章丘市杏林水庫大壩壩基防滲方案比選

趙 波，劉 寧

（章丘市水務局設計室，山東 章丘 250200）

杏林水庫位于章丘市普集鎮杏林村東，東巴漏河中游，屬小清河水系，控制流域面積180.2 km2，工程始建于1970年10月，現狀總庫容1 261萬m3。水庫工程樞紐由大壩、溢洪道、非常溢洪道 （過水土壩）、南/北放水洞組成。下游保護范圍270 km2內有相公莊、刁鎮、繡惠3個工業重鎮，保護人口11.5萬人，耕地1萬hm2，是一座以防洪為主，兼有灌溉、養殖等多功能運用的中型水庫。由于存在防洪標準低、工程結構老化、壩基嚴重滲漏等問題，水庫工程不能安全運行。2007年10月，水利部下達三類壩鑒定核查意見，杏林水庫正式列入國家病險水庫除險加固計劃。

1 大壩地質情況分析

1.1 壩體防滲

杏林水庫大壩全長2 280 m，以溢洪閘為界分左右階地壩段，根據地質勘察報告，大壩基本屬于均質土壩。經外業鉆孔注水試驗推求，壩體填土滲透系數平均為5.8×10-6cm/s；雙環滲水試驗推求滲透系數為壩前坡 5.09×10-4～2.59×10-3cm/s、 壩后坡 2.3×10-3～8.33×10-3cm/s，綜合考慮各種試驗方法及試驗部位并結合工程多年運行情況，推薦采用壩前坡壩體填土滲透系數為5.09×10-4cm/s、壩后坡壩體填土滲透系數為8.33×10-3cm/s，均高于《碾壓式土石壩設計規范》要求均質壩滲透系數不大于1×10-4cm/s，壩體滲漏量大，故壩體需做防滲處理。

1.2 壩基地質現狀

根據地勘報告，對大壩樁號0+900-1+087段壩基進行了清基，壩基基巖為二迭系上統石千峰組(P2sh)紫紅色粉、細砂巖及泥巖。大壩樁號0+000-0+900、1+087-2+220段壩基未進行清基，壩基分布②層壤土、③層礫卵石層及④層二迭系上統石千峰組(P2sh)紫紅色粉細砂巖、泥巖及黃綠色砂頁巖。依鉆孔注水試驗資料推求滲透系數：②層壤土為1.6×10-5cm/s，③層礫卵石層為5.37×10-2cm/s，④層壩基砂巖、頁巖為 3.8×10-6cm/s。

1.3 壩基存在的主要問題

由地勘報告壩頂工程地質縱剖面圖及壩前、壩后地質縱剖面圖可看出，大壩樁號0+900-1+087段壩頂、壩后對應的壩基清基比較徹底，壩體坐落于基巖上，基巖滲透系數為3.8×10-6cm/s，屬微透水層。該段壩前壩體大部分段坐落于卵礫石層上，滲透系數為5.37×10-2cm/s，屬強透水層；大壩樁號 0+000-0+900、1+087-2+220段壩前、壩頂、壩后壩體對應的壩基基本上都坐落于卵礫石層上，滲透系數為5.37×10-2cm/s，屬強透水層。雖根據杏林水庫“三查三定”資料得知該兩段壩在壩體上游坡腳處卵礫石層透水通道上游設置了3 m厚黏土防滲斜鋪蓋，但經滲透變形分析，壩基壤土層與卵礫石層之間可能會發生接觸沖刷，斜鋪蓋與卵礫石層間會發生接觸流失，壩基滲透穩定、斜鋪蓋的滲透穩定均不滿足要求，存在滲透破壞的可能；而且由壩頂、壩前、壩后地質縱剖面圖知，大壩樁號0+900-1+087段僅在壩體中下游壩基進行了清基，而大壩樁號0+000-0+900、1+087-2+220段則在上游進行了斜鋪蓋防滲，所以整個壩基并未形成完整的、嚴密的壩基防滲體系，壩基仍然存在卵礫石層滲漏通道。

實際運行中，根據《杏林水庫大壩安全鑒定現場安全檢查報告》，水庫自建成之初即存在滲漏問題。據水庫管理資料記載：自1972年水庫工程建成后至1979年，水位在100.0 m以下滲漏較小，滲漏量約為1.5萬m3/d；水位在101.0 m時，滲漏量約為3.0萬m3/d；水位在102.0 m時，滲漏量約為4.0萬m3/d；水位在103.0 m時，滲漏量約為5.0萬m3/d。為治理水庫滲漏，于1979—1980年沿左、右階地壩段壩軸線進行了鉆孔灌漿，灌漿全長2 100 m。據1980年以后水庫管理運行記錄，樁號0+300—0+330，1+500—1+720壩段滲漏嚴重：水位在100.0 m以下時，水庫滲漏量約為0.9萬m3/d；水位在100.0～101.0 m時，滲漏量約為2.3萬m3/d；1990年水位在101.5 m時，壩后浸潤范圍達 10.7 hm2；2003 年汛后，水位在 102.0～103.0 m，右階地壩段下游出現明流，浸潤范圍達6.4 hm2，在南放水洞南側翼墻上有細泉涌出。水位在102.5 m以上時，溢洪道右側壩段滲流明顯，其下游農田因積水或地下水位較高，長年不能耕種。

根據地質勘探成果、水庫觀測滲漏情況及壩基滲漏分析，對大壩壩基必須采取截滲措施，以解決可能產生的滲透破壞。同時，壩基截滲后可以減少水庫滲漏量，增加興利庫容。

2 壩體防滲與壩基截滲工程方案比選

2.1 方案一：混凝土防滲墻結合壩坡土工膜防滲

在現狀壩前坡腳上游2.5 m處以液壓抓斗、沖擊鉆機等工藝造槽，槽寬0.3 m，槽內灌注C10素混凝土，形成混凝土防滲墻，底部與不透水完整巖層結合。自設計壩腳及壩坡采用復合土工膜防滲至壩坡高程108.40 m處，混凝土防滲墻與復合土工膜用螺栓錨固，與壩坡土工膜搭接1 m，以形成完整的防滲體。根據已建工程資料，滲透系數可達到10-7cm/s，耐久性和抗沖刷性均能滿足防滲體的要求。

2.2 方案二：混凝土墻防滲

在壩頂處沿壩頂走向以液壓抓斗、沖擊鉆機等工藝對壩基破碎巖層、砂礫石層、壤土層以及壩體壤土層造槽，槽寬0.3 m，槽內灌注C10素混凝土，形成混凝土防滲墻，底部與不透水完整巖層結合。混凝土墻墻底深度同方案一。

2.3 方案三：高噴板墻防滲

在壩頂處沿壩頂走向對壩基破碎巖層、砂礫石層、壤土層以及壩體壤土層進行高壓噴射灌漿形成連續板墻。其中在破碎巖層、砂礫石層采用旋噴工藝，在壤土層采用高壓擺噴工藝。壩基截滲深度同方案一。各方案比較見表1。

表1 壩體防滲與壩基截滲方案比較表

從表1三個方案看，各有其優缺點，方案一采用壩基混凝土墻截滲加壩體土工膜防滲，防滲效果較好，造價較低，目前在水庫除險加固中應用較廣，并已取得了良好的效果；方案二截滲效果最好，但施工工期長，造價高；方案三防滲效果與施工工藝設計、施工質量控制都有較大關系，造價稍高。根據以上分析，從技術、防滲效果、施工方便程度等方面考慮，壩體防滲、壩基截滲優選方案二。

3 壩體與壩基混凝土防滲墻設計

3.1 混凝土防滲墻布置及高程確定

為便于混凝土防滲墻施工，防滲墻軸線取距離原大壩內壩肩下游1.2 m處作為其施工軸線。

根據地勘資料知，在大壩樁號0+000-2+220段壩基地層分為3層，從上而下分別為壤土層、卵石土層、基巖層。卵石土層基本上連續地分布于該段壩基，而成為較嚴重的滲漏通道，且基巖層存在全風化、強風化層，破碎嚴重，因此，確定樁號0+000—2+220段混凝土防滲墻底高程為中風化較完整基巖層，確定墻底高程為中風化基巖層頂高程下1.0 m；為使壩基、壩體形成完整的防滲體，確定混凝土防滲墻頂高程為108.14 m，其上鋪設瀝青混凝土壩頂路面。

3.2 混凝土防滲墻厚度確定

混凝土防滲墻采用抗滲標號為W6的混凝土，其厚度采用28 d的試件不發生滲水現象的最大水頭壓力來確定。

根據山東省水利科學研究院在 《土石壩地基混凝土防滲墻設計與計算》中介紹的抗滲標號為W6的混凝土允許水力梯度J允＜80。

杏林水庫防滲墻承受設計最大水頭為26.91 m，計算得防滲墻厚度為0.34 m。

為盡可能節省工程投資，混凝土防滲墻根據所承受水頭及便于施工，分段確定其厚度。

溢洪道左岸即大壩樁號0+000—0+927段，混凝土防滲墻承受最大水頭為26.91 m，綜合考慮施工機具、墻體壽命等因素，確定本段工程混凝土防滲墻厚40 cm；溢洪道右岸即大壩樁號0+992—2+220段，混凝土防滲墻承受最大水頭為23.21 m，計算得混凝土墻厚度為0.29，綜合考慮施工機具、墻體壽命等因素，確定本段工程混凝土防滲墻厚度為30 cm。

4 結語

杏林水庫除險加固工程于2010年底完成主體工程，并于2011年初開始蓄水，經過半年多運行觀測，截滲效果顯著，在2011年天氣極端干旱的情況下，蓄水位持續增長，由98.0 m增加到100.6 m，水庫庫容增加了150萬m3，對改善當地環境、增加灌溉面積、促進作物增收起到了積極保障作用。