某小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固中大壩滲漏及措施分析

徐三才

(富邦建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 九江 332400)

1 工程概況

某小(2)型水庫(kù)始建于1990年12月，1994年3月竣工投入運(yùn)行，總庫(kù)容為41.54萬(wàn)m3。該水庫(kù)大壩為均質(zhì)壩，壩高31.02m，壩軸線長(zhǎng)98.60m，壩頂高程1928.7m，壩頂平均寬3.0m，大壩上游壩坡分別為1∶2、1∶3.6，下游壩坡分別為1∶2、1∶2.7、1∶1.85。外壩腳設(shè)有簡(jiǎn)易排水棱體，長(zhǎng)17.4m，高4.0m，頂寬1.5m，內(nèi)邊坡1∶1，外邊坡 1∶1.85。根據(jù)本次水庫(kù)安全鑒定現(xiàn)場(chǎng)檢查，水庫(kù)大壩壩面不規(guī)整，凸凹不平，雜草叢生，大壩上游為塊石護(hù)坡，經(jīng)庫(kù)水掏刷，脫落嚴(yán)重，完整性差，下游壩坡為草皮護(hù)坡，護(hù)坡基本完整，平整性差，大壩右壩肩上游壩坡和壩肩結(jié)合部存在直徑30cm和直徑16cm的漏洞，2018 年9月，水庫(kù)所在村委會(huì)自籌資金，采用砂對(duì)該兩處漏洞進(jìn)行開(kāi)挖回填封堵，但未能完全填塞漏洞，此后水庫(kù)蓄水位均未超過(guò)此處滲漏點(diǎn)，水流從左壩腳下游18.5m處漏出，滲漏量約3L/s。根據(jù)地質(zhì)勘察資料分析，壩土為含碎塊石粉質(zhì)黏土，含礫石量較高，筑壩土料質(zhì)量較好，填筑較密實(shí)，但局部存在架空，壩體存在滲漏，壩基地層巖性為粉砂質(zhì)頁(yè)巖，受風(fēng)化和構(gòu)造影響，淺部巖體透水性較強(qiáng)， 鉆孔透水率為14.0-37.0Lu，屬中等透水性，大壩壩體、壩基及壩肩結(jié)合處存在滲漏。文章主要從大壩現(xiàn)狀存在的問(wèn)題出發(fā)，對(duì)現(xiàn)狀大壩進(jìn)行滲流、滲漏量計(jì)算分析，本采取大壩滲漏處理措施，為該水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)施工提供方法和參考依據(jù)。

2 現(xiàn)狀大壩滲流分析

2.1 大壩土料物理力學(xué)指標(biāo)

為查清壩體結(jié)構(gòu)、地基地層情況及壩體土料的物理力學(xué)性質(zhì)，在壩址區(qū)布設(shè)5個(gè)勘探鉆孔，做原位水文地質(zhì)試驗(yàn)，共完成鉆孔進(jìn)尺149.9m，注水試驗(yàn)18段次，壓水試驗(yàn)9段次，在鉆孔中取原狀土樣10組(其中壩土 8組，壩基全強(qiáng)風(fēng)化層 2組)，擾動(dòng)土樣1組。根據(jù)大壩設(shè)計(jì)斷面圖和壩體取樣試驗(yàn)結(jié)果，將壩體及壩基分為壩前淤積Ⅰ區(qū)、壩體土料Ⅱ區(qū)、壩基壩基Ⅲ區(qū)、棱體Ⅳ區(qū)，各分區(qū)物理力學(xué)指標(biāo)：壩體土料Ⅱ區(qū)天然容重、干容重、比重采用本次試驗(yàn)平均值；內(nèi)摩擦角、凝聚力取平均值；滲透系數(shù)采用大壩滲流分析成果，其余各區(qū)根據(jù)地質(zhì)資料及工程類(lèi)比進(jìn)行取值。土料各分區(qū)物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 壩體各分區(qū)物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 現(xiàn)狀大壩的滲流分析

2.2.1 實(shí)測(cè)資料說(shuō)明

經(jīng)勘察，大壩為均質(zhì)壩，筑壩土料取自庫(kù)區(qū)斜坡上的殘坡積和全強(qiáng)風(fēng)化巖石，壩體填筑采用人工鋪土夯壓。根據(jù)壩土擾動(dòng)土樣的擊實(shí)試驗(yàn)成果，原狀土樣的天然干容重平均值與擾動(dòng)土樣的最大干容重相同，表明壩土碾壓較密實(shí)，壩土室內(nèi)試驗(yàn)土料黏粒含量 28.2%-47.2%，平均 34.66%，滿足規(guī)范要求的15%-40%，且各組土樣試驗(yàn)指標(biāo)間離散性較小，表明壩土質(zhì)量較好，但壩土中含碎塊石，局部存在集中現(xiàn)象，含碎塊石集中地段形成滲漏通道，由于下游壩面為塊石護(hù)坡，壩面滲漏痕跡不明顯。

棱體設(shè)于下游壩腳，高4m，頂寬1.5m，為砂巖、灰?guī)r塊石干砌塊石，由于下游壩面有大量塊石護(hù)坡，棱體頂面不清晰，受上部塊石保護(hù)，壩面水流對(duì)壩面破壞微弱，水流夾帶的泥沙少，棱體的淤堵情況不嚴(yán)重，目前滲漏水從棱體腳滲出，表明棱體現(xiàn)狀較好，運(yùn)行正常。

2.2.2 滲流計(jì)算

滲流計(jì)算包括不同水位浸潤(rùn)線和流網(wǎng)計(jì)算、滲透比降、滲透穩(wěn)定分析，按有限透水地基上的均質(zhì)土壩分段計(jì)算，計(jì)算軟件采用北京理正滲流分析軟件，所用方法為有限元法[1]。

根據(jù)壩坡滲漏溢出點(diǎn)情況反算滲透系數(shù)，滲透量按有限透水地基上的均質(zhì)土壩分段計(jì)算。大壩分為壩前淤積Ⅰ區(qū)、壩體土料Ⅱ區(qū)、壩基基巖Ⅲ區(qū)、棱體Ⅳ區(qū)。根據(jù)地質(zhì)資料及工程類(lèi)比假定壩前淤積Ⅰ區(qū)、壩基沖積層Ⅲ區(qū)、壩基石英砂巖Ⅳ區(qū)的滲透系數(shù)，算出壩體土料Ⅱ區(qū)滲透系數(shù)，反復(fù)推算，直到計(jì)算出的浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)與下游壩坡滲漏溢出點(diǎn)基本吻合。但反算出的滲透系數(shù)值比鉆孔探坑注水、壓水試驗(yàn)資料偏大， 根據(jù)壩土擾動(dòng)土樣的擊實(shí)試驗(yàn)成果，原狀土樣的天然干容重平均值與擾動(dòng)土樣的最大干容重相同，表明壩土碾壓較密實(shí)，但壩土中含碎塊石，局部存在集中現(xiàn)象，在碾壓過(guò)程中難以碾壓密實(shí)，壩土中存在架空現(xiàn)象，含碎塊石集中地段易形成滲漏通道。所有滲透系數(shù)壩土取用鉆孔探坑注水、壓水試驗(yàn)值，其余各區(qū)采用工程類(lèi)比值。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》及土料顆粒組成判斷大壩其可能的滲透變形為流土。流土的臨界水力比降計(jì)算為：Jcr =(2.671-1)(1-0.429) =0.954。按規(guī)范說(shuō)明，根據(jù)本工程特點(diǎn)及重要性，確定相應(yīng)的安全系數(shù)為1.5，求出允許水力坡降[i]，結(jié)合水力坡降計(jì)算值Ⅰ，進(jìn)行滲透穩(wěn)定判別，滲透穩(wěn)定分析見(jiàn)表2。

表2 滲流穩(wěn)定分析成果表

根據(jù)滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，大壩壩體在最高水位情況下運(yùn)行浸潤(rùn)線在壩面逸出水力坡降計(jì)算值Ⅰ=0.20-0.60，在正常水位情況下水力坡降計(jì)算值Ⅰ=0.13-0.58，在最底水位情況下水力坡降Ⅰ=0.04-0.25，均小于允許水力坡降 0.636，說(shuō)明大壩不可能發(fā)生滲透破壞。

圖1 正常蓄水位大壩滲流計(jì)算成果圖

2.2.3 壩體滲漏量計(jì)算

根據(jù)大壩滲透剖面進(jìn)行滲漏量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果在正常蓄水位工況下壩體及壩基每晝夜單寬滲漏量合計(jì)為1.33m3，大壩壩體、壩基每年滲漏總量為2.36萬(wàn)m3，占設(shè)計(jì)總庫(kù)容 48.8萬(wàn) m3的10.1%[2]。

3 大壩防滲處理設(shè)計(jì)

根據(jù)大壩滲流分析，大壩不會(huì)發(fā)生滲透破壞，但大壩滲漏量較大，若不采取處理措施，將影響大壩安全穩(wěn)定。處理措施為：先把漏洞進(jìn)口2.5m深，底寬7.5m范圍內(nèi)的軟弱巖體和充填物全部挖除掉，再回填C15混凝土，同時(shí)結(jié)合壩體充填灌漿、壩基帷幕灌漿對(duì)集中滲漏通道進(jìn)行封堵，灌漿孔沿壩軸線單排孔直線布置，從里程0+070.000-0+108.000m，孔距為 2.0m。

3.1 壩基及壩肩帷幕灌漿設(shè)計(jì)

1)灌漿型式及深度：

壩基及壩肩采用懸掛式帷幕灌漿，壩體采用充填式灌漿，壩體充填灌漿深度為水庫(kù)正常蓄水位以下至壩基巖體頂界，壩基帷幕灌漿深度為壩基巖體頂界以下至懸掛帷幕底界[3]。

2)灌漿壓力：

壩基接觸帶以下第一段孔口壓力0.15MPa、壩基河槽第二段灌漿孔口壓力0.2MPa， 岸坡及壩肩段灌漿孔口壓力0.15MPa，灌漿段深度每增加 1m 允許增加壓力0.01MPa。灌漿過(guò)程中可根據(jù)試驗(yàn)孔灌漿情況逐步調(diào)整修正。

3)灌漿方式及灌漿方法：

壩基、壩肩帷幕灌漿采用循環(huán)式灌漿法由上往下分段卡塞灌漿，孔距2m，分三序孔施工。施工工藝流程如下：鉆孔→鉆孔沖洗→簡(jiǎn)易壓水→灌漿至結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)→待凝暫定24h(通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整)→鉆原灌漿段壓水→≤10lu→合格，往下段鉆進(jìn)，不合格復(fù)灌→至壓水檢查合格為止→封孔。

4)防滲標(biāo)準(zhǔn)：

土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定三級(jí)壩防滲標(biāo)準(zhǔn)透水率5-10Lu，該壩防滲標(biāo)準(zhǔn)為 10Lu，即灌后檢查透水率<10Lu 為合格。

3.2 壩體充填灌漿設(shè)計(jì)

壩體充填灌漿與壩基帷幕灌漿同一孔，上下兼容，充填灌漿采用分段卡塞，循環(huán)式灌注，下孔口管至正常高水位后，鉆孔變小一徑往下鉆至設(shè)計(jì)孔深后下灌漿管至段底以上50cm左右，由下至上下套管分段灌注，段長(zhǎng)為一般情況為8m，特殊情況5-10m。

壩體充填灌漿配合比采用黏土水泥漿容重控制，容重為 1.2，1.3，1.4，1.5 四級(jí)， 水泥用量為黏土用量20%，與壩基接觸段為黏土與水泥比為3∶1。壩基帷幕灌漿為純水泥漿，水灰比為5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1六個(gè)等級(jí)，平均耗灰量為200kg/m。灌漿材料：選用≥425#普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)32.5級(jí)，按國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB6005-85.80μm 孔篩篩余量<5%。

水庫(kù)工程區(qū)附近出露有灰、青灰色灰?guī)r，由灰?guī)r風(fēng)化而成的殘坡積棕紅色黏土分布較多，根據(jù)取樣試驗(yàn)成果，壩址區(qū)附近灰?guī)r風(fēng)化形成的土料室內(nèi)試驗(yàn)成果為：比重： 2.79，液限61.23，速限40.45，塑性指數(shù)20.78，顆粒組成：>2mm 礫石占1.6%，0.075-2mm 砂粒占14.4%，0.005-0.075mm 粉粒占 33.0%，<0.005mm 黏粒占51.0%，壓縮系數(shù) 0.1MPa-1，滲透系數(shù)3.9×10-8cm/s，飽和固結(jié)快剪 C：48.44，φ：18.99°，室內(nèi)定名為含砂的高液限黏土，可作為灌漿土料使用。

4 結(jié)論及建議

該水庫(kù)運(yùn)行至今多次出現(xiàn)險(xiǎn)情，由于資金和技術(shù)的原因，處理均不徹底。本次除險(xiǎn)加固中安全鑒定結(jié)論得到大壩滲流不滿足要求，滲漏較嚴(yán)重。通過(guò)本次除險(xiǎn)加固， 從根本上解決大壩滲漏問(wèn)題，否則，水庫(kù)一旦潰壩，將對(duì)下于游村莊及農(nóng)田耕地造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。除險(xiǎn)加固于2020年11月完工，現(xiàn)狀運(yùn)行良好。