茶園水庫大壩防滲加固設(shè)計研究

廖益群

（吉水縣水利局,江西 吉水 331600）

0 引言

大壩的滲漏若不及時進行加固處理,不僅會危害壩體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,也會為水庫日后的運行埋下安全隱患。常見的大壩防滲加固方法有防滲墻法、水平防滲加固法、劈裂灌漿防滲加固法等,其中防滲墻法根據(jù)施工方式的不同又包括高壓噴射注漿法、垂直鋪塑防滲法、混凝土防滲墻法等,水平防滲加固中常用的施工技術(shù)有反濾溝導(dǎo)滲技術(shù)、透水壓滲平臺技術(shù)、臨水截滲技術(shù)等。在實際工程中,結(jié)合工程特點,考慮經(jīng)濟和技術(shù)條件選取合適的加固方法尤為重要。

1 工程概況

茶園水庫位于江西省吉水縣尚賢鄉(xiāng)茶園村,座落于贛江水系同江支流尚賢水上,距吉水縣城30 km。大壩為均質(zhì)土壩,壩頂高程為93.99 m～95.00 m,壩頂寬4.0 m～4.5 m,壩頂長192 m,最大壩高15.0 m,上游壩坡坡比1∶3.2～1∶3.9,下游壩坡坡比1∶3.0～1∶3.8。

根據(jù)茶園水庫安全鑒定結(jié)論,大壩存在以下安全問題：

（1）壩頂高低不平,沉陷不均,上游壩面無任何襯護,高程90.5 m 以下風(fēng)浪沖刷嚴重,高程90.5 m 以上灌木雜草叢生；下游壩坡未護坡,無壩面排水系統(tǒng),無壩體排水設(shè)備。

（2）大壩清基不徹底,殘留有第四系殘坡積低液限粘土,具中等透水性。壩基上部強風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,巖質(zhì)破碎,具中等透水性,壩基（肩）存在淺層滲漏問題。

（3）大壩壩體填筑過程中,碾壓施工不到位導(dǎo)致壩體填筑質(zhì)量不符合整體工程項目標準,滲透系數(shù)大于1×10-4cm/s,不滿足規(guī)范對壩體防滲性的相關(guān)要求。

2 防滲加固設(shè)計

大壩防滲處理的原則主要是“上截、下排”,“上截”就是在上游封堵滲漏入口,截斷滲漏途徑,防止?jié)B入。結(jié)合本工程具體情況綜合考慮,采用沖抓套井回填粘土防滲心墻的方法進行防滲加固設(shè)計。

2.1 壩體加固設(shè)計

自大壩壩頂順壩軸線方向上游側(cè)2 m 設(shè)置沖抓套井回填粘土防滲心墻,粘土防滲墻最大深度為14.2 m,防滲墻頂高程91.50 m,防滲墻厚度為1.5 m,沖抓粘土心墻布置2 排孔,造孔直徑1.1 m,孔距為0.86 m,排距為0.9 m。設(shè)計指標如下所示：

（1）粘土防滲墻設(shè)計指標如下：k≤1×10-5cm/s,允許滲透坡降為6～8,壓實度不小于0.95。

（2）沖抓粘土要求：粘粒含量為30%～50%,干密度大于1.5 g/cm3,含水量控制在20%～30%之間,水溶鹽含水及有機質(zhì)含量均不大于5%,土中不允許摻有草皮、樹根等雜物,干密度和含水量均需通過現(xiàn)場試驗,控制在設(shè)計要求范圍內(nèi)。

（3）套井回填粘土心墻填筑要求：沖抓粘土心墻施工前需將庫水位降至最低水位,保證粘土心墻施工。粘土心墻分兩序孔施工,先單序孔,再雙序孔?；靥钿佂烈鶆蚱秸?分層填筑,每層厚度宜控制在0.3 m～0.5 m,粘土心墻回填夯實在落錘時要保持幾秒鐘的的穩(wěn)定,以免造成夯錘碰撞孔壁。當距壩頂2 m 以內(nèi)回填時,應(yīng)減少沖量,夯距小于2 m,以防壩頂開裂及沿孔周壅起。

（4）造孔要求：造孔要保證平整垂直,孔位允許偏差+30 mm。單號井與雙號井孔套接中心在任一深度的偏差,不得大于設(shè)計墻厚的1/3。

（5）壩體與兩壩肩接觸面存在接觸滲漏,采用沖抓套井回填粘土心墻沿左、右壩肩向兩側(cè)延伸5.0 m,防滲墻底部截斷壩基含礫低液限粘土層。

2.2 壩頂加固設(shè)計

（1）壩頂高程復(fù)核

茶園水庫正常蓄水位90.50 m,根據(jù)庫水位～流量關(guān)系曲線,經(jīng)調(diào)洪計算水庫校核洪水位（P=0.33%）為91.46 m,設(shè)計洪水位（P=3.33%）為91.16 m,庫區(qū)多年平均最大風(fēng)速為16 m/s,吹程0.8 km。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2020）,壩頂在水庫靜水位以上的超高按下式確定：

式中：Y為壩頂超高,m；R為最大波浪在壩坡上的爬高,m；e為最大風(fēng)壅水面高度,m；A為安全加高,m。大壩為4 級建筑物,正常運用情況取0.5 m,非常運用情況取0.3 m。

波浪平均波高和平均波周期采用莆田實驗站公式：

式中：hm為平均波高,m；Tm為平均波周期；W為計算風(fēng)速,m/s,取W=16 m/s（校核）、24 m/s（設(shè)計）；Hm為水域平均水深,m,Hm=10.76 m（校核）、Hm=10.46 m（設(shè)計）；g為重力加速度,取9.81 m/s2。

平均波長公式：

式中：Lm為平均波長,m；H為壩迎水面前水深,m。

計算點處的風(fēng)壅水面高度公式：

式中：e為風(fēng)壅水面高度,m；D為風(fēng)區(qū)長度,m,取800 m；K為綜合摩阻系數(shù),取3.6×10-6；β為風(fēng)向與水域中線夾角,°,本次復(fù)合取0°。

平均波高在單坡上的平均波浪爬高公式：

式中：Rm為平均波浪爬高,m；KΔ為斜坡的糙率及滲水性系數(shù),查表取0.90；Kw為經(jīng)驗系數(shù),由風(fēng)速W、坡前水深H,重力加速度g所組成,由W/（gH）1/2確定,查規(guī)范得設(shè)計情況下Kw=1.01,校核情況下Kw=1.00。

根據(jù)式（1）～式（6）,計算結(jié)果見表1。

表1 壩頂高程計算結(jié)果

大壩所需壩頂高程為93.24 m,現(xiàn)狀壩頂高程為94.50 m,高于所需壩頂高程,壩頂高程滿足規(guī)范要求。根據(jù)大壩上、下游坡比、壩頂高程復(fù)核,壩頂設(shè)置砼路面,路面高程為94.50 m（含砼路面）,寬5 m。具體施工方法：在沖抓套井回填粘土心墻施工完成后,將壩頂寬5 m路面高程整平至94.1 m,在其上鋪設(shè)20 cm 厚的5%水泥穩(wěn)定碎石基層,再澆筑砼路面,路面砼強度為C20,厚度為20 cm,砼路面向下游設(shè)2%的橫坡,并在壩頂上、下游側(cè)設(shè)置C20 路肩梁,路肩梁尺寸25 cm×60 cm。

2.3 壩坡加固設(shè)計

本次壩坡加固設(shè)計對上、下游壩坡不平整部分進行削坡整平,完善上、下游壩坡護坡,下游壩坡按滲流出逸點高程設(shè)置貼坡排水,貼坡排水以上進行草皮護坡。

（1）上游壩坡加固設(shè)計

對大壩上游壩坡不平整部分進行削坡整平后坡比為1∶3.5,高程80.7 m～91.66 m 選擇砼預(yù)制塊進行護坡。

砼預(yù)制板采用六角形板,邊長0.3 cm,采用C15 砼,其護坡厚度按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2020）推薦的公式計算：

式中：η為系數(shù),對整體式大塊護面板取1.0,對裝配式護面板取1.1；hp為累計頻率為1%的波高,m；Lm為平均波長,m；b為沿坡向板長,取0.6 m；ρc為板的密度,取2.4 t/m3；ρw為水的密度,取1.0 t/m3；m為坡度系數(shù),取3.5。

經(jīng)計算t=0.097 m。參考類似工程10 cm～20 cm,上游壩坡預(yù)制塊護坡厚度取10 cm,下設(shè)砂石墊層厚10 cm。

（2）下游壩坡加固

本次設(shè)計進行平整壩坡處理,在高程83.0 m 以上坡比為1∶3.0,采用草皮護坡,高程83.0 m 以下新建貼坡排水,坡比為1∶2.5。

3 加固設(shè)計計算

3.1 壩體滲流計算

粘土防滲墻滲透系數(shù)取1×10-5cm/s,貼坡式排水體的滲透系數(shù)5×10-2cm/s,其余土層滲透系數(shù)同大壩加固前滲流穩(wěn)定安全復(fù)核計算。下游水位取大壩下游地面高程79.30 m,大壩加固處理方案典型斷面見圖1。

圖1 計算斷面

由表2 可知,大壩進行套井粘土防滲心墻加固處理后,浸潤線降低很多,滲透比降很小,單寬滲流量最大減小42%,大壩坡面最大降坡為0.20,小于大壩出逸允許坡降0.38,大壩不存在發(fā)生滲透破壞的可能,有利于壩體的穩(wěn)定。

表2 大壩防滲加固前后滲流計算結(jié)果

3.2 壩坡穩(wěn)定計算

（1）計算斷面及參數(shù)選取

穩(wěn)定計算選取滲流狀態(tài)不利、安全隱患高、實測資料較為可靠的河床作為典型斷面,與滲流計算相同,土體的主要物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 土體主要物理力學(xué)參數(shù)

（2）計算方法

大壩靜力穩(wěn)定計算按剛體極限平衡理論采用瑞典圓弧法計算,穩(wěn)定滲流期壩坡抗滑穩(wěn)定計算抗剪強度指標采用有效應(yīng)力指標,非穩(wěn)定滲流期壩坡抗滑穩(wěn)定計算抗剪強度指標采用總應(yīng)力指標。壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)正常運用條件下取1.15,非常運用條件下取1.05。

壩坡抗滑穩(wěn)定計算分析采用北京理正巖土邊坡穩(wěn)定分析計算軟件,該軟件可根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2020）的要求,自動搜索并找出相應(yīng)于瑞典圓弧法的最小安全系數(shù)及相應(yīng)的滑裂弧位置。

（3）計算結(jié)果分析

大壩加固后,壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果見表4。

表4 壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果

由表4 可知,大壩經(jīng)過防滲及壩坡加固后,大壩在各種工況下上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全滿足要求。

4 結(jié)論

通過在壩頂設(shè)置套井回填粘土防滲心墻,從壩體、壩頂、壩坡三個部位對大壩進行綜合防滲加固設(shè)計,根據(jù)滲流計算和穩(wěn)定計算可得如下結(jié)論：

（1）加固后,各工況下大壩單寬滲流量和壩面出逸坡降均大幅降低,大壩不存在發(fā)生滲透破壞的可能,有利于壩體的穩(wěn)定。

（2）加固后,各工況下大壩壩坡抗滑穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。