樁之間搭接質(zhì)量要求嚴(yán)格，工程造價(jià)較高。方案二振動(dòng)沉模+單管高壓旋噴方案，投資相對(duì)較低，振動(dòng)沉模形成的防滲板墻垂直連續(xù)，無接縫、無縱橫向開叉等缺陷，墻面平整，厚度均勻，防滲效果好，其缺點(diǎn)是施工工藝較復(fù)雜，施工機(jī)械數(shù)量少，施工時(shí)容易損壞維修占用工期，施工機(jī)械較大型，對(duì)施工道路要求高；水庫上壩防汛搶險(xiǎn)通道長且曲折，寬度僅2.0 m，轉(zhuǎn)彎半徑小，且邊坡較陡，拓寬成本高，振動(dòng)沉模機(jī)械無法到達(dá)。方案三射水造孔+單管高壓旋噴方案，施工機(jī)械較大型，對(duì)施工道路、場(chǎng)地要求較高，施工機(jī)械數(shù)量有限。綜合以上各因素考慮，本次除險(xiǎn)加固推薦方案一，即方案一單管高壓旋噴防滲墻方案。

3 加固后滲流安全及穩(wěn)定復(fù)核

3.1 滲流計(jì)算指標(biāo)

本次滲流復(fù)核采用的滲透系數(shù)是根據(jù)對(duì)大壩壩體進(jìn)行地質(zhì)鉆探后的試驗(yàn)值而選用的。

表2 大壩各土層分區(qū)滲透系數(shù)表

根據(jù)鉆探提供的地質(zhì)勘察資料，土的允許水力比降[J允]＝0.335。

3.2 計(jì)算斷面和計(jì)算方法

水庫大壩為粘土心墻土石混合壩，本文滲流穩(wěn)定分析選用最大壩高斷面和背水坡最大斷面兩個(gè)計(jì)算斷面進(jìn)行計(jì)算，滲流計(jì)算依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001），并采用“水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)（AutoBank 6.13）”計(jì)算程序進(jìn)行有限元法計(jì)算分析[5]。由于壩體施工時(shí)代替料和心墻為同種土料，本次滲流穩(wěn)定計(jì)算建模時(shí)將心墻和代替料合為一體，參數(shù)取值也相同，篇幅所限，僅列舉最大壩高斷面計(jì)算分析，大壩分區(qū)斷面見圖1，有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分見圖2。

圖1 大壩分區(qū)斷面圖

圖2 有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分圖

3.3 計(jì)算工況

加固后大壩滲流穩(wěn)定復(fù)核選取以下6種計(jì)算工況進(jìn)行計(jì)算[6]，計(jì)算工況及對(duì)應(yīng)水位見表3。

表3 計(jì)算工況及對(duì)應(yīng)水位表

大壩加固后滲流計(jì)算成果見圖3、圖4及表4、表5。

圖3 設(shè)計(jì)洪水位浸潤線圖

圖4 庫水位從正常蓄水位降至死水位浸潤線圖

表4 加固后最大壩高斷面滲流計(jì)算成果表

表5 加固后背水坡最大斷面滲流計(jì)算成果表

從表4和表5理論結(jié)算結(jié)果可知，水庫各計(jì)算工況下單寬流量較小，理論計(jì)算出逸水力坡降均小于土的允許水力比降[J允]＝0.335，滲流穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論及建議

根據(jù)三種加固方案比選分析后，得到方案一單管高壓旋噴防滲墻方案為本次大壩防滲加固的最優(yōu)方案，進(jìn)行大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核后，加固后大壩滿足滲流穩(wěn)定要求，該水庫加固運(yùn)行至今水庫未發(fā)現(xiàn)滲漏問題，運(yùn)行條件良好。