新屋居水庫防滲加固設(shè)計(jì)方案研究

鄔建江

(進(jìn)賢縣河道堤防安全保障中心，南昌 331799)

0 引 言

防滲加固技術(shù)對(duì)消除水庫安全隱患，提高防洪安全儲(chǔ)備，發(fā)揮老舊水庫綜合效益，增強(qiáng)水資源調(diào)蓄保障能力具有重要意義[1]。滲透穩(wěn)定是否達(dá)標(biāo)關(guān)系到水庫的安全運(yùn)行。文章通過對(duì)新屋居水庫滲流穩(wěn)定除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，從滲流安全評(píng)價(jià)，加固方案設(shè)計(jì)、效果評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了全過程分析總結(jié)，可以推廣應(yīng)用。

1 工程概況

新屋居水庫位于江西省南昌市進(jìn)賢縣鐘陵鄉(xiāng)，歸屬軍山湖水系，壩址以上控制流域面積為2.43km2，主河道長(zhǎng)為2.25km，主河道坡降0.0744，是一座以灌溉為主，同時(shí)兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的小(1)型水庫。水庫下游有龍泉村的12個(gè)自然村，水庫灌溉面積133.33hm2，保護(hù)區(qū)人口達(dá)0.3萬人。

由于前期壩體填土未能碾壓合格，土料均一性差，結(jié)構(gòu)較松散，空隙發(fā)育，密實(shí)度差，滲透性為強(qiáng)透水。同時(shí)，建壩時(shí)清基不徹底，壩基下存在接觸滲漏。水庫蓄水期壩腳有明顯滲水，水位稍高外壩腳便出現(xiàn)明顯滲漏。多年來水庫只能低水位運(yùn)行，安全隱患仍未消除。

2 壩體滲流安全評(píng)價(jià)

2.1 計(jì)算斷面

計(jì)算分析采取橫剖面上的二維有限元滲流計(jì)算。綜合考慮地形、地質(zhì)、壩高等因素，選擇最高壩段作為滲流計(jì)算的典型斷面，并進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，其計(jì)算分區(qū)見圖1。

圖1 滲流計(jì)算斷面及土層分區(qū)

壩體分為壩體填土層、壩其土層及壩基巖層等滲流計(jì)算分區(qū)，各分區(qū)滲透系數(shù)取值列于表1。

表1 新屋居水庫大壩土料滲透系數(shù)取值表

壩體填土允許滲透坡降為：I允=0.39，壩殼耕植土填土允許滲透坡降為：I允=0.5，壩基粉質(zhì)黏土填土允許滲透坡降為I允=0.5。

2.2 計(jì)算模型

對(duì)于符合達(dá)西定律的二向均質(zhì)以及各向同性土體的滲流，當(dāng)土體完全固結(jié)時(shí)，其水頭函數(shù)符合拉普拉斯方程式：

(1)

與之相應(yīng)的定解條件為：

初始條件：h1=0=h(x,z,0)。

邊界條件:水頭邊界：h1=t1=h(x,z,t)

2.3 計(jì)算工況

土壩滲流計(jì)算應(yīng)考慮水庫運(yùn)行期間出現(xiàn)的不利情況，選擇以下水位組合：①上游正常蓄水位與下游相應(yīng)水位；②上游設(shè)計(jì)洪水位與下游相應(yīng)水位；③上游校核洪水位與下游相應(yīng)水位。

2.4 計(jì)算結(jié)果

按不同的工況條件組合進(jìn)行計(jì)算，繪制各種工況下的滲流流網(wǎng)圖，其結(jié)果為：當(dāng)上游水位為正常蓄水位32.80m、設(shè)計(jì)洪水位33.60m、校核洪水位33.97m時(shí)，大壩滲流浸潤(rùn)線及等勢(shì)線圖見圖2-圖4。

圖2 正常水位大壩滲流浸潤(rùn)線及等勢(shì)線圖

圖3 設(shè)計(jì)水位大壩滲流浸潤(rùn)線及等勢(shì)線圖

圖4 校核洪水位大壩滲流浸潤(rùn)線及等勢(shì)線圖

2.4.1 整體安全分析

根據(jù)大壩滲流安全分析，在各種計(jì)算工況條件下穩(wěn)定滲流期，大壩的浸潤(rùn)線位置偏高，浸潤(rùn)線從壩體填土中出逸。從水庫實(shí)際運(yùn)行情況來看，外壩坡滲流也從壩體填土中逸出，與滲流計(jì)算結(jié)果基本一致，在水庫蓄水后，在大壩的左側(cè)及外部，存在大面積集水現(xiàn)象，集水面積達(dá)10m2以上。大壩設(shè)置了均質(zhì)，但均質(zhì)厚度不滿足要求，均質(zhì)的滲透系數(shù)也>1×10-4cm/s，不滿足規(guī)范要求，基礎(chǔ)為弱透水，大壩總體上存在滲流安全隱患。

2.4.2 局部安全分析

在各種計(jì)算工況條件下的穩(wěn)定滲流中，壩體均質(zhì)的最大坡度、壩基最大坡度和出口最大坡度均大于允許的滲透坡度。因此，均質(zhì)、壩基和壩體在無保護(hù)的情況下可能會(huì)受到因土體流動(dòng)而造成的破壞。

2.4.3 出滲口安全問題

大壩的滲流出口不安全。水庫上游正常蓄水位以下2.0m未進(jìn)行護(hù)坡，對(duì)上游坡的水位降落期滲流穩(wěn)定不利。

3 防滲加固方案

根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)論，完善壩體的防滲體系是大壩除險(xiǎn)加固處理的主要任務(wù)之一。根據(jù)本工程的實(shí)際情況和現(xiàn)階段土壩加固處理方法、習(xí)慣，結(jié)合新屋居水庫大壩上游壩坡的現(xiàn)狀情況，大壩防滲加固措施方案考慮斜墻方案和沖挖套管井心墻方案。以下為兩種加固方案的壩體防滲處理措施的對(duì)比。

3.1 斜墻方案

采用在大壩上游面清除淤泥和護(hù)坡砌體，加設(shè)防滲黏土斜墻。因斜墻底部礫質(zhì)粉質(zhì)壤土為中等透水層，需開挖該層，設(shè)置黏土截水槽。截水槽深約3-5m，底寬3m。上游面清除理至壩基表層礫質(zhì)粉質(zhì)壤土中等透水層底面以下1m，設(shè)置黏土截水槽后鋪筑防滲黏土斜墻，斜墻與下游壩體接觸位置設(shè)反濾過渡層，上游亦設(shè)置斜墻保護(hù)層。

3.1.1 墻體材料及防滲墻厚度

斜墻采用黏土填筑，其滲透系數(shù)要求比原壩土料滲透系數(shù)小兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。原壩體滲透系數(shù)為1.24×10-3cm/s，設(shè)計(jì)要求新設(shè)斜墻滲透系數(shù)K≤1×10-5cm/s。黏土斜墻頂部的水平寬度取1.0m，斜墻底部厚度則根據(jù)土料允許滲透坡降而定。

3.1.2 施工工藝流程

先將上游壩坡的護(hù)坡拆除，清除原壩坡面20cm厚的表層土，并隨著分層填土的同時(shí)，將原坡面分層耙松10-15cm，斜墻土料采用振動(dòng)碾壓實(shí)，使新筑斜墻與原壩填土接合良好，斜墻填筑到壩頂為止，高程34.5m。斜墻上游面鋪設(shè)厚10cm砂礫保護(hù)層，然后10cm厚干砌塊石護(hù)坡。

3.1.3 主要工程量

采用本方案開挖斜墻底部及坡面表層壤土25339.96m3，填筑黏土斜墻及黏土截水溝32793.83m3。上游預(yù)制塊護(hù)坡拆除685.73m3，斜墻下游過渡層填筑4516.14m3。

3.1.4 斜墻方案特點(diǎn)

黏土斜墻方案的主要優(yōu)點(diǎn)是施工作業(yè)簡(jiǎn)單，不需專業(yè)施工力量，缺點(diǎn)是土方開挖和防滲黏土回填量大，施工容易受氣候條件影響，雨季施工難度大。

3.2 沖抓套井回填黏土心墻方案

在壩軸線上鉆孔到防滲層以下0.5m，回填黏土，進(jìn)行夯實(shí)，進(jìn)行套孔作業(yè)施工，在整個(gè)壩軸線上形成連續(xù)防滲墻。

3.2.1 防滲范圍

根據(jù)規(guī)范要求，防滲墻頂高確定為34.20m，底部延伸至壩基防滲層以下0.5m，墻底最小高度為24.52m，最大墻體深度約為9.7m。

3.2.2 墻體材料及防滲墻厚度

防滲墻體材料為黏土，要求K≤n×10-6cm/s，在夯實(shí)時(shí)保證在最佳的含水量下進(jìn)行。考慮成墻工藝和已建類似工程經(jīng)驗(yàn)，共布置一排孔，抓孔直徑1.1m，孔距0.78m，可得墻厚0.78m。

3.2.3 防滲心墻施工工藝流程

施工程序?yàn)椋簤雾斍謇砥秸伎住矙C(jī)→造孔→清理→回填夯實(shí)→質(zhì)量檢查。施工時(shí)先將壩頂清理平整，造孔時(shí)，先鉆1號(hào)和3號(hào)主孔，回填后鉆2號(hào)套筒孔，回填2號(hào)套筒孔后鉆5號(hào)孔，回填后鉆4號(hào)孔。按此順序，交錯(cuò)開孔以進(jìn)行制孔和回填。

3.2.4 工程量

經(jīng)過計(jì)算，沖抓套管孔形成的黏土心墻共計(jì)4582m，沖抓套管孔形成的心墻面積331m2，沖抓套管孔填充黏土量4353m3。

3.3 防滲方案對(duì)比和確定

從施工條件來看，斜墻方案施工最為簡(jiǎn)單，防滲施工質(zhì)量顯著，但黏土挖填量大和回填多，受天氣條件影響明顯，雨季施工難度大。沖抓回填黏土心墻方案施工技術(shù)成熟，黏土需求可控，但施工要求高。當(dāng)孔深超過20m時(shí)，鉆孔困難，質(zhì)量難以控制。組合防滲方案則兼顧了兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)，避害趨利，特別是既用斜墻加寬了壩頂又減少了壩腳部位的較大土方的開挖和圍堰工程量，降低了天氣對(duì)施工的影響。從工程造價(jià)來看，斜墻方案的造價(jià)與沖抓心墻方案造價(jià)相接近，采用組合防滲方案造價(jià)較低。因此，本著“因地制宜，就地取材，技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)合理”的原則，首先推薦新屋居水庫大壩防滲采用沖抓直墻防滲方案。

3.4 加固方案效果復(fù)核

計(jì)算工況按以下要求進(jìn)行，計(jì)算方法同上，大壩加固后滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見圖5-圖7以及表2。

表2 大壩加固后滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

圖5 上游正常蓄水位32.80m滲流圖

圖6 上游設(shè)計(jì)洪水位33.60m流網(wǎng)圖

圖7 上游校核洪水位33.97m滲流流網(wǎng)圖

1)上游正常蓄水位32.80m與下游地面高程；2)上游設(shè)計(jì)洪水位33.60m與下游地面高程；3)上游校核洪水位33.97m與下游地面高程。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，大壩加固后，下游壩趾的地面出逸坡降和滲流量大大減小，浸潤(rùn)線也大大減小，這對(duì)大壩的滲流穩(wěn)定和下游壩坡的抗滑穩(wěn)定非常有利，且防滲墻出逸坡降均<允許值6，貼坡排水出口坡降也<允許值0.41，加固方案達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

文章根據(jù)新屋居水庫壩型特點(diǎn)和填筑土體參數(shù)，結(jié)合滲流穩(wěn)定評(píng)價(jià)結(jié)論，從施工方案、填筑工程量、施工條件等方面系統(tǒng)分析了防滲加固設(shè)計(jì)方案，同時(shí)，對(duì)最終采用的加固方案予以復(fù)核計(jì)算論證。結(jié)果表明加固方案效果顯著，取得了預(yù)期結(jié)果。