跋山水庫(kù)土石壩防滲加固工程設(shè)計(jì)

劉洪昌

(山東新匯建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 東營(yíng) 257000)

土石壩滲漏是一種較為常見的現(xiàn)象，雖然在多數(shù)情況下不易造成壩體的整體變形失穩(wěn)，但對(duì)土石壩的蓄水效益將產(chǎn)生重大影響，同時(shí)，也對(duì)下游居民的安全產(chǎn)生較大的威脅[1-3]。針對(duì)這種情況，則需要采取防滲加固處理措施，以改善滲漏現(xiàn)狀，提高壩體效益。目前，較為常用的加固方法為注漿加固，通過注漿充填土石壩裂隙，改善滲流條件[4-5]。結(jié)合跋山水庫(kù)土石壩工程，對(duì)土石壩防滲加固措施進(jìn)行分析。

1 工程概況

跋山水庫(kù)土壩根據(jù)壩型的不同分為壤土心墻砂殼壩、壤土砂殼分區(qū)壩，根據(jù)壩型及分段情況劃分為西副壩、主壩、東副壩，按照分期填筑型式的不同土壩下部為壤土寬心墻，上部為壤土斜墻。經(jīng)安全符合，大壩主要存在以下問題：大壩防滲體的防滲能力不滿足防滲土料的要求，防滲體壓實(shí)度離散性大(尤其是上部接高斜墻壤土)，主壩段壩下基巖完整性好，副壩壩下基巖節(jié)理裂隙較發(fā)育。上述問題的存在將會(huì)導(dǎo)致壩體滲漏量大造成水資源的流失，壩后浸潤(rùn)線較高對(duì)滲透安全和壩坡穩(wěn)定不利；壓實(shí)度低會(huì)造成震后沉陷量大，尤其是上部斜墻斷面尺寸小震后易產(chǎn)生裂縫。經(jīng)計(jì)算，在正常蓄水位下壩體滲流量約為590萬 m3/a，高水位運(yùn)行時(shí)壩坡出逸滲流安全不滿足規(guī)范要求，東副壩壩坡出逸導(dǎo)致壩坡穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。

2 防滲加固的范圍

東副壩壩下基巖完整性較好，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石透水率一般為5～10 Lu。主壩壩下基巖完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖石透水率為0～3.4 Lu。西副壩壩下基巖自上而下分為ε81～ε11 m，其中ε21 m巖溶發(fā)育，其下部結(jié)晶灰?guī)r的巖溶最為發(fā)育，一般透水率為5.0～85.8 Lu，屬中等～較嚴(yán)重透水，部分透水率為105.5～372.1 Lu，屬嚴(yán)重透水，直接與防滲體接觸的ε81 m為含白云質(zhì)灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r韻律，巖溶及層理較發(fā)育，巖石透水率2.3～51.8 Lu。

建庫(kù)時(shí)所填筑主壩心墻壤土滲透系數(shù)在4.2×10-5～1.4×10-4cm/s間，副壩壩體壤土滲透系數(shù)在1.8×10-4～2.5×10-3cm/s間。

根據(jù)勘察成果，大壩基巖完整性和節(jié)理裂隙呈主河槽向兩側(cè)逐漸變發(fā)育的趨勢(shì)，巖石透水率自中間向兩側(cè)逐漸加大；與此同時(shí)巖層透水率自上而下逐漸變大，巖溶自上而下逐漸發(fā)育。針對(duì)壩下基巖節(jié)理裂隙及巖溶發(fā)育的問題，1998年保安全加固時(shí)樁號(hào)0+050～0+360段進(jìn)行基巖帷幕灌漿，樁號(hào)0+360～0+460及1+270～1+520段進(jìn)行了基巖面接觸帶灌漿。灌漿前，上述范圍內(nèi)壩后基巖有多處明顯滲漏點(diǎn)，滲漏量大；灌漿后，未再發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)，灌漿防滲效果良好。壩下ε81～ε11 m及Ars巖層透水率大，局部大于規(guī)范允許值，但透水性強(qiáng)的巖層埋置較深，與防滲體接觸的基巖破碎面已進(jìn)行了接觸帶灌漿。從滲透穩(wěn)定的角度來看，產(chǎn)生基巖面接觸帶沖刷破壞的可能性較小?；鶐r下部透水率大僅會(huì)造成壩基滲漏量加大?；?998年的基巖帷幕灌漿效果壩基滲透性滿足工程運(yùn)行安全要求，本次加固不再對(duì)壩下基巖進(jìn)行防滲處理，僅對(duì)不滿足規(guī)范要求的大壩防滲體進(jìn)行防滲加固。

3 防滲加固方案設(shè)計(jì)

3.1 防滲加固方案比選

根據(jù)現(xiàn)狀情況結(jié)合水庫(kù)除險(xiǎn)加固的建設(shè)性質(zhì)，大壩防滲加固宜采用垂直截滲措施。按防滲體的材料及結(jié)構(gòu)型式劃分，壩基垂直截滲可分為成墻、灌漿、復(fù)合土體、置換固化、土工合成材料等措施。跋山水庫(kù)主壩最大高度約42.0 m(壩頂至截滲槽底)，工程等別Ⅱ等，建筑物級(jí)別2級(jí)。垂直截滲技術(shù)初步比選混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿、壩體劈裂灌漿。

方案一 塑性混凝土防滲墻 主要優(yōu)點(diǎn)：可適用各類土體，防滲效果好，可靠度高，質(zhì)量易控制，技術(shù)成熟；主要缺點(diǎn)：施工功效較低、造價(jià)較高。

方案二 高壓噴射灌漿 主要優(yōu)點(diǎn)：施工機(jī)械占地小，便于操作，防滲體與周邊土體彈性模量相近適應(yīng)變形能力強(qiáng)；主要缺點(diǎn)：防滲效果受土質(zhì)影響大，水泥用量大，廢漿液較多，質(zhì)量檢測(cè)及控制要求高，工程造價(jià)高。

方案三 壩體劈裂灌漿 主要優(yōu)點(diǎn)：漿液可滲入土體中的孔隙不僅可以提高土體的防滲作用還可以提高土體的密實(shí)度，工程造價(jià)低；主要缺點(diǎn)：施工技術(shù)要求高，水下部分漿液凝固緩慢，帷幕質(zhì)量難以保證，可靠度不高，效果不易檢查。

綜合分析確定采用塑性混凝土防滲墻截滲方案。

3.2 防滲墻加固軸線比選

現(xiàn)狀大壩由1960年初期建設(shè)及1968年和1977年的二期、三期加高形成的，后期建設(shè)內(nèi)容為防滲體上部接斜墻，壩后砂殼補(bǔ)坡，大壩分期加高致使現(xiàn)狀防滲體偏上游約16m。根據(jù)現(xiàn)有壩型情況，比選上游壩肩及壩前原心墻中心線兩條軸線。

軸線Ⅰ上游壩肩處 防滲墻自壩頂深入基巖。根據(jù)壩高的不同，主壩段墻體厚0.6 m，副壩段墻厚0.4 m，墻體深入基巖0.5 m。防滲墻體自上而下依次穿越壤土斜墻、粘土質(zhì)礫質(zhì)粗砂下游壩殼、壤土心墻、壩基礫質(zhì)粗砂、基巖。

該處截滲的主要優(yōu)點(diǎn)：加固措施單一，便于操作技術(shù)要求低，防滲效果好，180.40 m以上護(hù)坡無需拆除，施工影響范圍??；主要缺點(diǎn)：砂層泥漿固壁效果差，易塌孔，防滲墻施工需拆除防浪墻，施工機(jī)械設(shè)于壩頂影響交通且易造成路面坡壞，需在下游側(cè)修筑臨時(shí)道路。

軸線Ⅱ上游壩坡原心墻中心線處 防滲墻自初期防滲體頂高程(180.40 m)穿越壤土心墻入基巖，主壩段墻厚0.6 m，副壩段墻厚0.4 m。設(shè)計(jì)洪水位以下運(yùn)行時(shí)由防滲墻進(jìn)行防滲，設(shè)計(jì)洪水位以上靠上部防滲體進(jìn)行防滲。

該處截滲的主要優(yōu)點(diǎn)：防滲墻體穿越土層單一，泥漿固壁效果好，施工安全度高，施工機(jī)械設(shè)于壩前不影響壩頂交通，土工膜延伸性好適應(yīng)變形能力強(qiáng)，抗震性能好，通過開挖部分斜墻壤土填筑施工平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)挖填平衡；主要缺點(diǎn)：180.40 m高程上部需采取其他防滲措施，上部防滲體涉及防滲墻、防浪墻間的連接處理，施工工序繁瑣，180.40 m以上護(hù)坡需拆除并恢復(fù)，施工影響較大。

兩加固軸線的比選涉及施工布置、施工工藝、防滲效果、工程投資，而軸線Ⅱ處的工程投資又與上部防滲體的加固措施直接相關(guān)。為綜合比選確定防滲加固軸線，先進(jìn)行大壩上部防滲體加固方案的比選。根據(jù)上部防滲體的位置及擋水要求，初步擬定復(fù)合土工膜及粘土斜墻兩個(gè)方案，方案優(yōu)缺點(diǎn)及投資對(duì)比見表1。

表1 大壩上部斜墻防滲加固方案比選

大壩上部防滲體僅防御設(shè)計(jì)洪水位以上洪水，最高擋水水頭約3.94 m。綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，結(jié)合大壩上部防滲體的擋水要求，采用粘土斜墻方案。

上述兩軸線處的防滲加固布置見圖1。

圖1 軸線Ⅱ上游壩坡原心墻中心線處

上述兩方案工程投資相近，選用大壩防滲有保障、墻體施工安全度高、施工影響小，交通狀況好的軸線Ⅰ，即軸線位于上游壩坡原心墻中心線處。

3.3 防滲加固方案設(shè)計(jì)

3.3.1 防滲墻厚度設(shè)計(jì)

防滲墻墻體應(yīng)滿足抗?jié)B性、耐久性、及應(yīng)力和變形的要求，同時(shí)還應(yīng)考慮到地質(zhì)情況及施工設(shè)備等因素。鑒于國(guó)內(nèi)防滲墻設(shè)計(jì)尚無具體的設(shè)計(jì)規(guī)范，防滲墻的滲透計(jì)算和滲透穩(wěn)定分析以及強(qiáng)度、變形計(jì)算尚無規(guī)范的計(jì)算方法和理論。在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)防滲墻允許滲透比降確定墻體厚度，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ΔHmax作用在防滲墻上的最大水頭差(m)； J允許防滲墻允許滲透比降，為80。

根據(jù)防滲墻深度及位置的不同分別按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算防滲墻厚度。大壩樁號(hào)0+350～1+470段混凝土防滲墻校核洪水位時(shí)承受水頭約為40.5 m，設(shè)計(jì)水位時(shí)承受水頭約為36.10 m，興利水位時(shí)承受水頭約為34.1 m；樁號(hào)0-033～0+350段及1+470～1+619段混凝土防滲墻校核洪水位時(shí)承受水頭約為28.6 m，設(shè)計(jì)水位時(shí)承受水頭約為24.3 m，興利水位時(shí)承受水頭約為22.3 m。經(jīng)計(jì)算最小墻體厚度分別為0.51及0.36 m。

同時(shí)考慮施工時(shí)造孔深度、孔斜率的影響、耐久性、國(guó)內(nèi)已有的施工經(jīng)驗(yàn)及砼防滲的經(jīng)濟(jì)厚度等方面考慮，大壩樁號(hào)0+350～1+470段墻厚采用0.6 m，樁號(hào)0-033～0+350段及1+470～1+619段墻厚采用0.40 m。壩下基巖完整性較好，石質(zhì)堅(jiān)硬，在保證入巖可靠連接的情況下，防滲墻入基巖暫按0.5 m考慮。

塑性混凝土防滲墻，其抗壓強(qiáng)度R28≥2.5 MPa， 28 d彈性模量不大于1 000 MPa，滲透系數(shù)不大于5×10-7cm/s。每立方米材料配合比見表2。

表2 塑性混凝土配合比 kg

其中，摻入粘土粘粒含量不小于48%，塑性指數(shù)不小于29；膨潤(rùn)土塑性指數(shù)控制在29.8左右，粘粒含量控制在62.5%左右。具體配比應(yīng)依據(jù)施工前的配比試驗(yàn)確定。

現(xiàn)西副壩與東砌石壩相連，近西副壩壩肩時(shí)防滲軸線偏轉(zhuǎn)與現(xiàn)西副壩壩內(nèi)防滲刺墻相接以解決壩肩防滲問題。

3.3.2 防滲墻頂高程設(shè)計(jì)

大壩經(jīng)防滲加固后，塑性混凝土防滲墻需彌補(bǔ)原心墻不足的防滲能力并承擔(dān)上部斜墻的防滲功能。根據(jù)調(diào)洪演算，水庫(kù)100 a一遇設(shè)計(jì)洪水位179.95 m，萬年一遇校核洪水位184.34 m。防滲墻頂高程應(yīng)不低于184.34 m。萬年一遇校核洪水位時(shí)波浪爬高0.87 m，現(xiàn)狀防浪墻底高程184.15 m。為使防滲體與防浪墻可靠連接，防滲墻與防浪墻間采用高塑性粘土回填，防滲墻頂高于防浪墻基礎(chǔ)之上不小于0.30 m。由此，確定防滲墻頂高程為184.45 m。

3.3.3 加固后滲流分析

為便于防滲加固效果的對(duì)比，滲流分析計(jì)算斷面同復(fù)核，即0+290、0+890、1+290。大壩防滲加固后壩體土料滲透系數(shù)見表3，混凝土防滲墻設(shè)計(jì)滲透系數(shù)5×10-7cm/s。防滲加固后各計(jì)算斷面控制部位計(jì)算比降及滲漏量見表4。浸潤(rùn)線及等勢(shì)線見圖2～圖4。

表3 大壩滲流計(jì)算參數(shù)

表4 各計(jì)算斷面控制部位計(jì)算比降及滲漏量

圖2 0+290斷面工況3浸潤(rùn)線及等勢(shì)線圖

經(jīng)防滲加固后，防滲效果明顯，壩體滲流流態(tài)及滲漏量較現(xiàn)狀有了顯著的改善。

主壩段：各計(jì)算工況下壩后浸潤(rùn)線已降至砂層，齒墻、防滲墻、壩后坡出逸比降均顯著降低滿足土體允許要求；大壩滲漏量較加固前減少63%，截滲效果明顯，水頭消減大于80%，壩后浸潤(rùn)線明顯降低。

東、西副壩：大壩浸潤(rùn)線顯著降低，滲漏量減小，防滲效果明顯，防滲墻隨水位上升節(jié)滲效果明顯提高；心墻、防滲墻及壩后坡出逸比降降低顯著均能滿足設(shè)計(jì)要求；副壩壩后無防護(hù)，為滿足構(gòu)造要求需增加反濾保護(hù)措施。

圖3 0+890斷面工況3浸潤(rùn)線及等勢(shì)線圖

圖4 1+290斷面工況3浸潤(rùn)線及等勢(shì)線圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)跋山水庫(kù)土石壩工程，現(xiàn)狀滲漏現(xiàn)象較為嚴(yán)重，對(duì)水庫(kù)的蓄水效益產(chǎn)生了不利影響亟需進(jìn)行防滲加固處理。

(2)通過方案比選確定防滲軸線為軸線1，采取塑性混凝土防滲墻+粘土斜墻作為防滲加固方案。

(3)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定防滲墻頂高程和防滲墻厚度，經(jīng)計(jì)算防滲加固效果良好，可為類似工程提供參考。