段莘水庫(kù)防滲加固設(shè)計(jì)方案比選研究

程淦泉

（婺源縣水利局，江西 婺源 333200）

0 引言

據(jù)相關(guān)研究，水庫(kù)大壩病害主要是由壩體密實(shí)度較差或抗?jié)B能力不足引起的[1]。常見(jiàn)的滲漏病害形式主要有壩體滲漏、壩基滲漏、繞壩滲漏及涵洞滲漏等，各種滲漏病害原因繁紛復(fù)雜。準(zhǔn)確提出相應(yīng)的防滲加固方案，定量科學(xué)地評(píng)估加固后壩體滲透穩(wěn)定是水庫(kù)除險(xiǎn)加固的工作重點(diǎn)[2～3]。

本文以段莘水庫(kù)為例，深入分析了大壩目前存在的滲漏問(wèn)題，擬定了兩種加固設(shè)計(jì)方案通過(guò)比選確定，重點(diǎn)分析加固后壩體在不同工況下的滲流場(chǎng)、滲透比降、滲漏量及滲透變形問(wèn)題，復(fù)核了防滲加固方案的合理性和可靠性，并為后期運(yùn)行提出相應(yīng)的工程建議。

1 工程概況及安全鑒定

段莘水庫(kù)是一座以防洪、發(fā)電、灌溉為主兼具養(yǎng)殖功能的綜合中型水庫(kù)，水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉面積為0.6萬(wàn)畝，電站裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)容量1880 kW?，F(xiàn)樞紐建筑物主要由大壩、溢洪道、輸水隧洞（兼放空），主、副廠房，升壓站組成。水庫(kù)樞紐工程等別為Ⅲ等，正常蓄水位290.0 m，相應(yīng)庫(kù)容4140萬(wàn)m3；設(shè)計(jì)洪水位292.83 m，校核洪水位293.85 m，相應(yīng)庫(kù)容5640萬(wàn)m3。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查、地質(zhì)勘探以及質(zhì)量檢測(cè)，工程存在以下滲漏問(wèn)題:

（1）壩體、壩基的滲透坡降值在校核洪水位工況下，壤土保護(hù)層出逸點(diǎn)的滲透坡降值已接近允許值，存在滲流安全隱患。

（2）大壩沖抓套井心墻土左壩段276 m～287 m高程以下土體的滲透系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

（3）大壩壩基存在2 m～16 m厚的透水巖石，同時(shí)左、右兩壩肩表部也存在6.6 m～21.7 m厚的透水巖石，大壩存在壩基及繞壩滲漏問(wèn)題。

2 防滲加固設(shè)計(jì)方案

段莘水庫(kù)大壩加固設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是對(duì)壩身、壩基及右壩肩進(jìn)行防滲處理，據(jù)此擬定大壩加固方案。

2.1 大壩防滲加固方案比選

對(duì)比各垂直防滲處理技術(shù)的優(yōu)劣，考慮采用液壓抓斗配沖擊鉆建造砼防滲墻和高壓噴射灌漿造墻兩方案。根據(jù)相對(duì)不透水巖層頂板線埋深，結(jié)合壩身防滲處理措施，計(jì)劃采用帷幕灌漿對(duì)兩壩肩及岸坡部位壩基進(jìn)行防滲處理。因此，確定液壓抓斗配沖擊鉆建造砼防滲墻＋壩基帷幕灌漿方案（方案一）和高壓噴射灌漿（旋噴）造墻＋壩基帷幕灌漿方案（方案二）為比選方案。

2.1.1 方案一

方案一在壩頂沿心墻頂中心線采用液壓抓斗配沖擊鉆建造砼防滲墻截至強(qiáng)風(fēng)化基巖以下1.0 m對(duì)壩體進(jìn)行防滲加固。砼防滲墻全長(zhǎng)108 m，墻體設(shè)計(jì)厚度0.6 m。右壩肩及右側(cè)岸坡部位基巖采用帷幕灌漿防滲，帷幕孔線與墻體中線重合，以便結(jié)合防滲墻構(gòu)成整體封閉屏障，砼防滲墻施工時(shí)預(yù)埋間距2.0 m的灌漿鋼管，灌漿沿壩軸線向右岸延伸，右端伸至山體的相對(duì)不透水層頂板線與正常蓄水位線相交處。帷幕灌漿孔采用單排，孔距2.0 m，鉆孔灌漿深至相對(duì)不透水層頂面線以下5.0 m，使整個(gè)壩體在壩軸線上構(gòu)成了一道完整的防滲系統(tǒng)。

2.1.2 方案二

方案二在壩頂沿心墻頂中心線以高壓噴射灌漿建造防滲墻體，高壓噴射灌漿鉆孔伸入基巖以下0.5 m。高噴灌漿范圍全長(zhǎng)108 m，單排布孔，孔距0.75 m，采用三管法施工，噴射方式為旋轉(zhuǎn)噴射，成樁有效直徑可達(dá)1.0 m以上，噴射形成的防滲墻體有效厚度0.66 m。壩基防滲與方案一同采取帷幕灌漿。在高噴防滲墻里鉆孔灌漿，孔距2.0 m，確保壩體壩基構(gòu)成完整的防滲系統(tǒng)。

2.1.3 方案比選確定

從地形地質(zhì)情況、工程施工條件及投資方便予以比選確定:

（1）地形及地質(zhì)情況:砼防滲墻方案液壓抓斗配沖擊鉆開(kāi)槽能使砼墻體較容易坎入基巖至設(shè)計(jì)深度。而高壓旋噴灌漿防滲墻方案只能對(duì)第四系覆蓋層旋噴水泥漿形成防滲墻體，旋噴水泥漿形成連續(xù)防滲墻體困難。因此，從本工程地質(zhì)情況來(lái)看，砼防滲墻方案優(yōu)于高噴灌漿防滲墻方案。

（2）工程施工條件及難易程度:砼防滲墻方案施工設(shè)備簡(jiǎn)單，技術(shù)操作難度低，但是槽孔需要利用泥漿固壁。施工過(guò)程對(duì)泥漿性能要求較高，質(zhì)量不達(dá)標(biāo)極易引起槽孔坍塌。因此，從工程施工條件及難易程度考慮，兩方案各有千秋，以砼防滲墻施工技術(shù)成熟，施工質(zhì)量易保障而較優(yōu)。

（3）從工程直接投資情況看，砼防滲墻防滲工程直接投資為344.40萬(wàn)元，高噴防滲墻方案防滲工程直接投資為428.86萬(wàn)元，高噴方案相較于混凝土防滲墻方案直接投資多84.46萬(wàn)元。

綜上，混凝土防滲墻加固方案施工技術(shù)成熟，墻體與基巖接觸段保障性高，對(duì)工程地質(zhì)條件適應(yīng)性更好，且投資低。因此，在設(shè)計(jì)階段推薦采用本方案。

2.2 大壩加固后滲透穩(wěn)定分析

大壩加固后滲流復(fù)核計(jì)算按平面滲流問(wèn)題考慮，采用有限元方法計(jì)算分析。

2.2.1 計(jì)算斷面及滲透分區(qū)

選擇大壩最大斷面作為計(jì)算斷面，詳見(jiàn)圖1。各分區(qū)計(jì)算斷面的滲透指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 加固后大壩計(jì)算斷面各分區(qū)滲透指標(biāo)

圖1 穩(wěn)定滲流計(jì)算典型斷面圖

2.2.2 計(jì)算工況

計(jì)算中考慮下列水位組合情況:

（1）正常情況:正常蓄水位290.0 m，下游水位取排水溝底面高程，大壩形成穩(wěn)定滲流期的滲流計(jì)算。

（2）設(shè)計(jì)情況:庫(kù)水位為設(shè)計(jì)洪水位292.31 m，下游水位取排水溝相應(yīng)較高水面高程，大壩形成穩(wěn)定滲流期的滲流計(jì)算。

（3）校核情況:庫(kù)水位為校核洪水位293.79 m時(shí)，下游水位取排水溝相應(yīng)最高水面高程，大壩形成穩(wěn)定滲流期的滲流計(jì)算。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

三種水位組合下大壩加固后典型計(jì)算斷面的計(jì)算坡降和滲漏量見(jiàn)表2，滲流浸潤(rùn)線及等勢(shì)線見(jiàn)圖2～圖4。

表2 加固后大壩滲流計(jì)算坡降及滲流量表

圖2 正常蓄水位時(shí)計(jì)算斷面滲流流網(wǎng)圖

圖3 設(shè)計(jì)洪水位時(shí)計(jì)算斷面滲流流網(wǎng)圖

圖4 校核洪水位時(shí)計(jì)算斷面滲流流網(wǎng)圖

2.2.4 計(jì)算結(jié)果分析

由計(jì)算所得滲流網(wǎng)可知壩體滲流形態(tài)符合一般心墻土石壩的滲流規(guī)律，心墻削減總水頭70%以上，浸潤(rùn)線在心墻前后急速跌落，下游壩體浸潤(rùn)線相較于加固前已大為降低。

在計(jì)算工況下，普通混凝土心墻承受的最大滲透比降在在正常蓄水位時(shí)為20.63，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)為22.54，校核洪水位時(shí)為23.18，且均小于允許滲透比降經(jīng)驗(yàn)值80，滿足規(guī)范要求。而且各工況大壩計(jì)算單寬滲漏量均較加固前有所減小，大壩加固前在正常蓄水位形成穩(wěn)定時(shí)，大壩計(jì)算單寬滲流量為1.26 m3/(d·m)；大壩經(jīng)過(guò)加固后，正常蓄水位形成穩(wěn)定時(shí)大壩計(jì)算單寬滲流量為0.404 m3/(d·m)，僅為加固前的32%，說(shuō)明大壩防滲加固大大改善了大壩滲流狀況，方案是合理可行的。

3 結(jié)論

水庫(kù)除險(xiǎn)加固過(guò)程中，滲流穩(wěn)定控制措施較多，但各方案適用條件不同不能生搬硬套，需充分分析不同的地質(zhì)條件和性狀基礎(chǔ)，結(jié)合往期經(jīng)驗(yàn)擬選方案予以比選優(yōu)化確定。

為了定量分析段莘水庫(kù)壩體在加固后滲流穩(wěn)定情況，基于非飽和滲流有限元，計(jì)算了加固后大壩計(jì)算斷面的滲漏量和滲流穩(wěn)定性，從而驗(yàn)證了大壩整治方案的合理性。同時(shí)，鑒于壩體結(jié)構(gòu)及邊界條件的復(fù)雜性，建議大壩加固后在運(yùn)行過(guò)程中加強(qiáng)壩體滲流監(jiān)測(cè)，強(qiáng)化整編分析壩身、壩基及繞壩滲流測(cè)壓管的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)掌握大壩滲流性態(tài)。