滾鐘口水庫滲漏問題的分析處理及思考

夏亞平 肖 俊 王榮魯

(1.寧夏回族自治區(qū)西干渠管理處，寧夏 銀川 750021；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

水庫除險(xiǎn)加固中，庫區(qū)滲漏是常見的問題。為了選擇合適的處理措施，需要在防滲排滲和反濾層三結(jié)合的基礎(chǔ)上，全面查明滲漏性態(tài)與原因，以及庫區(qū)的地質(zhì)條件，特別是土壤壓實(shí)度、新老土層處理、地下水位等因素，才能選擇最為合適的防滲處理方案與相應(yīng)的施工工藝[1-2]。

1 工程概況

滾鐘口水庫是銀川市城市防洪體系的重要組成部分，位于銀川市西夏區(qū)鎮(zhèn)北堡鎮(zhèn)西干渠西側(cè)暴雨洪水多發(fā)區(qū)，有大口子溝、小口子溝等匯流溝道8條，集水面積227km2，為Ⅲ等水庫工程，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)。水庫總庫容1287萬m3。水庫建于1989年，1996年進(jìn)行了擴(kuò)建，2012年進(jìn)行了壩坡砌護(hù)等除險(xiǎn)加固，并對坡前迎水面采用多頭小直徑深層水泥攪拌防滲墻進(jìn)行了防滲處理。水庫主壩平行西干渠(南北走向)，主壩長4.36km，現(xiàn)壩頂高程為1129.00m，壩頂寬15m，內(nèi)外壩坡分別為1∶4.0和1∶3.0。北端布置泄洪閘，南端布置西干渠進(jìn)水閘。北副壩長0.92km，南副壩長1.08km。

水庫安全鑒定表明：主副壩迎水面狀態(tài)良好，存在少許混凝土剝蝕與開裂現(xiàn)象，但主壩與南副壩背水面坡腳處長有大量蘆葦，且存在疑似洇濕、滲水現(xiàn)象。根據(jù)地質(zhì)勘察資料分析，庫區(qū)下部主要為細(xì)砂層，局部夾有中砂、粗砂及角礫層，屬中等強(qiáng)透水層，雖然上部有壤土及粉質(zhì)黏土覆蓋，但厚度不大，難以形成相對隔水層。該庫除險(xiǎn)加固時(shí)進(jìn)行了深層水泥攪拌樁防滲處理，設(shè)計(jì)樁長14m，范圍包括南北副壩及主壩段，但下部均為中等—強(qiáng)透水層砂土層及礫石層，屬懸掛式防滲結(jié)構(gòu)，只是延長了滲徑，以防止?jié)B透變形破壞發(fā)生，并未形成完整的防滲結(jié)構(gòu)。

2 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)8個(gè)補(bǔ)充勘探鉆孔，進(jìn)行各項(xiàng)原位水文地質(zhì)試驗(yàn)。根據(jù)大壩設(shè)計(jì)斷面圖和地質(zhì)勘探試驗(yàn)結(jié)果，將壩體及壩基從上至下分為5層，分別為2005年人工填土、1991年人工填土、砂壤土、壤土、粉質(zhì)黏土，各分區(qū)物理力學(xué)指標(biāo)根據(jù)土壤取樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果取值(見表1)。

表1 壩體各分區(qū)物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 滲流計(jì)算

水庫滲流計(jì)算取主壩存在疑似滲水現(xiàn)象的斷面 3+700處，以正常蓄水位為例進(jìn)行滲透比降計(jì)算、滲透穩(wěn)定性分析及流速矢量分析。計(jì)算軟件采用Geostudio滲流分析軟件，所用方法為有限元法[3-4]。大壩由上至下分為五層。混凝土護(hù)坡與復(fù)合土工膜視為整體，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，滲透系數(shù)取值為1×10-8cm/s，防滲墻滲透系數(shù)根據(jù)相關(guān)類似工程取值為1×10-6cm/s[5-6]。上游正常蓄水位取1125.00m，下游地下水位取1120.70m。滲流計(jì)算有限元模型共劃分8906個(gè)節(jié)點(diǎn)、8684個(gè)單元(見圖1、表2)。

圖1 滲流計(jì)算有限元模型

表2 斷面滲流計(jì)算結(jié)果

根據(jù)地勘相關(guān)數(shù)據(jù)可知，出逸點(diǎn)附近的壤土的允許水力比降為0.55，正常蓄水位下的主壩斷面的水力坡降遠(yuǎn)小于0.55，故此壩滲流性態(tài)基本安全。但從流速矢量圖可知，雖然壩前的防滲措施對于滲流起到了很好的限制作用，但是由于地下水位過高，反滲導(dǎo)致下游坡腳處出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，若不采取相應(yīng)措施，可能會(huì)影響大壩的安全運(yùn)行。

3 大壩滲漏問題處理措施

最初的大壩滲流控制設(shè)計(jì)思路以防滲為主，至今，滲流控制理論開始將防滲、排滲和反濾層結(jié)合起來。反濾層有濾土和排水減壓雙重功能，濾土準(zhǔn)則確定的是允許的最粗顆粒組成，排水減壓準(zhǔn)則確定的是允許的最細(xì)顆粒組成。二者共同構(gòu)成反濾層顆粒組成允許的變化范圍，工程實(shí)際采用的顆粒組成應(yīng)在此變化范圍內(nèi)。

針對滾鐘口水庫高地下水位、低滲透量的特點(diǎn)，建議在主副壩下游坡腳處設(shè)置反濾層。根據(jù)太沙基反濾層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，初步設(shè)計(jì)滾鐘口水庫反濾層以卵石層為主，粒徑為100～200mm，由上至下分為三層，厚度分別為700mm、500mm、500mm，滲透系數(shù)取被保護(hù)土滲透系數(shù)的10倍左右[7-9]。

為了驗(yàn)證反濾層對滾鐘口水庫滲流性態(tài)的作用，在Geostudio有限元模型中加入反濾層，并進(jìn)行滲流計(jì)算分析。此有限元模型共劃分8913個(gè)節(jié)點(diǎn)、8698個(gè)單元(見圖2、表3)。

圖2 滲流計(jì)算有限元模型(添加反濾層)

表3 斷面滲流計(jì)算結(jié)果(添加反濾層)

將添加反濾層后的滲流計(jì)算結(jié)果與原斷面滲流計(jì)算結(jié)果相對比，根據(jù)計(jì)算結(jié)果表可以看出，添加反濾層后，坡腳處的單寬剖面滲流量增大，說明反濾層在壩后排水方面起到了一定的作用；從流速矢量圖可以看出，添加反濾層后，滲流在坡腳處主要通過反濾層排出，起到了降低地下水位、減小滲透壓力的作用，對大壩的滲流安全起到了一定的作用。

4 防滲效果分析與探討

4.1 防滲方案的選擇

防滲方案的選擇需要在防滲排滲和反濾層相結(jié)合的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程實(shí)際情況來決定。例如，在滾鐘口水庫工程中，已采用了如下兩種防滲措施：一是迎水面設(shè)置100mm厚的混凝土護(hù)坡，并在其下設(shè)置復(fù)合土工膜(兩布一膜)；二是對坡前迎水面進(jìn)行水泥攪拌樁防滲處理，設(shè)計(jì)樁長14m，有效厚度0.2m，范圍包括南北副壩及主壩段。

根據(jù)現(xiàn)場安全檢測與有限元計(jì)算結(jié)果可知，上述兩種防滲措施很好地控制了滲流，使得下游出逸比降與單寬剖面滲透量都極小。但是，此工程地基下部為中等—強(qiáng)透水層砂土層及礫石層，且地下水位較高，導(dǎo)致下游坡腳處存在滲漏現(xiàn)象，影響大壩的安全運(yùn)行。

所以，針對此類水庫存在的滲漏問題，需要采用防滲與排水相結(jié)合的方式進(jìn)行處理。除了迎水面的防滲措施，應(yīng)在下游坡腳處設(shè)置反濾層，降低坡腳處的地下水位與滲透壓力。同時(shí)也可以在下游幾處滲漏較為明顯的個(gè)別區(qū)域，對其進(jìn)行挖空填補(bǔ)處理，用滲透系數(shù)更小的壤土進(jìn)行替換，保證大壩的滲流安全。

4.2 關(guān)于防滲墻

大壩防滲墻施工是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，需要考慮的因素比較多，比如孔口導(dǎo)墻施工、供電系統(tǒng)建設(shè)、混凝土配制和澆筑等，任何一道工序控制不當(dāng)，都會(huì)影響總體施工質(zhì)量。故為了取得較好的防滲效果，需要因地制宜，根據(jù)水庫地質(zhì)條件選擇不同的防滲墻設(shè)計(jì)方案[10-12]。

滾鐘口水庫由于施工條件差、新老填土及分界線等處理不夠徹底、部分土層壓實(shí)度較低、地下水位較高等因素，宜選擇防滲墻進(jìn)行垂直防滲。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻加固技術(shù)以水泥土為主要的防滲加固材料，對于黏土、粉土、淤泥質(zhì)土、砂土以及礫石直徑在0.05m以下的砂礫土等土層均具有普遍適用性；甚至對架空，存在滲漏通道、松散夾層等特殊結(jié)構(gòu)土體也可施工，且施工過程并不干擾水庫正常蓄水。多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻成墻厚度可達(dá)到300cm以及上，且連續(xù)均勻，滲透系數(shù)通?？杀３衷?0-6cm/s以下，抗壓強(qiáng)度不小于1.0MPa，攪拌樁間及樁單元間搭接長度均至少為100cm，抗?jié)B性能好。故此水庫采用多頭小直徑深層水泥攪拌防滲墻，這也是寧夏首次采用此工藝的工程，且取得了良好的防滲效果。

4.3 關(guān)于反濾層

反濾層是水工建筑物滲流控制的關(guān)鍵措施之一，經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則不斷完善，滲流控制理論從以防滲為主的理念發(fā)展為防滲排滲和反濾層三結(jié)合的原理。反濾層有濾土和排水減壓雙重功能，在土石壩的防滲處理中，防滲體主要起到減少滲透量的作用，而防止?jié)B透破壞的功能則由反濾層來承擔(dān)[13]。

滾鐘口水庫通過迎水面混凝土護(hù)坡、復(fù)合土工膜和多頭小直徑深層水泥攪拌防滲墻三種防滲措施相結(jié)合，很好地減少了滲透坡降與滲漏量。但是，由于自身地下水位較高、庫區(qū)土質(zhì)透水性較強(qiáng)等因素，導(dǎo)致坡腳處存在滲漏現(xiàn)象，影響大壩的長期安全運(yùn)行，故應(yīng)該在下游坡腳處設(shè)置反濾層，結(jié)合此工程地質(zhì)條件，初步設(shè)計(jì)反濾層以卵石層為主，粒徑為100～200mm，由上至下分為三層，厚度分別為700mm、500mm、500mm，滲透系數(shù)取被保護(hù)土滲透系數(shù)的10倍左右。并結(jié)合有限元模擬軟件進(jìn)行了滲流分析，結(jié)果表明此反濾層可以有效起到排水減壓的功能，保證滾鐘口水庫的滲流安全。

5 結(jié) 論

滾鐘口水庫由于施工條件差、部分土層壓實(shí)度較低、地下水位較高等因素，導(dǎo)致壩后坡腳處存在滲漏問題。根據(jù)防滲、排滲和反濾層相結(jié)合的滲流控制理論，應(yīng)在水庫下游設(shè)置反濾層，與迎水面的混凝土護(hù)坡、復(fù)合土工膜、深層水泥攪拌防滲墻共同構(gòu)成一個(gè)完善的滲流控制體系。增設(shè)的反濾層可以有效降低壩后地下水位，起到排水減壓的作用，保證了大壩滲流性態(tài)的安全。