均質(zhì)土壩防滲處理方案研究

石 強(qiáng)

(晉中市水文水資源勘測(cè)站，山西 晉中 030600)

0 引言

土石壩壩型以就地取材、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、壩身變形適應(yīng)性強(qiáng)和工程投資經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，在大壩工程中占據(jù)非常重要的地位[1]。土壩由于自身筑壩材料的特點(diǎn)，普遍存在壩體和壩基壩肩滲漏，局部坍塌等問題，同時(shí)其對(duì)滲漏問題的敏感度較其他壩型大，一旦失事，極易造成潰壩。松塔水電站樞紐工程在設(shè)計(jì)過程中就均質(zhì)土壩、混凝土面板堆石壩和碾壓混凝土重力壩予以綜合比選，從地形、地質(zhì)條件、筑壩材料、工程總體布置、施工條件、工程量及投資等方面確定采用碾壓均質(zhì)土壩。本文基于壩基和庫岸地質(zhì)條件不佳存在滲漏問題，對(duì)采取的相應(yīng)措施進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

1 樞紐工程概況

松塔水電站水庫的主要建設(shè)規(guī)模為興建最大壩高為62.60 m、正常蓄水位1027.0 m、總庫容9740萬m3的水庫工程一座。壩型采用碾壓均質(zhì)土壩，樞紐工程布置有壩體、導(dǎo)流泄洪洞、岸邊溢洪道、發(fā)電引水隧洞等。上游壩坡為1∶2.75、1∶3.0、1∶3.5，下游壩坡為1∶2.75、1∶3.0、1∶3.0，上游壩面設(shè)400 mm厚干砌石護(hù)坡。大壩上下游均在高程1010.0 m和990.0 m各設(shè)一條2.0 m寬馬道；壩頂設(shè)漿砌石防浪墻，墻頂高程1030.80 m，墻底與細(xì)反濾層底部齊平；下游壩坡設(shè)混凝土護(hù)坡，壩頂設(shè)路肩石，并設(shè)300 mm厚混凝土路面。

2 滲漏情況及防滲處理

2.1 壩基防滲處理

覆蓋層是壩基滲漏的主要通道，其上部低液限粉土具有中等壓縮性和濕陷性，存在不均勻沉降影響壩體安全，因此需處理壩基覆蓋層。

由于壩基風(fēng)化帶和裂隙發(fā)育帶透水率在3.8 Lu～66.7 Lu之間，擬在粘土截水槽齒墻底部設(shè)灌漿帷幕，其軸線按照截水槽軸線布置。灌漿孔要求深入基巖下5 m，即孔深50 m，除樁號(hào)0+241.90～0+301.90為雙排孔外，其它部位均為1排，孔距、排距均為2 m。

2.2 大壩左岸防滲

左岸是一存在多個(gè)埡口的山梁，通過鉆孔試驗(yàn)左岸壩頂線以外2 km內(nèi)的山梁中的地下水位低于水庫正常蓄水位，推測(cè)左岸存在向下游的基巖繞壩滲流?；鶐r滲透性存在明顯的各項(xiàng)異性，無統(tǒng)一的相對(duì)隔水層。

經(jīng)測(cè)算，壩址區(qū)左岸基巖臨谷繞壩總滲漏量為1311 m3/d，滲漏寬度之和為199 m，占左岸單薄山梁臨谷繞壩滲漏總寬度1953 m的10%，故左岸繞壩滲漏主要地段為左壩肩壩下段及近壩段。需進(jìn)行帷幕灌漿處理。

左岸防滲處理方式為：帷幕灌漿和高壓旋噴灌漿。帷幕灌漿要與大壩帷幕灌漿連接為整體，延伸長(zhǎng)度范圍為樁號(hào)帷0+000～0+126.50，帷幕軸線由壩軸線直線延伸至樁號(hào)帷0+105.50，向上游經(jīng)過159°的轉(zhuǎn)角繼續(xù)延伸至樁號(hào)帷0+000，孔深50 m，其中壩頂高程以下基巖內(nèi)為灌漿范圍，基巖以上為封孔范圍，孔距2 m。由于左岸岸坡在樁號(hào)帷0-013.0～0+109.0，1000 m～1035 m高程范圍內(nèi)為卵石混合土層，需采用高壓旋噴灌漿處理邊坡，孔深貫穿至基巖頂面，孔距1 m，灌漿壓力30 MPa，氣壓0.7 MPa。

2.3 左壩肩迎水坡處理

左壩肩迎水坡高程1020.00 m以上的土質(zhì)邊坡存在坍岸問題，需進(jìn)行處理。左壩肩基巖地層為T1l-7～T1l-13巖組，巖性主要為細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，并夾有粉砂質(zhì)泥巖、泥巖軟層，在下游發(fā)育一條較大沖溝，形成單薄分水嶺地形，庫岸泥巖在庫浪淘蝕和滲水作用下可能產(chǎn)生塌滑而失穩(wěn)，需對(duì)庫岸泥巖進(jìn)行處理。

處理方式為：在左岸迎水坡長(zhǎng)200 m，高50 m范圍內(nèi)除溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞及供水發(fā)電洞等建筑物進(jìn)口已處理外，其余部位將頂部土質(zhì)邊坡開挖到1∶1穩(wěn)定邊坡，巖質(zhì)邊坡表面松動(dòng)巖體清理后進(jìn)行護(hù)砌，巖質(zhì)邊坡采用噴錨支護(hù)，鋼筋網(wǎng)直徑為φ6，間距300 mm×300 mm，錨筋直徑φ25，間距3 m，長(zhǎng)2 m，噴C25混凝土厚15 cm。

2.4 大壩右岸防滲處理

右岸繞壩滲漏主要有三種途徑：一是右岸古河道中松散沉積物滲漏，二是右岸基巖(包括強(qiáng)風(fēng)化帶和節(jié)理裂隙發(fā)育帶)繞壩滲漏，三是右壩肩Ⅲ級(jí)階地松散層滲漏。由于古河道范圍較寬，而估算的古河道滲漏量并不大，可暫不對(duì)其做防滲處理，右壩肩覆蓋層全部清除，僅對(duì)壩肩基巖進(jìn)行帷幕灌漿處理。據(jù)右岸各鉆孔壓水試驗(yàn)成果，右壩肩段巖體透水率2.3 Lu～22 Lu，平均9.8 Lu，大值平均值14.9 Lu。經(jīng)估算得右岸近壩段基巖繞壩滲漏量約104 m3/d。

右岸防滲處理方式為：進(jìn)行帷幕灌漿，并與大壩帷幕灌漿連接為整體；帷幕灌漿向大壩右岸邊延伸108.60 m，延伸樁號(hào)為帷0+701.4～0+810.0。灌漿軸線與壩軸線重合；此段帷幕灌漿根據(jù)地形壩頂高程以上為灌漿封孔范圍，壩頂高程以下為灌漿范圍，整孔深50 m，孔距2 m。

2.5 右壩間坍塌體處理

在右壩肩高程990 m～995 m處存在一坍滑體，估計(jì)方量約1800 m3，在開挖筑壩時(shí)將其全部清除。在壩軸線上游約300 m處一沖溝右側(cè)基巖山坡也有一小型坍滑體，估計(jì)方量約5000 m3，需要全部清除，以避免坍滑所產(chǎn)生的涌浪對(duì)大壩的影響。

3 防滲方案驗(yàn)證計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

滲流計(jì)算采用北京理正《滲流計(jì)算分析軟件》，計(jì)算方法采用有限元法。

3.2 計(jì)算工況

滲流計(jì)算按照以下4種水位組合情況計(jì)算：①上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位； ②上游設(shè)計(jì)洪水位與下游相應(yīng)的水位；③游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位；④庫水位降落時(shí)上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。

計(jì)算邊界條件為均質(zhì)土壩在透水地基上，計(jì)算考慮壩基設(shè)截水墻及帷幕灌漿，河床底高程為970.00 m，透水地基底高程為920 m，厚度為50 m，壩體滲透系數(shù)kx=0.000388 m/d，ky=0.000324 m/d，透水壩基包括巖石強(qiáng)風(fēng)化層5 m、弱風(fēng)化層45 m，滲透系數(shù)分別為0.64 m/d、0.19 m/d，帷幕灌漿后壩基滲透系數(shù)k3=0.052 m/d。

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 滲流量計(jì)算

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 防滲措施滲流計(jì)算結(jié)果表

由以上滲漏量計(jì)算知，壩體設(shè)截水槽和帷幕灌漿防滲措施時(shí)，壩體壩基年最大滲漏水量為20.0萬m3/a，而不采取工程防滲措施大壩滲漏量為158.2萬m3/a。說明采取防滲措施后滲漏量大為減少。計(jì)算中為安全起見，不考慮下游排水棱體對(duì)浸潤(rùn)線的影響。

3.3.2 壩基滲透穩(wěn)定

為控制壩基滲透破壞，需要控制水平滲流坡降和下游出口關(guān)鍵部位的出滲坡降。經(jīng)計(jì)算設(shè)計(jì)洪水位情況，水平滲透比降為0.02，垂直滲透比降為0.04；校核洪水位情況，水平滲透比降為0.02，垂直滲透比降為0.04，小于本工程砂卵石地基的允許坡降0.12，基巖允許坡降1.2，壩基滿足滲透穩(wěn)定要求。

3.3.3 壩體滲透穩(wěn)定

壩體為均質(zhì)土壩，允許滲透坡降為0.52，經(jīng)計(jì)算校核洪水位情況壩體滲透比降為0.08，小于壩體允許滲透比降0.52，滿足穩(wěn)定要求。

3.3.4 壩坡穩(wěn)定

壩坡滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表2，由表2可知，上、下游壩坡均滿足穩(wěn)定要求。

表2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

防滲方案是土石壩設(shè)計(jì)過程中的重要組成部分，尤其是面對(duì)復(fù)雜的壩基和庫岸地質(zhì)情況。松塔水電站樞紐工程通過分析地質(zhì)勘測(cè)資料提出了相應(yīng)的防滲方案，經(jīng)驗(yàn)證，滲流量、壩基壩體穩(wěn)定均滿足要求，證明防滲方案是可靠可行的，研究思路可供類似工程借鑒。