馬家溝水庫(kù)瀝青混凝土心墻壩防滲處理設(shè)計(jì)

馬新平

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003）

1 工程概況

馬家溝水庫(kù)是重慶銅罐驛長(zhǎng)江調(diào)水西部供水區(qū)的中轉(zhuǎn)、囤蓄水庫(kù)，位于九龍坡區(qū)石板鎮(zhèn)附近的大溪河支流干河溝中游。水庫(kù)集水面積11.85 km2，正常蓄水位250.80 m，總庫(kù)容891萬(wàn)m3，為小（1）型Ⅳ等工程，由大壩、溢洪道、引水渠、進(jìn)水泵站及灌溉取水塔等建筑物組成。

大壩為瀝青混凝土心墻石渣壩，最大壩高38.0 m，壩頂高程252.0 m，壩頂寬度9.0 m，壩頂長(zhǎng)267.60 m。瀝青混凝土心墻厚50 cm，底部通過(guò)混凝土齒槽與基巖連接。壩基以砂質(zhì)泥巖為主，采用單排帷幕防滲，向下深入相對(duì)不透水層（q＜3～5 Lu）3～5 m。心墻兩側(cè)設(shè)2.00 m厚過(guò)渡料，上、下游壩殼填筑料主要為砂質(zhì)泥巖。

2 大壩滲漏情況

馬家溝水庫(kù)工程于2000年10月開(kāi)工，2002年12月完成導(dǎo)流洞封堵試蓄水。水庫(kù)蓄水伊始大壩即出現(xiàn)明顯滲漏，滲漏量隨庫(kù)水位升高明顯增大，庫(kù)水位237.0 m時(shí)滲漏量達(dá)70 L/s左右，且下游坡大面積滲水。為此，先后于2003年11月和2004年12月進(jìn)行了兩次壩基和壩體防滲處理。

第一次壩基河床部位的基巖補(bǔ)充灌漿防滲處理效果不明顯。第二次壩體上游反濾過(guò)渡料區(qū)旋噴防滲墻和瀝青混凝土心墻間塑性灌漿處理未達(dá)到預(yù)期效果：實(shí)測(cè)2006年7月1日庫(kù)水位241.02 m時(shí)，滲漏量為 30.4 L/s；2006年 12月 23日庫(kù)水位235.11 m時(shí)，滲漏量為18.11 L/s；2007年4月14日庫(kù)水位229.58 m時(shí)，滲漏量為5.09 L/s。近似推算正常蓄水位250.80 m時(shí)，水庫(kù)年滲漏量可能達(dá)200萬(wàn)m3以上。

壩體的嚴(yán)重滲漏不僅影響工程效益的正常發(fā)揮，也直接影響工程安全運(yùn)用。鑒于241 m水位高程以上壩體尚未經(jīng)受蓄水檢驗(yàn)，因此要求對(duì)大壩滲漏采取進(jìn)一步的處理措施，達(dá)到降低滲漏量、滿足工程安全運(yùn)用的目的。

3 大壩防滲處理方案選擇

3.1 擬定原則

分析大壩防滲處理有關(guān)檢測(cè)、設(shè)計(jì)和施工資料，防滲處理方案擬定考慮以下主要因素：

（1）滿足水庫(kù)施工期運(yùn)用要求，宜考慮從壩頂加固；

（2）瀝青混凝土心墻本身不具有加固處理可行性；

（3）瀝青混凝土心墻上游反濾過(guò)渡層已經(jīng)旋噴和灌漿處理；

（4）混凝土齒槽強(qiáng)度較低，壩基以軟巖和較軟巖為主；

（5）現(xiàn)有資料表明，水庫(kù)滲漏以壩體防滲體、混凝土齒槽和淺部基巖為主；

（6）大壩建成蓄水5年，最高水位241.02 m，壩體大部分沉降已完成。

3.2 大壩防滲處理方案

鑒于馬家溝水庫(kù)大壩防滲處理的可靠性要求，結(jié)合以往的防滲處理經(jīng)驗(yàn)，本次大壩防滲除險(xiǎn)擬定以下三種方案。

（1）方案一：壩體、混凝土齒槽和淺層基巖混凝土防滲墻

壩體、混凝土齒槽和淺層基巖均采用混凝土防滲墻防滲處理。混凝土防滲墻緊貼瀝青心墻上游側(cè)布置，墻厚0.6 m，墻底根據(jù)水頭大小分別深入基巖4 m、3 m和2 m。

（2）方案二：壩體、混凝土齒槽混凝土防滲墻+基巖灌漿

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壩體、混凝土齒槽采用混凝土防滲墻，淺層基巖采用水泥灌漿防滲處理。混凝土防滲墻緊貼瀝青心墻上游側(cè)布置，墻厚0.6 m，墻底至混凝土齒槽底部；下部基巖水泥灌漿孔采用單排布置，孔距0.8 m，孔深根據(jù)水頭大小分別深入基巖6 m、5 m和4 m。

（3）方案三：壩體雙排旋噴墻+齒槽和基巖灌漿

壩體采用雙排旋噴防滲墻，混凝土齒槽和淺層基巖采用水泥灌漿防滲處理。旋噴防滲墻緊貼瀝青心墻下游側(cè)布置，有效厚度0.6 m，墻底至混凝土齒槽頂部；下部混凝土齒槽和淺層基巖水泥灌漿單排布置，孔距0.8 m，孔深根據(jù)水頭大小分別深至基巖6 m、5 m和4 m。

3.3 方案選擇

上述三種方案技術(shù)上均可行，但可靠性及施工工藝等方面有一定差別。方案一混凝土防滲墻位于已處理的心墻上游反濾過(guò)渡層內(nèi)，造孔成墻難度不大，主要問(wèn)題是需要在混凝土齒槽和淺層基巖內(nèi)造孔成墻；方案二、方案三則施工難度相對(duì)較小，但施工工藝相對(duì)復(fù)雜。

鑒于方案一混凝土防滲墻處理可靠性較高，避免了不同防滲體間連接可靠性差的問(wèn)題，同時(shí)混凝土齒槽和淺層基巖強(qiáng)度較低、具備造孔成墻的條件，以及工程投資與其他方案差別不大，設(shè)計(jì)選擇大壩防滲處理采用混凝土防滲墻方案。

4 防滲處理設(shè)計(jì)

4.1 防滲墻設(shè)計(jì)

馬家溝水庫(kù)大壩瀝青混凝土心墻上、下游分別設(shè)有2.0 m寬的反濾過(guò)渡層，反濾過(guò)渡料為人工灰?guī)r料，最大粒徑80 mm，小于5 mm的占35%。上游反濾過(guò)渡區(qū)已經(jīng)旋噴和水泥灌漿處理，凝結(jié)體滲透性降低、強(qiáng)度提高、剛度增加，適于布置防滲墻。

心墻墊座混凝土齒槽強(qiáng)度較低，施工期已出現(xiàn)裂縫；齒槽基礎(chǔ)淺層基巖強(qiáng)度較低，未進(jìn)行固結(jié)灌漿，混凝土齒槽及淺層基巖存在滲漏通道，因此設(shè)計(jì)考慮壩體、混凝土齒槽和淺層基巖的整體防滲要求，將混凝土防滲墻底部深入基巖一定深度。

圖1 壩體滲漏計(jì)算材料劃分Fig.1 The materials division in the dam seepage computation

4.2 防滲墻滲流分析

混凝土防滲墻可以有效減小壩體和壩基的滲漏量，為了解防滲墻不同入巖深度的防滲效果，采用理正軟件進(jìn)行防滲墻滲流分析。壩體及壩基的滲透參數(shù)如下：基巖弱風(fēng)化帶為1×10-3cm/s；基巖微風(fēng)化帶為5×10-4cm/s；基巖相對(duì)不透水層為5×10-5cm/s；壩基帷幕灌漿體為5×10-5cm/s；上游壩體石渣料為5×10-2cm/s；心墻反濾過(guò)渡料為5×10-3cm/s；瀝青混凝土心墻體為1×10-7cm/s；下游壩體石渣料為5×10-3cm/s；下游壩腳堆石護(hù)坡為5×10-2cm/s；混凝土防滲墻為5×10-8cm/s。

滲流計(jì)算材料分區(qū)情況見(jiàn)圖1，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。計(jì)算結(jié)果表明，混凝土防滲墻深入基巖2～6 m，與原設(shè)計(jì)情況相比，約可減少滲漏28%～43%；深入4 m時(shí)，可減少約36%。

表1 馬家溝水庫(kù)大壩滲流計(jì)算成果Table 1:Results of the seepage computation of Majiagou reser-voir dam

4.3 防滲墻應(yīng)力應(yīng)變分析

為了解混凝土防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，采用水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)（AutoBANKv4.5）軟件進(jìn)行了水庫(kù)在正常蓄水位250.8 m和校核洪水位251.16 m兩種工況下的應(yīng)力應(yīng)變分析。模擬的加載順序?yàn)椋涸鼋ɑ炷练罎B墻、分期蓄水至計(jì)算水位，計(jì)算采用的參數(shù)見(jiàn)表2和表3，應(yīng)力和變形特征值的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 壩料的本構(gòu)模型參數(shù)表Table 2:Parameters of the dam materials in constitutive model

表3 基巖及混凝土防滲墻的本構(gòu)模型參數(shù)表Table 3:Parameters of the bedrock and the concrete cut-off wall in constitutive model

表4 混凝土防滲墻應(yīng)力和變形特征值Table 4:Eigenvalues of the stress and deformation of the concrete cut-off wall

應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果表明，防滲墻應(yīng)力和變形符合其受力特征的一般規(guī)律。從表4可以看出，防滲墻垂直位移較小，最大水平位移位于墻頂部位；防滲墻上部向下游變形，上游面頂部、下游面底部產(chǎn)生壓應(yīng)力，最大主壓應(yīng)力位于下游面底部；上游面底部、下游面頂部產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大主拉應(yīng)力位于上游面底部。

綜合防滲墻應(yīng)力特別是拉應(yīng)力情況，防滲墻采用C15混凝土，同時(shí)考慮壩體過(guò)渡料區(qū)高噴灌漿凝結(jié)體強(qiáng)度提高、剛度增加對(duì)防滲墻應(yīng)力、變形的有利影響，防滲墻本身結(jié)構(gòu)安全。

5 防滲處理效果及結(jié)論

馬家溝水庫(kù)大壩防滲除險(xiǎn)工程于2008年5月開(kāi)工建設(shè)，同年12月底完工驗(yàn)收，混凝土防滲墻成墻面積7 712 m2。2009年實(shí)測(cè)水庫(kù)蓄水位250.35 m時(shí)，折算壩體年滲漏量為16.5萬(wàn)m3，滲漏量明顯減小，防滲處理取得預(yù)期效果，工程運(yùn)用情況良好。

通過(guò)馬家溝水庫(kù)瀝青混凝土心墻石渣壩防滲處理的研究，可以得到以下結(jié)論：

（1）瀝青混凝土心墻施工技術(shù)要求高，墻體加固處理困難，因此提高瀝青混凝土心墻施工質(zhì)量對(duì)瀝青混凝土心墻壩正常運(yùn)用至關(guān)重要。

（2）瀝青混凝土心墻壩不同防滲體間易形成滲漏通道，不同防滲體的防滲質(zhì)量和連接質(zhì)量直接影響瀝青混凝土心墻壩的整體防滲質(zhì)量。

（3）深入基巖一定深度的混凝土防滲墻，可以有效解決不同防滲體的防滲缺陷，減少滲漏，提高整體防滲效果。

（4）馬家溝水庫(kù)混凝土防滲墻利用壩體高噴凝結(jié)的過(guò)渡料區(qū)造孔成墻，墻體質(zhì)量易于保證，墻體結(jié)構(gòu)安全性能夠得到有效保證。