河北水庫大壩基礎(chǔ)防滲設(shè)計(jì)研究

馮曉波，張宇航，強(qiáng)鵬飛

(1.太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030000；2.山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030000)

水庫是一項(xiàng)維持國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)水利設(shè)施，在水資源調(diào)度和防洪等方面有著重要作用[1- 2]。水庫大壩基礎(chǔ)處理是大壩工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能保證大壩發(fā)揮其功能。其中大壩基礎(chǔ)防滲設(shè)計(jì)的合理性直接影響未來水庫高效運(yùn)行與管理。本文以河北水庫大壩為例進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)方案的可行性研究。

1 常用防滲技術(shù)

我國(guó)土石壩防滲技術(shù)過去大多采用粘土鋪蓋等方案，隨著國(guó)外防滲技術(shù)的引進(jìn)，大量先進(jìn)工藝如混凝土防滲墻、高壓噴射灌溉等被經(jīng)常采用。通過試驗(yàn)和工程實(shí)踐，這些防滲技術(shù)有各自優(yōu)勢(shì)和不足以及適用條件，見表1。

表1 防滲技術(shù)分析

2 河北水庫工程概況

2.1 工程概況

河北水庫位于山西省汾陽市栗家莊鄉(xiāng)，主要由均質(zhì)土壩、上游進(jìn)水涵管、下游供水涵管等組成，是一座小(一)型水庫。其總庫容357.7萬m3，調(diào)蓄庫容354.7萬m3，主要服務(wù)于生活、工業(yè)用水以及農(nóng)業(yè)灌溉等。

2.2 壩基地質(zhì)條件

2.3 壩基地質(zhì)評(píng)價(jià)

水庫壩基置于卵石混合土之上，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的土樣進(jìn)行分析計(jì)算，主壩地基卵石混合土的不均系數(shù)范圍為66.8～106.8，細(xì)粒含量范圍為1.18%～1.44%，經(jīng)計(jì)算，其臨界水力比降Jcr平均值為0.24。副壩卵石混合土的不均系數(shù)范圍為62.3～100.6，細(xì)粒含量范圍為1.09%～1.54%，Jcr平均值為0.22。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)滲水試驗(yàn)和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)值，滲透系數(shù)取2.2m/d，當(dāng)水庫處于正常蓄水位時(shí)，主壩和副壩壩基覆蓋層滲漏量分別為1034.77和158.9m3/d，因此壩基滲漏總量為43.5萬m3/a，超過規(guī)劃允許滲透量25.88萬m3/a。此外，根據(jù)勘察規(guī)范[8]可知，河北水庫在結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定方面也存在一定問題，管涌為此壩基滲透變形的主要類型。

3 壩基防滲設(shè)計(jì)方案比選

根據(jù)常見防滲技術(shù)以及本工程地質(zhì)報(bào)告的建議，本工程防滲體布置要求有：設(shè)計(jì)方案必須保證工程質(zhì)量；工程整體概算低，工程量小，易施工；防滲體施工時(shí)必須保證大壩整體安全性；防滲體施工期間，盡量協(xié)調(diào)各方面用水需求。因此對(duì)相對(duì)適合的2種方案混凝土防滲墻以及高噴防滲墻進(jìn)行進(jìn)一步的比較。

3.1 混凝土防滲墻方案

3.1.1頂高程、底高程

根據(jù)相應(yīng)規(guī)范[7]，垂直防滲措施一般布置在壩的底部。本工程主壩防滲墻全長(zhǎng)115m，頂高程設(shè)為813m，最大深度21.23m。副壩防滲墻全長(zhǎng)120m，頂高程設(shè)為824.5m，最大深度14.5m。

3.1.2墻體材料

防滲墻材料一般采用普通或塑性混凝土，相比普通混凝土，塑性混凝土彈性模量小，可以降低墻內(nèi)應(yīng)力，減少墻體開裂，抗地基變形能力強(qiáng)，適合厚度較大的防滲墻。通過分析，本工程采用塑性混凝土作為防滲墻的材料，設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 塑性混凝土參數(shù)

3.1.3防滲墻厚度

3.1.4施工方法

(1)施工平臺(tái)開挖。防滲墻施工前，將壩頂開挖至主壩副壩設(shè)計(jì)高程，施工平臺(tái)寬度大于5m。

(2)修建高0.9m，底寬1.0m，厚度0.3m的倒L型鋼筋混凝土導(dǎo)墻。

(3)泥漿拌制。首先在水庫壩肩處建造磚砌泥漿池，并用泥漿固壁進(jìn)行防滲處理。其中泥漿主要原料及配合比見表3。

表3 泥漿主要原料及配合比

(4)成槽造孔。施工原理如圖1所示，首先在槽段定位進(jìn)行導(dǎo)向孔施工，然后利用抓斗抓槽。

圖1 抓斗式成槽機(jī)造孔

(5)混凝土澆筑。塑性混凝土材料見表4，導(dǎo)管下至設(shè)計(jì)深度開始澆筑，過程中混凝土面的上升速度小于2m/h。

表4 混凝土主要原料

3.2 高噴防滲墻方案

高噴防滲墻方案的頂高程、底高程設(shè)計(jì)等與混凝土防滲墻方案一樣。

3.2.1高噴灌漿形式

由于河北水庫大壩防滲體由粉土、砂土和砂卵石等組成，高噴灌漿形式選擇高壓旋噴方式。灌漿方法選擇三管法，相應(yīng)配備專業(yè)施工人員如泵工，鉆工，噴灌工等[9- 10]，工藝參數(shù)見表5。

表5 三管法工藝參數(shù)

常見工程灌漿施工布置會(huì)根據(jù)地質(zhì)條件選擇鉆孔方式及孔距[11]，見表6。本工程防滲墻范圍處于雜填土和砂卵石地層，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，灌漿孔選擇柱列型，旋噴樁直徑和孔距設(shè)為1.5m。

表6 常見鉆孔方式及布置

3.2.2高噴灌漿施工

高噴灌漿首先找準(zhǔn)孔位，通過鉆機(jī)鉆孔，深入相對(duì)不透水層。將噴射管放置到設(shè)計(jì)深度，按規(guī)定的方向進(jìn)行漿液旋噴。最后達(dá)到設(shè)計(jì)要求后停止噴射，并清洗相關(guān)管路，以防殘留漿液堵塞管道，影響下次操作。

3.3 方案對(duì)比

混凝土防滲墻和高噴防滲墻防滲方案對(duì)比見表7。

由表7可知，從可靠性角度來說混凝土防滲墻槽段接頭問題已在多個(gè)工程項(xiàng)目中得到解決，而高噴防滲墻的銜接質(zhì)量問題取決于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件，因此塑性混凝土防滲墻的可靠性更高。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，高噴防滲墻方案投資金額低于混凝土防滲墻方案，更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

表7 方案對(duì)比

綜上考慮，河北水庫屬于小型水庫，壩基防滲土層較不復(fù)雜，各土層之間防滲銜接質(zhì)量問題較小，因此選擇高噴防滲墻作為壩基防滲墻體。此外，為了使防滲墻與不透水層更好地銜接而不出現(xiàn)滲漏，考慮同時(shí)結(jié)合施工簡(jiǎn)便的粘土截水槽技術(shù)，減少滲流量，加固防滲，如圖2—3所示。

圖2 主壩防滲墻剖面圖

4 大壩滲流分析

大壩經(jīng)防滲處理后，選取最大壩高斷面(主壩樁號(hào)為：主壩0+095.00，副壩樁號(hào)為：副壩0+060.00)并通過有限元法計(jì)算[12]滲流量。

圖3 副壩防滲墻剖面圖

計(jì)算結(jié)果見表8—9。采取防滲措施后主壩、副壩壩基的年最大滲漏量分別為4.1萬、1.6萬m3/a，低于規(guī)劃允許滲漏量。

表8 主壩滲流計(jì)算成果

表9 副壩滲流計(jì)算成果

5 結(jié)語

(1)壩基防滲設(shè)計(jì)是水利工程建設(shè)的重要組成部分，要結(jié)合大壩地質(zhì)條件、規(guī)劃防滲要求以及施工經(jīng)濟(jì)可靠性來確定加固方案。經(jīng)過對(duì)河北水庫壩基防滲方案的比選，驗(yàn)證了高噴防滲墻結(jié)合粘性土截水槽技術(shù)可以減少壩基滲漏總量，提高水庫安全穩(wěn)定性。為此研究人員應(yīng)將其應(yīng)用于實(shí)踐，發(fā)揮出該有的作用價(jià)值。

(2)高噴防滲墻結(jié)合粘性土截水槽方案防滲效果好，造價(jià)低，但是對(duì)于地質(zhì)復(fù)雜的工程應(yīng)用仍有一定局限性，存在防滲體銜接質(zhì)量問題。相信隨著未來各種新技術(shù)新材料的不斷改進(jìn)發(fā)展，將會(huì)進(jìn)一步強(qiáng)化水庫大壩的安全穩(wěn)定性。