水庫大壩防滲設計分析

雷 臻

( 新疆水利電力建設總公司，烏魯木齊830000)

1 項目概況

某水庫自建成后隨著農業生產規模的不斷發展，同時鑒于引水渠沖斷，泥沙帶入水庫而造成水庫嚴重淤積，根據實測庫區地形圖，水庫目前庫容僅為45．1 萬m3，對應正常蓄水位557．90 m，已淤積105 萬m3。同時，由于水庫壩頂超高不滿足規范要求，無法按正常設計水位蓄水，使西泉灌區春灌難以保證，嚴重影響了農業生產。水庫大壩壩后滲漏嚴重，同時由于筑壩施工時未清基，形成滲漏安全隱患，伴隨有滲透破壞，直接威脅壩體安全，分析該大壩的滲流問題，從而采取相應防滲設計很有必要。

2 滲漏問題分析

通過結合該水庫地質報告表明，壩基除夾砂層外，其余土為弱－微透水層，土體工程性質較好，存在的問題主要是庫水通過砂層，產生壩下滲流問題。以粉細砂夾層厚度0． 5 ～0．8 m，屬透鏡狀分布，分布范圍為主壩0 +250 ～2 +100 段，最低處底高程為548．10 m，屬中－強透水層，埋藏較淺且基本呈連續分布，形成了滲漏通道。同時壩后坡腳有滲水現象，壩后坡0 ～1．0 m 厚土體處于流塑狀態，已基本喪失了強度。因此，應加強壩基的防滲處理，建議該段壩基防滲深度在壩基以下6 ～7 m。

壩基上部為青灰色低液限黏土，局部夾淤泥質黏土層;下部為土黃色低液限粉土夾粉細砂層，粉細砂夾層厚度0．5 ～0．8 m，呈透鏡狀分布。對壩基土在滲流作用下發生滲透變形破壞判別如下:

表1 壩基土滲透變形類型判別表

2) 臨界水力比降的確定。流土型通過采取下式確定:Jcr=( Gs－1) (1 －n) ;管涌型采用下式確定:Jcr=2．2( Gs－1)式中:Jcr為土的臨界水力比降; Gs為土的顆粒比重;n 為土的孔隙率;d5、d20為分別為占土重的5%、20%的土粒粒徑，mm。

對于低液限粉土:Gs=2．69，n =36%，Jcr=1．08; 對于低液限黏土:Gs=2．70，n =40%，Jcr=1．02; 對于含細粒土砂:Gs=2．68，n=33．86%，d5=0．003 mm，、d20=0．025 mm，Jcr=0．29。對流土型取安全系數2．0，則壩基土產生滲透變形的允許比降: 低液限粉土為J允=0． 54，低液限黏土為J允=0．52;對管涌型取安全系數1．5，則粉細砂的允許比降為J允=0．19。

3 大壩防滲設計

該水庫由土墩子農場自行建設，鑒于水庫建設施工時對壩體碾壓施工不到位，導致壩體欠密實，使其壩體存在裂縫。通過工程地質勘察結果表明，該水庫壩體土干密度在1．50 ～1．58 g/cm3，水庫壩基: 水庫壩基以下分布有0．5 ～0．8 m 的粉細砂地層，分布范圍為主壩0 +250 ～2 +100 段，最低處底高程為548．10 m，屬中－強透水層，埋藏較淺且基本呈連續分布。在放水涵洞附近的1 +680 ～1 +850 段壩體填筑土中填筑有0．4 m 厚粉細砂。由于以上諸因素的存在，造成壩體滲漏嚴重。通過結合工程實踐情況來看，提出兩種防滲治理方案:①對壩體內采取垂直防滲方案;②通過與防浪護坡結合做上游壩坡防滲處理方案。

1) 方案一壩體內垂直防滲方案。由于本水庫壩體質量較差，壩體存在裂縫以及壩體內存在粉細砂夾層的透水層等問題，再加上上游無防滲護坡等，所以方案一選擇了在原壩內做垂直防滲墻措施。具體設計如下:自原壩頂開始向下做垂直防滲墻，深入到壩基砂層以下，與壩基防滲相結合，截斷壩基透水層。垂直防滲墻位于壩頂中間。根據規范，防滲墻頂應高出設計水位0． 5 m，本除險加固確定的設計水位為559．00 m，因此防滲墻頂高程為559．5 m，較設計壩頂高程560．5 m 低1．0 m。按平均垂直防滲深度5．0 m，在樁號0 +650 ～2 +100 范圍內，長度1 450 m，厚15 cm。其余主壩段2 +100 ～2 +370段只做壩坡防滲。

2) 方案二通過采取與防浪護坡結合做上游壩坡防滲處理方案。因大壩上游壩段結合防凍脹設計做了混凝土防浪護坡，對防止壩體的滲漏有一定的作用。但由于壩體施工質量較差，填筑不密實，壩內存在粉細砂夾層，壩體滲漏仍未解決，滲漏仍然嚴重，并對大壩的穩定造成威脅。因此，為做好壩體的防滲，本方案結合壩坡的防浪護坡，在護坡混凝土板防凍層下設塑膜防滲材料。該方案的壩體防滲主要依靠防滲塑膜。防滲塑膜鋪設總長度1 735 m，在現狀主壩段防浪護坡段布設。塑膜由混凝土護坡腳至設計壩頂560．50 m。

通過設計對比兩種方案的防滲效果，防滲效果表明，該兩種方案均有效地達到壩體防滲的效果;但從施工難易程度上看，對水庫在壩體內進行垂直防滲，該防滲治理方案施工技術含量較高，施工難度相對較大，而且鑒于本水庫大壩填筑不密實，如果采用壩內防滲墻施工，壩體在施工過程中會遭到更多的震動破壞，必然會進一步加劇對壩體結構的損害;對于方案二來說，該方案在施工過程中則不會出現此問題，而且其施工相對較易，但是方案一相對方案二來說，其投資較大。兩方案的工程投資比較結果見表2。在工程施工技術條件相差無幾的情況下，設計結合現狀土壩避免震動破壞的具體情況考慮，選取方案二作為推薦方案。同時為了更好地對水庫壩體做好防滲，本方案結合壩坡的防浪護坡，在護坡混凝土板防凍層下設塑膜防滲材料。該方案的壩體防滲主要依靠防滲塑膜。防滲塑膜鋪設總長度1 735 m，在現狀主壩段防浪護坡段布設。塑膜由混凝土護坡腳至設計壩頂560．50 m。

表2 方案一、方案二壩體防滲工程投資比較表

另外，對壩體防浪護坡設計，對主壩段0 +650 ～1 +400，此段壩前淤積層較厚，水庫淤積后水位抬高，原壩體由于填筑質量問題，使壩體滲漏嚴重，壩后存在積水。此段壩體平均加高1．55 m。針對此段問題，在此段設置混凝土防浪護坡，既可防止風浪對壩坡進行淘刷，又可起到防滲作用。護坡頂與壩頂齊平，防浪護坡高度3． 1 m，底高程在設計水位以下1．6 m，高程為557．4 m，在此高程以下的部分，可以利用現有的淤積層形成的土緩坡防止對壩坡的風浪淘刷。加高的壩體土填筑時，要求其壓實度≥0．97，內外邊坡分別為1∶2．5 和1∶2．0。對主壩段1 +400 ～2 +370，此段壩前淤積層厚較前段偏小，但壩前水深較高，平均1．96 m，水庫淤積后水位抬高，原壩體由于填筑質量問題，使壩體滲漏嚴重，壩后存在積水。針對此段問題，在此段設置混凝土防浪護坡，既可防止風浪對壩坡進行淘刷，又可起到防滲作用。護坡頂與壩頂齊平，防浪護坡高度5． 1 m，底高程在死水位以下1．62 m，高程為555．4 m。加高的壩體土填筑時，要求其壓實度≥0．97，內外邊坡分別為1∶2．5 和1∶2．0。

4 加固后效果分析

通過對壩基采取滲漏治理后，對其滲漏量采取復核計算。由于水庫淤積嚴重，庫盤淤積層平均厚2 m 左右，形成天然的鋪蓋層。如果從壩體開始做垂直防滲，如前所述，易對壩體造成震動破壞。如果與防浪混凝土護坡相接在壩前坡腳進行壩基防滲，需進行施工面的清淤，工程投資大，工期長。在現狀水庫淤積層較厚的情況下，也可減少壩基的滲漏量。所以，本次設計在以恢復庫容和保證大壩壩體安全的前提下，暫不進行壩基的防滲處理。通過對壩后設排水棱體及排水渠以降低壩體浸潤線，使壩后滲水及時排出壩后，保持壩后坡的干燥，從而保證大壩的安全。

對水庫大壩采取滲漏分析及其防滲設計對水庫除險加固工程的實施有很大的經濟效益、社會效益及環境效益，工程完工后將恢復水庫設計洪水標準，消除了垮壩的潛在危險，保證水庫安全運行，保障了水庫下游人民生命和財產的安全，給下游帶來良好的生活環境;恢復已淤積的調節庫容，提高水庫的調蓄能力，減少水庫滲漏，提高水資源的利用率，提高下游灌區的灌溉保證率，促進土墩子農場社會經濟的發展和人民生活水平的提高。從國民經濟評價可知，本工程多年平均情況下的經濟效益費用比EBCR=1．12 ＞1．0( is=8%) ，且工程經濟內部回收率EIRR=8．56 ＞8%( 社會折現率) ，經濟凈現值為18．77 萬元( is =12%) ＞0。各項指標表明該工程在經濟上是可行的。

5 結 語

通過結合某水庫壩基存在的滲漏嚴重等病害問題，對其采取滲漏分析，通過分析結果采取兩種滲漏治理方案比較，同時對不同的設計方案進行對比分析，選取經濟合理的設計方案，提出相應的水庫加固設計措施，可為同類工程提供參考借鑒。

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［2］張國宗．淺析水庫滲漏治理除險加固措施［J］．科協論壇，2011，27(01) :31 －33．

［3］葉天是．水庫滲漏加固設計應注意的幾個問題［J］． 人民黃河，2012，32(11) :78 －79．