常莊水庫壩基滲漏處理研究

□屈艷紅 □張文峰 □王長海（河南省水利勘測設計研究有限公司）

1.水庫概況

常莊水庫位于鄭州市市區西南的賈魯河支流賈峪河上，壩址位于鄭州市中原區須水鎮常莊村，水庫控制流域面積82km2，水庫下游為鄭州市區，有京廣、隴海兩大鐵路干線和連霍高速、310國道等，京廣客運專線經過水庫下游，水庫地理位置非常重要，常莊水庫按大型水庫管理。

2.壩體采取防滲措施的必要性

主壩為均質土壩，壩基采用粘土截滲槽防滲。大壩于1959年12月開工興建，壩體填筑較快，至1960年2月，僅3個月時間，大壩便完工蓄水。1961年4月，大壩左端與臺地結合處出現弧形裂縫，縫寬1cm，深1m，長10m，并發現繞滲現象。1962年對裂縫進行了回填處理。1965年12月至1966年9月間，對左壩頭繞滲進行了處理。2003年8月，大壩上游壩坡輸水洞工作橋下有明顯塌坑，壩頂下游壩肩墻發現有兩道明顯裂縫，相距5m左右。左岸壩肩與壩體結合處含水量較高呈軟塑狀，蓄水至今一直存在壩基滲漏問題。

主壩施工時壩基已開挖截水槽，槽底高程為108.5m，截水槽將主河槽段壩軸線下的粘土質礫層截斷。槽底座落于第一層低液限粉土、低液限粘土上，該層滲透系數為1.34×10-4～1.53×10-5cm/s，屬弱～中等透水地層，階地及兩岸壩肩下的粘土質礫層并未截斷，庫水可通過截水槽底之低液限粉土及階地和兩壩肩下粘土質礫石層向下游滲漏。

壩體填土壓實度較差，壓實也不均勻。從歷次大壩質量檢查結果看，壩體填土干密度雖有逐漸增大之趨勢，但123～125m高程以上及上下游壩體仍存在較厚的低密度區及一些薄弱部位，低密度區分布有滲透系數>10-4cm/s的區域，滲透系數偏大。如左壩肩、壩體結合部曾出現裂縫及滲漏。

根據水文站1976年至今對常莊水庫每年滲漏量損失統計情況，主壩實測壩基滲漏量大，兩壩肩與壩體結合不好，壩體123～125m高程以上低密度較多且滲透系數偏大，壩體填筑不均一，而常莊水庫作為鄭州市的城市供水水庫，水十分寶貴，故需進行防滲加固處理。

3.滲流安全分析

壩體各土層的工程地質條件如下：第一層低液限粉土（Q4）：該土質不均，夾有薄層含細粒土砂透鏡體，在高程110m附近夾有厚一般0.2～3.5m、最厚達4.9m的粘土質礫透鏡體；高程110m左右以上極軟土，巖性多為低液限粉土；高程110m左右以上軟土，巖性多為低液限粉土；高程110m左右以下中硬土，巖性以低液限粉土為主。第二層黃土狀低液限粉土（Q3）：分布在兩壩肩上部，高程124～127m以上。呈堅硬狀。第三層黃土狀低液限粉土（Q3）：分布于兩壩肩中下部，由于該層所取土樣均在左肩接觸帶附近，受庫水影響，含水量增大，天然飽和度90%，呈軟塑狀。第四層粘土質礫（Q3）：分布在壩基下部，層頂高程107～110.7m，鉆孔揭露厚度一般0.5～2.0m，最厚6.1m，層位不穩定，地表未出露，在壩基上游尖滅，屬不均勻礫，屬硬土。第五層低液限粘土（Q2）：分布在壩基下部，層頂高程104.6～109.0m，層位比較穩定，屬中硬～較硬土。

下游壩腳外地基的工程地質條件如下：低液限粉土（Q4）：大多分布于高程110m以上，含較多的腐殖質，青灰～淺灰色，厚1～3m，屬極軟土～軟土，呈流塑狀。粘土質礫（Q4）：其巖性同壩基，該層在上游常以較小的透鏡體夾于低液限粘土中，在下游戧臺下游壩腳一帶則連續分布，且厚度亦增大至2～3m，該層頂面高程為111～112m，其上部礫石直徑較大。

截水槽槽底坐落于第一層低液限粉土上，該層滲透系數為1.34×10-4～1.53×10-5cm/s，屬弱透水地層，庫水可通過截水槽底之低液限粉土及含泥砂礫石層向下游滲漏。

采用相關過程線進行分析，由于資料系列較長，因此選取了庫水位高程及維持時間都接近的年份1987年至1991年、2000年至2004年進行比較，測壓管選擇這幾個年份資料均齊全0+171.1測壓管，點繪庫水位與測壓管水位相關過程曲線，如圖1。

圖1 庫水位與測壓管水位相關過程曲線圖

從圖中可以看出，1987年至1991年，相關曲線形成一單圈套曲線；2000年至2004年管水位變化具有一定的規律性，每一年形成單圈套曲線，整體呈重復圈套現象，且在上包線與下包線包裹范圍內，在相同庫水位下，庫水位上升過程對應的管水位低，下降過程對應的管水位高，該曲線反映了滯后時間的影響，庫水位上升時，測壓管水位相應上升，庫水位上升至最高值開始下降，管水位由于時間滯后而繼續上升，然后才下降。庫水位下降至某一高程后又開始上升，管水位繼續下降一段時間后才上升，并且從圖中還可以看出，相關曲線圈套向左旋轉，說明在當時，壩體的滲流條件是有良好發展趨勢的。

4.防滲處理方案比選

方案1：高壓噴射灌漿

施工設備選用單管法。工藝技術參數：水泥漿漿壓30MPa，漿量50L/min，提升速度20cm/min，旋轉速度20r/min，噴嘴直徑2.5mm。采用雙排孔柱板式連接，孔距1.5m。灌漿材料采用水泥漿。

方案2：塑性混凝土防滲墻

塑性混凝土防滲墻墻厚0.4m，軸線位于壩中軸線上游1.0m。采用封閉式防滲墻，墻頂高程135.64m，底部深入低液限粘土≥5.0m，最大墻深34.17m。

塑性混凝土的特點是比普通混凝土具有較好的變形性能，此種材料在側向壓力為1kgf/cm2，可承受10%的變形而不變裂。塑性混凝土每立方米混凝土中水泥用量50～160kg，其他材料可以利用開挖出來的低液限粉土和低液限粘土，因而造價較省。

設計指標為：28d彈性模量300～2000MPa，抗壓強度1.5～4.5MPa，滲透系數<1×10-7cm/s，極限滲透坡降>300。兩種方案優缺點比較見表1。

表1 兩種防滲方案優缺點比較表

方案1過去許多工程已經應用，但從近幾年的效果看，防滲體施工質量均勻性較差，防滲體耐久性較差，土顆粒被帶走后防滲效果將降低；方案2處理壩體滲流徹底，但造價較高。綜合比較，為徹底解決壩體壩基質量及滲流問題，推薦方案2，即在壩軸線上游1m位置做一道塑性混凝土防滲墻，墻頂高程135.64m，0+000～0+090、0+180～0+380兩段防滲墻底部進入壩基5m，0+090～0+180段防滲墻底部進入第五層低液限粘土（Q2）5m，墻厚0.4m，防滲墻總長380m。

5.防滲處理后滲透穩定分析

常莊水庫主壩為均質壩，根據地質勘測資料，對主壩各典型斷面進行滲流計算。滲流計算采用的水位采用為新的加固選定方案下的水庫調洪驗算成果。計算斷面為大壩最大壩高0+155斷面。壩體滲透穩定分析《水工結構有限元分析系統Atobank5》，程序采用有限元分析法求解滲流場。對于土石壩的無壓滲流情況，先假設一個大致的自由表面初始位置，程序通過反復迭代和修改自由表面位置，使其滿足規定的邊界條件，得到新的自由表面，此線即為第一條流線即浸潤線。程序同時給出每個單元的滲流量、滲透坡降等信息。

經過分析計算表明，設計水位、興利水位及死水位各工況下，滲透坡降最大處發生在下游滲透逸出點處，滲透坡降均小于允許滲透比降0.68，滲透穩定滿足要求。