水庫土質壩體防滲墻計算

□董永霞　□劉琳琳（商丘市水利建筑勘測設計院）

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水庫土質壩體防滲墻計算

□董永霞□劉琳琳（商丘市水利建筑勘測設計院）

壩體防滲墻是在松散透水地基或土石壩壩體中連續造孔成槽，通過壓力設備，澆筑塑性材料建成的、起到防滲作用的地下連續墻，是保證地基穩定和大壩安全的工程措施。文章在防滲墻計算的基礎上，對土質壩體常見的3種防滲墻類型進行方案比選，敘述其優缺點及相關參數點，最終確定水庫防滲墻類型。

水庫防滲墻；材料選擇；方案論證

1　工程概述

該水庫位于豫東平原黃河故道上，是一座以城市供水為主，兼有防洪、灌溉和養殖等多種功能的中型水庫。水庫控制流域面積353 km2，于1958年建成蓄水，1961年停止運用，1974年恢復運用。2013年進行除險加固，需對副壩壩體進行防滲處理。

該水庫由主壩、副壩、溢洪道、灌溉閘組成。主壩南北向，最大壩高6.80 m，壩長1050 m，壩頂寬度20 m，副壩為東西向，位于水庫右岸，壩長2050 m，壩頂寬15 m。現狀主副壩壩坡均為土質表面，沒有防護。該水庫死水位60.40 m，死庫容為40萬m3，興利水位及汛限水位均為64.80 m，相應庫容3400萬m3。

2　主要設計參數

程等別及建筑物級別：根據相關規范規定，該水庫工程等級為Ⅲ等，相應主要建筑物級別為3級。防洪標準重現期，設計為50 a，校核為200 a。主要設計參數：設計最高洪水位65.31 m，相應庫容4130萬m3；校核最高洪水位65.69 m，總庫容5136萬m3；副壩上游設計坡比為1：3～1：3.50，下游壩坡坡比為1：2.50～1：3；地震動峰值加速度0.05 g。

3　壩體存在主要問題

該水庫副壩為原黃河故道大堤，為均質土壩，無防滲體，下游無反濾設施。由于該大堤是由前人逐漸加高而成，其填土成份及密實度變化均較大。壩體填土主要為砂壤土，重粉質壤土，局部為粉質粘土及粘土，壩體已達到中等～密實狀態。壩基土主要為重粉質壤土、土質均勻，中密狀。壩體滲透系數范圍值為3.20×10-5～2.60×10-4cm/s，平均值4.56×10-5cm/s，屬弱～中等透水性，抗滲性能稍差，不存在滲透穩定問題。壩基滲透系數范圍值5.89×10-8～8.44×10-5cm/s，平均值1.53×10-5cm/s，屬微～弱透水性，迎水坡硬化護坡有損壞，背水坡下游無反濾排水設施，無防護措施，壩坡沖刷損壞嚴重。

4　工程地質條件

水庫副壩區勘探深度范圍內，鉆孔揭示地層共劃分為兩個工程地質單元，自上而下分別描述如下：第一層，重粉質壤土（Q4al）：為副壩壩基持力層，厚度2.70～6.80 m，。棕黃～灰黃色，軟塑～可塑狀，層狀構造，層理清晰，無搖振反應，干強度中等，韌性中等，夾薄層狀砂壤土。干密度平均值1.41 g/cm3，天然含水量平均值29.50%，壓縮模量6.30 Mpa，壓縮系數0.31MPa-1，中壓縮性，滲透系數范圍值5.89×10-8～8.44×10-5cm/s，平均值1.53×10-5cm/s，弱透水性，粘聚力29.60 Kpa，內摩擦角5.10°。第二層，砂壤土（Q4al）：為副壩壩基受力層。棕黃～灰黃色，濕，中密狀，斜交層理發育，搖震反應中等，干強度低，韌性差，局部夾重粉質壤土。干密度平均值1.50 g/cm3，天然含水量平均值27.30%，壓縮模量14.90 Mpa，壓縮系數0.12 MPa-1，具中壓縮性，滲透系數范圍值3.25×10-5～5.35×10-4cm/s，平均值2.27×10-4cm/s，中等透水性，粘聚力5.90 kpa，內摩擦角18.30°，地基承載力允許值為130 kPa。該層沒有揭穿，最大揭露厚度9.50 m。

5　壩體防滲墻設計

5.1防滲墻施工特點

①防滲墻工程一般都是隱蔽工程，其工程質量在施工過程中和施工完成后，不能用肉眼直接觀察，也難以用儀器做普通和準確的檢測，其工程缺陷常常要在使用過程中才能發現。防滲墻工程一旦發生和發現質量事故，返工處理比較困難，有事甚至無法彌補。②防滲墻施工工期要滿足防洪、防汛的要求，不允許推延工期。防滲墻工程的設計和施工在很大程度上受水文地質和工程地質條件的影響。在施工過程中發現的不良地質情況可能給工作造成被動。③防滲墻施工，特別是大型防滲墻施工使用的機械較多，施工中要使用大量泥漿。因此機械進場、施工用電、用水、排渣等條件，都必須同時具備。④防滲墻施工的現場管理及其重要工程開工以后，必須保持連續作業，任何較長時間的中途停頓都會帶來較大的損失。

5.2防滲墻位置及范圍

根據副壩水文地質縱剖面圖，整個副壩壩體、壩基均處于中透水層，因此防滲墻的長度應為副壩長度，其位置設在上游壩肩，平行壩軸線布置。

5.3防滲墻的深度

根據鉆探資料，壩體填土主要為砂壤土、重粉質壤土，局部為粉質粘土及粘土，屬弱～中等透水性。壩基第一層地質單元為重粉質壤土夾薄層砂壤土，屬微～弱透水層。防滲墻的深度穿透壩體進入第一層土體，平均深度約7.10 m，根據規范要求，防滲墻底部深入相對不透水層≥1 m，因此確定防滲墻平均深度為8.10 m。

5.4防滲墻的厚度

由于國內防滲墻設計無規范，防滲墻的滲透計算和滲透穩定分析以及強度、變形計算尚無規范的計算方法和理論。在設計時，根據防滲墻破壞時的水力坡降確定墻體厚度d，計算公式如下：

式中：ΔHmax—作用在防滲墻上的最大水頭差，m；ΔHmax= 65.69-60.40=5.29 m；K—抗滲坡降安全系數，取5；Jmax—防滲墻滲透破壞坡降，塑性混凝土防滲墻取Jmax=80，多頭小直徑水泥土深層攪拌樁取Jmax=200。

經計算，塑性混凝土防滲墻d=0.33 m，取防滲墻厚度d= 0.40 m；多頭小直徑水泥土深層攪拌樁d=0.13 m，考慮到施工要求，取防滲墻厚度最薄處d=0.22 m；聚氨酯防滲墻根據壩體土質、成墻深度，取防滲墻厚度最薄處d=0.02 m。

5.5設計方案比較

5.5.1方案1：塑性混凝土防滲墻

參考國內已建工程經驗，塑性混凝土防滲墻設計指標為：塑性混凝土的密度2～2.20 t/m3；無側限抗壓強度1.50～5 MPa，抗拉強度為抗壓強度的1/7～/12；抗剪強度c=0.20～0.30 MPa，φ≥30°；變形模量100～600 MPa，彈性模量800～1000 MPa；滲透系數K≤（1～9）×10-8cm/s；破壞滲透比降≥80.00；抗滲標號W6～W8；破壞應變無側限時為0.33%～0.70%。塑性混凝土強度增長較為緩慢，后期強度增長較大，強度一般采用90d強度較為合理。

5.5.2方案2：多頭小直徑水泥土深層攪拌樁

深層攪拌樁是利用水泥類漿液與原土通過葉片強制攪拌形成墻體的技術，適用于粘土、粉質粘土、淤泥質土以及密實度中等以下的砂層，且施工進度和質量不受地下水位的影響。其主要技術指標：滲透系數K≤1×10-6cm/s；抗壓強度≥0.50 Mpa；滲透破壞比降≥100；水泥質量百分比12%。

5.5.3方案3：聚氨酯防滲墻

聚氨酯防滲墻是一種新型雙組份高聚物防滲材料。它的技術原理是根據堤壩防滲設計要求，在需要防滲加固的堤壩段內，利用靜力壓入設備，將特制成孔鉆具壓入堤壩中，形成連續的超薄型孔模。按照一定高聚物漿液配比，通過注漿管向孔模內注射雙組份高聚物材料。高聚物材料發生化學反應后體積迅速膨脹，填充滿孔模并固化，高聚物材料與孔模周圍土體緊密膠結在一起，將相鄰孔模交叉搭接或連續搭接，注漿后形成連續超薄高聚物防滲帷幕或防滲墻，從而達到提高堤壩防滲性能的目的。

聚氨酯防滲材料的主要特點有以下幾種。高膨脹：高聚物材料的自由膨脹比可達20：1，可以填充脫空和裂縫，同時可以進一步壓密周圍介質；輕質：反應后形成的固體材料自重輕，其密度不到水泥漿或瀝青材料的10%；早強：高聚物材料能夠迅速固化，可在15 min內達到其最終強度的90%。材料具有良好的彈性，并具有較高的抗拉強度；防水：固化后材料具有良好的防水性能，滲透系數K≤1×10-9cm/s；耐久：高聚物材料抵抗化學溶劑和油脂腐蝕的性能非常好，在地基環境下一般的含鹽、酸或者洗滌劑的水溶液中，高聚物材料的穩定性良好，穩定耐久，在地下環境可達百年以上；安全：對環境無污染。

5.5.4方案比較

3種方案從投資、適用性、施工要求條件等進行比較，詳見表1（造價以當地材料價格為準）。

表1　防滲墻設計方案比選表

6　結論

多頭小直徑深層攪拌樁適用土層范圍廣，施工工藝簡單、效率高，且不需開槽，參考已建水庫防滲墻的施工經驗，對于滲墻深度較小，且為土質地基的水庫壩體防滲墻，采用多頭小直徑水泥土防滲墻較為合適。

（責任編輯：劉長垠韋詩佳）

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董永霞（1982-）女，工程師，主要從事水利水電工程設計。

2016-02-26