塑性混凝土防滲墻對大壩滲流穩(wěn)定的影響分析

宋兵偉

（大連河海水利水電勘測設(shè)計(jì)有限公司，遼寧大連116021）

0 引言

截止到2005年底，遼寧省包括小型水庫在內(nèi)，全省共有三類病險(xiǎn)水庫265座，占全省水庫的28.5%，其中大型病險(xiǎn)水庫13座，中型水庫36座，小型水庫216座，分別占大、中、小型水庫的48.0%，51.0%，26.0%[1]。大規(guī)模病險(xiǎn)水庫的存在，已經(jīng)嚴(yán)重威脅著下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施和人民生活財(cái)產(chǎn)的安全，加劇了水資源的供需矛盾，嚴(yán)重影響了區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城鄉(xiāng)供水、環(huán)境效益的發(fā)揮，因此加快大、中、小型病險(xiǎn)水庫的除險(xiǎn)加固工作刻不容緩。

近年來，國家發(fā)展改革委、財(cái)政部共安排資金1553億元，對2800多座大中型和6.9萬多座小型病險(xiǎn)水庫進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，切實(shí)保障了水庫安全，有效發(fā)揮了水庫防洪、供水、灌溉等綜合效益，但是隨著時(shí)間的推移，許多水庫接近或達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，或因超標(biāo)洪水、地震等原因，工程老化、損毀，仍有部分水庫陸續(xù)進(jìn)入病險(xiǎn)行列。按照中央要求，對現(xiàn)有病險(xiǎn)水庫，2025年底要全面完成除險(xiǎn)加固，對新出來的病險(xiǎn)水庫及時(shí)除險(xiǎn)加固。而且2020年，國家遭遇了歷史上較為嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，許多水庫尤其是小型水庫受到影響，因此加強(qiáng)病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固已成當(dāng)務(wù)之急。

1 新房水庫工程概況

新房水庫座落在莊河市大營鎮(zhèn)新房村境內(nèi)，系新房河流域。新房水庫始建于1958年7月，壩址以上集雨面積6.40km2，壩址以上河長5.56km，河道平均比降2.156%。水庫總庫容為190.03萬m3，是一座以防洪、灌溉為主的?。?）型水庫。新房水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水洞等工程組成。

根據(jù)現(xiàn)場安全檢查并結(jié)合大壩建設(shè)時(shí)的原始資料，以及建成后的運(yùn)行情況，水庫大壩為粉質(zhì)粘土心墻壩，心墻頂高程為51.40m，心墻頂至壩頂為均質(zhì)壩。大壩為粘土心墻壩，壩長186.00m，最大壩高17.42m，現(xiàn)狀壩頂高程為55.61m，壩頂寬4.00m，為混凝土路面，防浪墻高0.90m。大壩上游為干砌石護(hù)坡，邊坡比為1.0∶2.4，1.0∶4.4；下游坡為草皮護(hù)坡，坡比為1.0∶2.1，1.0∶2.3，1.0∶2.0，下游坡腳處有棱體排水體。

水庫正常蓄水位為52.01m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位為54.02m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇，相應(yīng)校核洪水位為54.83m。

2019年5月，新房水庫被鑒定為三類壩，其主要問題為大壩的防滲體系不完善，原始資料記載的心墻頂高程低于正常蓄水位，且曾在正常運(yùn)行工況時(shí)下游出現(xiàn)過大面積的滲水現(xiàn)象，因此認(rèn)為新房水庫存在嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷問題，嚴(yán)重影響了工程安全，工程質(zhì)量評為不合格。

安全鑒定后，新房水庫被列為大連市、莊河市重點(diǎn)病險(xiǎn)庫，2020年1月，大連市水務(wù)局成立專家組對新房水庫進(jìn)行安全鑒定核查，確認(rèn)了安全鑒定的結(jié)果，進(jìn)一步確認(rèn)了大壩防滲體頂高程不足，大壩抗洪能力不滿足規(guī)范要求，水庫大壩工程防洪安全性評為C級；由于防滲體頂高程低于正常蓄水位，且未與防浪墻緊密結(jié)合，工程的防滲設(shè)施不完善，存在嚴(yán)重質(zhì)量缺陷，影響大壩安全，因此大壩滲流性態(tài)不安全，評為C級。因此建議對其進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

2 水文和地質(zhì)情況

2.1 水文情況

新房水庫所在流域內(nèi)無洪峰流量水文觀測站和雨量觀測資料，屬于無資料地區(qū)。依據(jù)SL144-2006《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》中規(guī)定：可以從經(jīng)過審批的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖上查算工程所需歷時(shí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量。

設(shè)計(jì)采用1998年遼寧省水文水資源勘測局編制的《遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》（以下簡稱《計(jì)算方法》）中集水面積小于300km2的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法。流域面積F=6.40km2，河長L=5.56km，河道比降J=2.156%，水文分區(qū)屬于Ⅲ2區(qū)。調(diào)洪計(jì)算后，所得到的不同頻率時(shí)的洪水成果如表1所示。

2.2 地質(zhì)情況

根據(jù)水庫安全鑒定和核查結(jié)論，新房水庫的粘土心墻防滲體在大壩內(nèi)部的位置和尺寸成為除險(xiǎn)加固防滲方案的關(guān)鍵。為此，莊河宏偉地質(zhì)勘察工程有限公司在2020年3月對新房水庫除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行了詳細(xì)勘察，重點(diǎn)勘查防滲體的位置及連續(xù)狀態(tài)，最終形成地質(zhì)勘察報(bào)告，主要地質(zhì)情況如下：

表1 水庫洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果表

1）新房水庫為低山丘陵區(qū)，抗震設(shè)防烈度為6°，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃為0.40s。

2）壩體部分砂土（壩殼土）整體碾壓較好，質(zhì)量好，滲透系數(shù)平均值為8.10×10-4cm/s，中等透水；局部粉質(zhì)粘土（心墻土）物理力學(xué)性質(zhì)較好，滲透系數(shù)平均值為4.65×10-5cm/s，弱透水，但其分布極不連續(xù)，大壩縱向和橫向均未形成連續(xù)的防滲體。

3）壩基部分礫砂層透水性好，是壩基的主要滲漏通道；全風(fēng)化細(xì)粒黑云母二長花崗巖透水率為7.00～8.20Lu，透水性等級為弱透水；壩基巖石強(qiáng)度較大，工程性質(zhì)良好，穩(wěn)定性較好，中風(fēng)化細(xì)粒黑云母二長花崗巖透水率為4.30～7.60Lu，透水性等級為弱透水。

4）大壩防滲心墻不連續(xù)，在空間上沒有規(guī)律可循。

3 滲流穩(wěn)定分析

3.1 計(jì)算參數(shù)及方法

根據(jù)地勘報(bào)告的成果，結(jié)合既有的大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面資料，認(rèn)為目前大壩無粘土心墻防滲體，大壩為均質(zhì)土壩，進(jìn)而分析現(xiàn)狀大壩的滲流穩(wěn)定性。除險(xiǎn)加固時(shí)，綜合比較了高噴灌漿和液壓抓斗法塑性混凝土防滲墻的方案[2-4]，認(rèn)為后者雖然施工存在一定的難度，但具有較高的防滲保證率，施工后防滲效果較好。

表2 加固前滲流計(jì)算結(jié)果表

由于新房水庫位于山區(qū)、丘陵區(qū)，洪水歷時(shí)較短，校核水位時(shí)不形成穩(wěn)定滲流，因此計(jì)算時(shí)僅考慮設(shè)計(jì)工況（P=3.33%）和正常蓄水位工況，下游水位統(tǒng)一采用最低水位41.70m。計(jì)算方法采用北京理正滲流軟件中的有限單元法。

新房水庫校核洪水位為54.83m，下游水位為41.70m，最大水頭差為13.13m，混凝土防滲墻采用C15塑性混凝土，允許滲透比降為50，故防滲墻厚應(yīng)不小于0.26m，考慮到施工效果和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，新房水庫的塑性混凝土防滲墻厚度取0.40m，頂部與C30素混凝土壩頂路面進(jìn)行牢固連接，底部深度至中風(fēng)化花崗巖以下0.50m。

3.2 滲透破壞類型分析

根據(jù)GB50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄G中土的滲透變形判定規(guī)定，分別對壩體和壩基的滲透破壞類型進(jìn)行分析，壩殼料和下游壩基覆蓋層均為風(fēng)化砂局部夾雜粘性土，棱體排水為干砌石周圍外包無紡布反濾，因此其滲透破壞類型均為管涌，允許比降根據(jù)地勘報(bào)告取0.41。

3.3 結(jié)果和討論

根據(jù)大壩實(shí)際土層組成，建立簡化的大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算有限元分析模型，將壩體和壩基進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分后，施加上游和下游邊界條件，輸入各土層參數(shù)后計(jì)算、分析，得到加固前、后正常蓄水位和設(shè)計(jì)水位2種基本工況下滲流計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖1 新房水庫防滲處理前浸潤線示意圖

表3 加固后滲流計(jì)算結(jié)果表

從表2可看出，新房水庫防滲處理前，設(shè)計(jì)工況時(shí)壩坡的出逸點(diǎn)高程為48.93m，高于排水體的高程，壩坡的出逸點(diǎn)比降在正常和設(shè)計(jì)工況下均大于滲透破壞允許比降。因此滲流性態(tài)不安全；水庫采用塑性混凝土防滲墻處理后，壩坡的出逸點(diǎn)在設(shè)計(jì)和正常工況時(shí)均落在排水棱體內(nèi)，且比降均小于滲透破壞允許比降；防滲處理后的比降、滲漏量及損失率顯著減??；從新房水庫防滲處理前后浸潤線（見圖1，2）的對比中看，防滲措施能夠有效地降低浸潤線的高度，提高背水坡的結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

圖2 新房水庫防滲處理后浸潤線示

通過對新房水庫大壩防滲處理前、后的滲流情況利用有限元法進(jìn)行了計(jì)算分析，通過對不同工況下的計(jì)算成果進(jìn)行比較后，得出：液壓抓斗法混凝土防滲墻能夠有效降低大壩的浸潤線和背水坡出逸點(diǎn)高度，能夠減小大壩的滲漏量和出逸點(diǎn)比降；液壓抓斗法塑性混凝土防滲墻方案是抑制水庫大壩滲漏、提高抗?jié)B穩(wěn)定性的直接有效方法。