細(xì)棗池水庫防滲加固方案研究

符怡森

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

0 引言

防滲加固工程主要是控制滲流，使壩體壩基的滲流控制在一定范圍內(nèi)，不致因滲流破壞而影響整體工程的安全性[1]?？刂圃瓌t是前堵后排，保護(hù)滲流通道安全。常見的滲流控制措施有防滲墻、灌漿、鋪蓋以及減壓井、減壓溝和濾層等。針對不同工程應(yīng)結(jié)合滲漏情況和施工現(xiàn)場采用不同的防滲技術(shù)和措施，同時(shí)滿足投資、工期和防滲效果的要求。細(xì)棗池水庫防滲加固方案的選取及效果評(píng)價(jià)可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

細(xì)棗池水庫位于德江縣高山鎮(zhèn)高橋村境內(nèi)，地理位置為東經(jīng)108°09′，北緯28°30′。主要任務(wù)為灌溉，兼人畜飲水和鄉(xiāng)村防洪。水庫樞紐包括大壩、放水設(shè)施、岸邊溢洪道等建筑物，工程等別為Ⅳ等，大壩、溢洪道、放水設(shè)施等永久建筑物級(jí)別為4級(jí)。細(xì)棗池水庫正常蓄水位為1 082 m，死水位為1 069.7 m，興利庫容107萬 m3。水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)按50 a一遇(P=2%)洪水設(shè)計(jì)，500 a一遇(P=0.2%)洪水校核，設(shè)計(jì)洪水位(P=2%)1 083.40 m，校核洪水位(P=0.2%)1 083.80 m，總庫容148萬 m3。地理位置分布見圖1。

圖1 細(xì)棗池水庫地理位置圖

2 防滲加固措施

細(xì)棗池水庫因年久失修，原導(dǎo)流涵管及放水涵洞存不同程度的滲漏，原導(dǎo)流涵管與壩體及基巖接觸帶滲漏較為嚴(yán)重，滲漏量較大。通過對水庫基本情況的了解及對大壩滲漏原因的分析，經(jīng)多方面考慮，本次除險(xiǎn)加固擬提出以下方案。

2.1 防滲布置

(1)對壩體上部(死水位1 069.7 m以上)采取置換上游壩面復(fù)合土工膜、更換及加厚上游壩面砼預(yù)制塊等壩面處理措施；(2)對下部壩體(死水位1 069.7 m以下)及壩體與基巖的接觸帶分別采取壩內(nèi)充填灌漿和壩基帷幕灌漿相結(jié)合的處理措施；(3)對兩岸坡壩基和左、右壩肩巖體采取帷幕灌漿防滲處理措施；(4)增設(shè)取水隧洞上游岸塔式取水口(含平門閘門、攔污柵及下游交通橋)。

(1)通過左岸放水隧洞將水庫水位放至死水位1 069.7 m高程以下，依次拆除上游壩面1 069.7 m高程以上的上游護(hù)坡體：8 cm厚C15砼預(yù)制塊、15 cm碎石墊層及10 cm粗砂墊層，拆除上游面老舊復(fù)合土工膜。之后重新更換復(fù)合土工膜，依次填回10 cm粗砂墊層、15 cm碎石墊層，最后采用10 cm厚C15砼預(yù)制塊護(hù)坡壓面(施工時(shí)通過深挖、調(diào)整土工布下部的粗砂墊層，使重建后壩面與1 069.7 m高程以下的原已建壩面保持坡比協(xié)調(diào)一致，恢復(fù)至原設(shè)計(jì)壩面坡度)。并在上游壩面1 069.7 m高程設(shè)置寬2.5 m、厚0.75 m的C25砼齒墻(此齒墻兼用作上游壩面下部的帷幕灌漿平臺(tái))，新?lián)Q復(fù)合土工膜上部需埋入壩頂，拆除重建防浪墻，下部埋入新增C25砼齒墻內(nèi)，兩岸埋入拆除后恢復(fù)重建的岸坡段C25砼齒墻內(nèi)(兩側(cè)齒墻分布高程為1 069.7～1 084 m，沿老齒墻拆除位置恢復(fù)重建，須在大壩與岸坡連接處設(shè)置排水溝，集水排入庫內(nèi))。

(2)對上游壩面死水位1 069.7 m高程以下的壩體及壩基進(jìn)行防滲，設(shè)計(jì)采用在1 069. 7m新建2.5 m寬齒墻平臺(tái)上設(shè)置防滲帷幕的型式進(jìn)行防滲(包括壩體內(nèi)充填灌漿及壩基帷幕灌漿兩部分)；對于死水位1 069.7 m高程以上的壩體兩岸坡壩基及兩壩肩，設(shè)計(jì)采用帷幕灌漿的型式進(jìn)行防滲處理(沿壩體上游面兩岸坡恢復(fù)重建齒墻布置)。

2.2 附加措施

為了提高水庫運(yùn)行效率，增設(shè)左岸放水隧洞進(jìn)口取水及檢修設(shè)施。擬新增的進(jìn)水口井筒基礎(chǔ)布置在已建放水隧洞進(jìn)口位置，井筒下部基礎(chǔ)采用C20砼回填，基礎(chǔ)面設(shè)固結(jié)灌漿，間距3 m，孔深5 m，梅花形布置。進(jìn)水口底板高程為1 067.28 m，與已建放水隧洞進(jìn)口底板基礎(chǔ)一致，低于死水位高程1 069.70 m，閘門井平面尺寸6.2×4.2 m(長×寬)。取水進(jìn)口為喇叭型，頂板及兩側(cè)為橢圓曲線，進(jìn)口設(shè)置1.6×1.3 m攔污柵，其后接1×1 m事故檢修閘門一扇。閘門井頂部高程1 085 m與壩頂防浪墻墻頂高程一致。進(jìn)水口攔污柵和平板事故閘門共用一個(gè)啟閉機(jī)室，啟閉機(jī)室置于取水口閘門井上部，為雙層框架構(gòu)件。啟閉機(jī)室設(shè)置攔污柵和事故閘門啟閉設(shè)備各一臺(tái)，分別為CD1-100kN-5m的電動(dòng)葫蘆、QP250kN-18m的高揚(yáng)程卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。進(jìn)水口井筒下游通過C25鋼筋砼交通橋與下游運(yùn)行便道連接，交通橋跨度11.5 m。

3 滲流穩(wěn)定復(fù)核

細(xì)棗池水庫大壩為土工膜防滲粘土斜墻土石混合壩，地基為不透水地基。本工程滲流計(jì)算分析采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所編寫的滲流穩(wěn)定分析軟件Autobank7.4進(jìn)行運(yùn)算。擬定本工程滲流穩(wěn)定計(jì)算為以下4種組合工況：

(1)庫水位為正常蓄水位工況；

(2)庫水位為設(shè)計(jì)洪水位工況；

(3)庫水位為校核洪水工況；

(4)庫水位由正常蓄水位降至1/3壩高水位時(shí)工況。

3.1 計(jì)算方法

對于穩(wěn)定滲流，符合達(dá)西定律的非均各向異性二維滲流場，水頭勢函數(shù)滿足微分以下方程：

(1)

式中：φ=φ(x,y)為待求水頭勢函數(shù)；x，y為平面坐標(biāo)；Kx，Ky分別為x，y軸方向的滲透系數(shù)。

水頭φ還必須滿足一定的邊界條件，經(jīng)常出現(xiàn)以下幾種邊界條件：

(1)在上游邊界上水頭已知

φ=φn

(2)

(2)在逸出邊界水頭和位置高程相等

φ=z

(3)

(3)在某邊界上滲流量q已知

(4)

其中l(wèi)x，ly為邊界表面向外法線在x，y方向的余弦。

將滲流場用有限元離散，假定單元滲流場的水頭函數(shù)勢φ為多項(xiàng)式，由微分方程及邊界條件確定問題的變分形式，可導(dǎo)得出線性方程組：

[H]{φ}={F}

(5)

式中：[H]為滲透矩陣；{φ}為滲流場水頭；{F}為節(jié)點(diǎn)滲流量。

求解以上方程組可以得到節(jié)點(diǎn)水頭，據(jù)此求得單元的水力坡降、流速等物理量。求解滲流場的關(guān)鍵是確定浸潤線位置，Autobank采用節(jié)點(diǎn)流量平衡法通過迭代計(jì)算，自動(dòng)確定浸潤線位置和滲流量。滲流計(jì)算簡圖見圖2。

3.2 計(jì)算結(jié)果

(1)工況一：庫水位為正常蓄水位時(shí)，穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果見圖3和表1。

計(jì)算結(jié)果表明，正常蓄水位穩(wěn)定滲流期壩體單寬滲流量為0.115 m3/d，按壩體寬度140 m計(jì)算，壩體總滲流量約13.27 m3/d，即約0.15 L/s。浸潤線溢出點(diǎn)為壩腳，浸潤線較為合理。

(2)工況二：庫水位為設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果見圖4和表2。

圖2 滲流計(jì)算簡圖

圖3 正常水位蓄水位穩(wěn)定滲流期浸潤線 圖4 設(shè)計(jì)水位穩(wěn)定滲流期浸潤線

表1 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期計(jì)算成果表

表2 設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期計(jì)算成果表

計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)洪水位穩(wěn)定滲流期壩體單寬滲流量為0.146 m3/d，按壩基寬度140 m計(jì)算，壩體總滲流量約16.8 m3/d，即約0.194 L/s。浸潤線溢出點(diǎn)為壩腳，浸潤線較為合理。

(3)工況三：庫水位為校核洪水位時(shí)，穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果見圖5和表3。

計(jì)算結(jié)果表明，校核洪水位穩(wěn)定滲流期壩體單寬滲流量0.092 m3/d，按壩基寬度140 m計(jì)算，壩體總滲流量約10.44 m3/d，即約0.121 L/s。浸潤線溢出點(diǎn)接近壩腳，浸潤線較為合理。

(4)工況四：庫水位由正常蓄水位降至1/3壩高水位時(shí)，非穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果見圖6和表4。

圖5 校核洪水為時(shí)穩(wěn)定滲流浸潤線 圖6 水位降落滲流浸潤線

計(jì)算結(jié)果表明，正常蓄水位降至1/3壩高水位時(shí)，非穩(wěn)定滲流期壩體最大單寬滲流量0.215 m3/d，最小單寬滲流量0.000 1 m3/d，浸潤線溢出點(diǎn)在壩腳，屬于正?，F(xiàn)象，浸潤線較為合理。

表3 校核洪水位時(shí)穩(wěn)定滲流計(jì)算成果表

表4 水位降落時(shí)穩(wěn)定滲流計(jì)算成果表

4 結(jié)語

針對細(xì)棗池水庫現(xiàn)狀，通過對壩體、壩基和左、右壩肩巖體采取帷幕灌漿防滲處理措施，解決了壩體、壩基及兩岸坡的滲漏問題。同時(shí)，增設(shè)左岸放水隧洞進(jìn)口取水及檢修設(shè)施、改善了水庫的運(yùn)行條件，提升了工程的運(yùn)行品質(zhì)和效益，滲流復(fù)核結(jié)果表明水庫采取的措施是可行的。