某水庫垂直防滲墻貫入度效果分析

周 鑫，羊海明

（1.廣東珠榮工程設(shè)計有限公司,廣東 廣州 510000；2.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510000）

1 前言

水庫滲流是影響水庫正常運行最主要因素之一,不僅嚴重威脅水庫大壩的穩(wěn)定與安全,而且降低了工程效益。水庫多建在地質(zhì)條件復(fù)雜、透水性較強的沖洪積或海相沉積的地區(qū),表層粘土、亞粘土較薄,下部為砂土、砂壤土、卵石且埋深較厚,滲漏問題突出。因此,水庫防滲是保障工程效益的關(guān)鍵之一[1]。

目前對水庫防滲措施效果研究較多。毛昶熙、段祥寶等人通過對懸掛式防滲墻在非穩(wěn)定滲流狀態(tài)下,計算分析中得知它有削減洪峰和延緩壩基滲流破壞時間的作用[2-4],懸掛式防滲墻對管涌通道、控制管涌的沖蝕發(fā)展具有決定性作用[5]；周曉杰、丁留謙等人認為滲流通道往往在強弱透水層之間,如果防滲墻能截斷這一通道, 對控制滲流破壞具有極其重要的作用[6]。本文概述水庫滲漏成因及其影響,對垂直滲控措施的結(jié)構(gòu)及效果開展數(shù)值模擬和分析評價。

2 工程概況

獅子頭水庫地處羅定市東部位于羅定市金雞鎮(zhèn)大垌村,距金雞圩鎮(zhèn)5 km,距羅定市城區(qū)44 km,屬西江流域二級支流白石河的支流。獅子頭水庫壩址以上控制集雨面積10.86 km2,是一座以灌溉為主,兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的?。?）型水庫,主要由大壩、溢洪道和輸水涵管等組成。

獅子頭水庫于1979 年建成,由于建設(shè)時期特殊的歷史年代,當時設(shè)計標準偏低,建設(shè)資金困難,施工管理不規(guī)范,施工方法主要靠土法上馬,人工挑土上壩,土料質(zhì)量和碾壓質(zhì)量控制不嚴,既有石滾碾壓,又有水中倒土、還有部分壩體為干堆土,參與施工單位較多,質(zhì)量較差而且不均勻。大壩基礎(chǔ)基本上未作清基和防滲處理。水庫經(jīng)過多年運行,暴露出較多問題,滲漏問題尤為突出。

本次除險加固對壩體壩基做垂直防滲墻防滲處理。大壩為均質(zhì)土壩,壩頂高程為201.42 m,最大壩高為22.60 m,壩頂長度為180.00 m,壩頂寬5.00 m。迎水坡分兩級,由上至下分別為1∶2.5和1∶3,兩級壩坡間不設(shè)平臺,坡面為干砌石護坡,壩頂設(shè)置壩肩石。背水坡分兩級,由上至下分別為1∶2.5和1∶2.5,兩級壩坡間設(shè)平臺寬1.50 m,平臺設(shè)排水溝凈寬0.30 m。排水棱體頂高程184.20 m,排水棱體以下壩坡1∶1.5,排水棱體頂寬1.00 m。背水坡設(shè)1道2.50 m寬漿砌石步級,步級采用M10 水泥砂漿批蕩,從壩頂通至排水棱體頂；背水坡采用草皮護坡。

3 水庫垂直防滲墻貫入度效果分析

防滲機理本質(zhì)上是延長滲徑或是截斷滲流,從而達到降低壩體浸潤線和滲透坡降,減少滲漏量的目的。目前防滲措施主要分為三大類：上游水平防滲、中間垂直防滲和下游排水。

本文主要研究垂直防滲墻貫入度。防滲墻是目前主要的垂直防滲措施,由于防滲墻適用范圍廣,條件寬泛,特別是混凝土防滲墻,是水庫壩基防滲處理的有效措施之一。新中國成立以來的70 多年里,我國水利工程建設(shè)技術(shù)逐漸成熟,遇到的地質(zhì)滲漏問題尤為突出,對防滲墻技術(shù)要求也越來越高[7-9]。

水庫防滲效果評價指標主要是滲流量和滲流穩(wěn)定兩方面,這決定了水庫工程能否正常運行,發(fā)揮工程效益。垂直防滲應(yīng)考慮這兩方面,選取單寬滲流量Q和防滲墻底部滲透坡降J作為防滲墻防滲效果評價指標,通過分析不同的覆蓋層厚度及不同的貫入度S/T,找出影響防滲效果的影響規(guī)律,找出影響防滲效果的規(guī)律。結(jié)合水庫浸沒防治前后的效果對比,給出合理的防滲布置。

3.1 水庫垂直防滲研究

1）垂直防滲數(shù)值模型

該模型在相同的水位條件下,采用對稱布置二維滲流數(shù)值模型[10],滲流模型示意圖見圖1,模型中壩頂寬5.00 m,防滲墻厚度0.60 m,迎水側(cè)邊坡1∶2.5和1∶3,背水側(cè)邊坡1∶2.5,壩高22.60 m,上游水位18.00 m,下游水位0.00 m；防滲墻貫入度S/T取0%,10%,30%,50%,70%,90%,100%；覆蓋層厚度T取20 m,50 m,80 m,100 m。模型中地基深度取100 m,長度沿壩腳處向外延伸300 m。

圖1 垂直防滲數(shù)值模型示意圖

防滲墻與貫入的覆蓋層滲透系數(shù)相差越大,防滲效果越好,經(jīng)研究表明當兩者滲透系數(shù)相差100 倍以上時,防滲效果較好[11-12]。獅子頭水庫計算模型中壩體、覆蓋層、基巖和防滲墻滲透系數(shù)取值相差都在100 倍以上,各滲透系數(shù)見表1。

表1 模型中土層滲透系數(shù)表

2）垂直防滲單寬滲流量Q分析

從圖2中可知：（1）隨著防滲墻貫入度S/T不斷增加,滲流量Q不斷減少,防滲效果逐漸增強,但防滲效果有限。（2）當貫入度S/T超過95%時,防滲效果有所提升,當貫入度S/T接近100%時,滲流量Q減少90%以上,防滲效果優(yōu)越。（3）在相同的貫入度S/T下,覆蓋層越厚即相對透水層越厚,滲流量Q越大。

圖2 防滲墻單寬流量圖

從防滲墻單寬流量Q分析,懸掛式防滲墻能減少滲流量,隨著貫入度的增加而減少,但效果不明顯。建議采用全截式防滲墻與基巖相連,形成密閉的防滲體系,才能有效減少滲流量Q,防滲效果此時最佳；但在實際工程中,隨著防滲墻貫入深度的增加,施工難度及工程造價也會相應(yīng)的挺高。

3）防滲墻底部滲透坡降JA-B分析

從圖3中可知：（1）隨著防滲墻貫入度S/T不斷增加,防滲墻底部滲透坡降JA-B不斷增大。（2）當貫入度S/T超過95%時,防滲墻底部滲透坡降JA-B增加趨勢明顯。（3）在相同的貫入度時,覆蓋層越厚,防滲墻底部滲透坡降J越小。（4）當S/T等于100%時,覆蓋層越厚,滲透坡降J越大。

圖3 防滲墻底部滲透坡降JA-B

從防滲墻底部滲透坡降J分析,隨著防滲墻貫入深度不斷加大,防滲墻底部的水平滲透坡降將會逐漸增大,當貫入度超過95%時,可能會引起底部滲透變形,影響防滲墻防滲效果。因此,必須在滿足防滲墻滲透穩(wěn)定的前提下,防滲墻貫入度越大,防滲效果越好。

4）防滲墻兩端滲透坡降JC-D分析

從圖4中分析可知：（1）防滲墻貫入度S/T越大,防滲墻兩端滲透坡降越大。（2）貫入度S/T>95%時,防滲墻兩端滲透坡降JC-D增加趨勢明顯。（3）在相同的貫入度S/T下,覆蓋層越厚,防滲墻兩端滲透坡降越大。

圖4 防滲墻兩端滲透坡降JC-D

從防滲墻兩端滲透坡降JC-D分析,隨著防滲墻貫入深度不斷加大,防滲墻兩端的滲透坡降將會逐漸增大,不利于防滲墻的穩(wěn)定與安全,容易造成防滲墻被擊穿,影響防滲效果。因此,在實際運用時,在覆蓋層較厚時,可適當加大防滲墻厚度。

3.2 水庫浸沒研究

水庫滲漏常常伴有浸沒問題,對浸沒問題的深入了解,有助于對水庫滲漏的認識,通過除險加固前后浸沒問題的對比,能更直觀的體現(xiàn)防滲措施的防滲效果。水庫庫區(qū)地下水位高于該區(qū)域?qū)?yīng)臨界地下水位埋深,則為浸沒區(qū),反之則為非浸沒區(qū)?！端姽こ痰刭|(zhì)勘察規(guī)范》中規(guī)定臨界地下水埋深計算公式如下：

式中：hcr為臨界地下水位埋深,m；hk為土壤毛細水上升高度,m,不同土壤,毛細水上升高度也不相同,考慮到水庫土壤性質(zhì),毛細水上升高度取2 m；Δh為浸沒影響對象的安全超高,m,一般農(nóng)作物安全超過取50 cm。

模型中覆蓋層厚度50 m,壩后距離300 m,其他布置與水平防滲計算模型類似。分別在無防滲措施和垂直防滲治理條件下,地下水等壓線分布示意圖見圖5~圖6。

圖5 自由面及等勢線（無防滲措施）

圖6 自由面及等勢線（垂直防滲墻措施）

從圖5、圖6中可知：防滲墻能有效降低壩后地下水水位,是整治水庫浸沒問題的有效途徑,是治理水庫滲漏的重要手段,能有效截斷原有滲漏通道,保證水庫滲流安全,發(fā)揮工程效益。

4 獅子頭水庫防滲墻應(yīng)用效果

經(jīng)除險加固完工后,防滲墻基本截斷滲漏通道,經(jīng)計算大壩滲流性態(tài)基本安全,壩體浸潤線（面）和壩基揚壓力為超過安全值,大壩滲流壓力與滲流量基本可控,變化規(guī)律基本正常。

（1）物探資料分析

經(jīng)物探資料顯示大壩防滲墻良好,壩后坡草皮護坡完整,未見浸潤、沖溝等情況。高密度電法檢測顯示,壩體中等透水性主要分布在壩體上部0 m~10 m范圍內(nèi),壩體中下部主要為微~弱透水性。壩后坡大多表現(xiàn)為中-弱等透水性,大壩壩體滲漏問題基本得到解決。大壩高密度二維反演成果見圖7。

圖7 大壩高密度二維反演成果圖

（2）測壓管資料分析

水庫在主壩設(shè)測壓管3排共9孔,副壩3排6孔,采用壓力式傳感器測量測壓管內(nèi)的滲壓水頭。通過對主壩測壓管歷史觀測資料的統(tǒng)計分析,各測壓管地下水位基本與水庫水位呈正相關(guān)性,水庫水位高時,測壓管水位高,水庫水位低時,測壓管水位低。此外壩體典型觀斷面圖得到的實測浸潤線均低于設(shè)計浸潤線,壩體處于滲流安全運行狀態(tài)。

綜上所述,水庫垂直防滲墻需嵌入不透水層（基巖）,貫入度達到100%時,能有效截斷滲漏通道,同時當覆蓋層（相對透水層）較厚時,應(yīng)加大防滲墻厚度,防止其滲透變形,影響防滲效果。

5 結(jié)論

除有生態(tài)防滲的特殊要求外,水庫應(yīng)著重于滲流量的控制,封閉切斷庫水與地下水的聯(lián)系。在選取防滲措施時,首選截斷式防滲墻,如果存在不透水層缺失的情況時,可選擇在整個庫底鋪設(shè)水平鋪蓋,同時結(jié)合下游排水措施,提高整體防滲效果。本文只針對大壩本身的滲控措施進行研究,對放水洞、閘等輸水建筑物的接觸滲漏還需要進一步研究。