槐樹嘴水庫大壩防滲措施及其防滲效果分析

陳宏臻　劉長武　王建有

(1.四川大學水利水電學院， 四川成都　610065； 2.鄭州大學水利與環境學院， 河南 鄭州　450001)

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槐樹嘴水庫大壩防滲措施及其防滲效果分析

陳宏臻1劉長武1王建有2

(1.四川大學水利水電學院， 四川成都610065； 2.鄭州大學水利與環境學院， 河南 鄭州450001)

本文結合槐樹嘴水庫存在的滲漏問題，提出混凝土防滲墻的除險加固方案，對施工的主要工藝、技術參數和質量控制等進行介紹；同時利用有限元法分析大壩除險加固措施的防滲效果，并根據水庫的當前運行狀況，證實該防滲措施效果顯著，混凝土防滲墻技術在土石壩加固中可靠實用。

混凝土防滲墻； 除險加固； 滲流； 土石壩

我國是世界上水庫數量最多的國家，其中土石壩水庫約占總數的93%。這些水庫為防御洪水災害和保障國民經濟建設發揮了重要的作用。但由于經濟技術條件限制，水文地質資料欠缺，早期的土石壩水庫設計標準普遍偏低，加之水庫管理落后以及設施老化，形成了大量的病險水庫，不但工程本身無法發揮效益，還影響下游人民的生命財產安全[1]。不完全統計資料顯示：全國發生的水庫垮壩事故中，土壩占98.3%；在這些垮壩事故中約有31.7%是由于滲流引起的，說明由于滲流滲漏造成的潰壩問題相當嚴重[2]。在水利水電工程中，防滲措施主要有帷幕灌漿、高壓噴射灌漿和混凝土防滲墻等。其中，混凝土防滲墻造價低、結構可靠、施工方便、防滲效果好、質量容易控制。在中小型土石壩水庫的除險加固中，它的優點相對其他防滲措施尤為突出。本文以槐樹嘴水庫除險加固工程為例，闡述混凝土防滲墻在具體工程中的應用，并就其滲流問題進行系統分析，以期為其他中小型水庫的除險加固提供參考。

1　工程概況

槐樹嘴水庫位于河南省新密市劉寨鄉，水庫總庫容約146.66萬m3，是一座以防洪、農業灌溉為主的水庫。水庫屬于小(1)型水庫，工程等別為Ⅳ等，水庫設計防洪標準為30年一遇，校核洪水標準為1000年一遇，主要建筑物有主壩、副壩、溢洪道、放水管。大壩為均質土壩，壩頂高程164.48m，最大壩高18.75m，主壩長230m，副壩長150m，壩頂寬6m。溢洪道位于右岸，長268m，進口底寬15m，進口高程158.20m。

壩基河床段為低液限黏土，其上部為筑壩填土(素黏土)，壩體土雖經過碾壓，但碾壓不均，在庫水長期浸泡下局部變得松散，壩體土具弱～中等透水性，導致庫水在一定程度上向壩體入滲，在高庫容水力作用下，低液限黏土與壩體土之間易形成滲漏通道。在現場檢查時，大壩下游坡腳處發現有兩處集中滲流，說明該大壩滲流極其嚴重。長此下去可能出現管涌或流土，導致壩體局部下沉，危及大壩安全。

2　防滲加固措施

根據壩體、壩基巖土和水庫運行中出現的問題，大壩防滲應采用垂直防滲措施。混凝土防滲墻在土石壩除險加固中具有防滲效果好、造價低、施工方便、質量容易控制等優點[3]，因此確定采用混凝土防滲墻技術。

設計防滲墻厚度為0.5m，頂部高程為大壩頂部高程164.48m，底部深入壩基下2m，最大深度35.6m。防滲墻范圍為0+000～0+195，總長195m，沿壩軸線布置。

在施工之前，要做好混凝土澆筑系統、泥漿系統和其他準備工作，然后布置施工平臺和導向槽[4]。為了最大限度地提高防滲墻的整體性，同時結合槐樹嘴水庫除險加固工程的規模與壩址地層的特點，劃分Ⅰ、Ⅱ序槽段，開挖長度同為8m，采用SG-40型液壓式抓斗成槽機。Ⅰ、Ⅱ序孔槽間隔布置，墻間接縫采用接頭管法[5]。

采用優質膨潤土泥漿，泥漿配合比根據現場試驗確定。新制泥漿經過24h膨化后才能使用，通過供漿泵輸送至槽孔內[6]。施工中，回收的泥漿進行凈化處理后可重復使用。泥漿的主要控制指標要滿足《水電水利工程混凝土防滲墻施工技術規范》的要求。槽段終孔驗收合格后進行清孔換漿，清孔采用抓斗抓取淤泥，利用下設潛水排污泵抽漿，并及時用新鮮泥漿補充[7]。

防滲墻塑性混凝土配合比試驗由有相應資質的公司進行[8]，每立方米混凝土材料用量參考如下：水255kg，強度等級為C42.5的普通硅酸鹽水泥130kg，膨潤土130kg，外加劑2.1kg，砂788kg，碎石926kg。對混凝土的坍落和擴散程度進行監測分析，將坍落度控制在18～24cm，擴散度控制在34～40cm。

塑性混凝土通過混凝土輸送泵，經直升式鋼導管在泥漿下澆入槽體。導管布置與壩軸線重合，每個槽段設置3組導管，中心間距3m，兩端導管與端面距離1m，開澆時導管口距孔底20cm。開澆前儲備足夠多的混凝土，保證一次封孔成功，并保持導管埋入混凝土深度大于1m且小于6m。槽孔澆筑應遵循先淺后深的順序，待全槽混凝土面澆平后，再全槽均衡上升，上升速度7m/h，高程控制在0.50m范圍內。槽孔內混凝土面上升至槽口時，采用泥漿泵抽出濃漿，并提升導管，直至混凝土頂面超出設計墻頂標高0.5m時，停止澆筑，拔出導管[9]。為確保防滲體質量，在墻頂清理過程中，采用人工清理，墻頂高程不足處進行人工打毛，現澆混凝土補足。混凝土澆筑過程中，在孔口隨機取樣檢測混凝土性能，不合格者不得入槽，并按照混凝土施工規范采取試壓模塊，以備混凝土檢測使用[10]。

3　防滲效果分析

水庫運行工況一般分兩種，即正常運行情況和非常運行情況。這里我們對非常運行情況，即上游為校核洪水位162.38m時進行滲流分析，如果在非常運用情況下大壩滲流滿足穩定要求，那么在正常工況下肯定也能保證滲流穩定。防滲效果主要根據滲流量和滲透坡降等參數以及浸潤線、溢出點三個方面進行評價[11]。

大壩滲流計算斷面采用2007年3月槐樹嘴水庫實測壩體斷面，樁號0+100處，如圖1所示。

圖1　大壩計算斷面 (高程單位：m)

滲透坡降的允許值由《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》提供的公式求得，如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中J破壞——臨界水力比降；

[J]——允許水力比降；

KB——安全系數，取為2.0；

rs——土顆粒的容重， N/m3；

rw——水的容重，N/m3；

n——土的孔隙率。

經計算，校核洪水位情況下下游壩坡溢出面和壩址附近滲透坡降允許值均為0.5。

利用有限元方法對大壩建立模型進行分析，同時給出準流網圖。根據原設計和現場實測資料，選取圖1所示的計算斷面。壩體上下游坡腳均視為不透水邊界。上游水位取校核洪水位162.38m，水庫下游按無水考慮，取下游壩基高程145.73m。計算參數參考鄭州市水利建筑勘測設計院提供的工程地質報告中的建議值，如右表所列。

應用“理正滲流分析軟件”[12]進行計算，滲流有限元分析的基本方程為：

(3)

式中[K]——透水系數矩陣；

{H}——總水頭向量；

[M]——單元儲水量矩陣；

{Q}——流量向量；

t——時間。

各層土、巖體物理力學指標的建議值表

在校核洪水位條件下，分別對防滲加固前、后的大壩進行有限元滲流分析，穩定滲流浸潤線及勢能分布分別如圖2和圖3所示。由圖可看出：?防滲加固前壩體浸潤線在整個壩體內下降平緩，溢出點高程較高；?除險加固后壩體浸潤線在防滲墻處驟降，溢出點高程明顯降低，防滲墻內等勢線密集，表明防滲墻承擔了絕大部分的水頭損失。

圖2　原大壩準流網 (高程單位：m)

圖3　除險加固后的大壩準流網 (高程單位：m)

此外，防滲加固前、后大壩滲流量分別為q=1.169m3/s和q=0.398m3/s，滲流量減少了約65%，說明防滲效果明顯；防滲加固后壩體下游逸出點滲透比降最大值為0.2，壩基滲透比降最大值為0.36，防滲墻的最大坡降為18.74，均小于各自的允許滲透坡降，滿足防滲要求。

綜上所述，槐樹咀水庫除險加固工程的混凝土防滲墻措施經濟可行、防滲效果顯著，能夠保證大壩的滲流穩定，不發生滲漏破壞。

4　結　語

a.大壩經過防滲加固處理后，水庫蓄水至正常蓄水位時，下游坡面與壩址附近的滲透坡降均在允許范圍之內，下游壩段沒有滲漏逸出點，坡腳處不再發生集中滲流，防滲墻也不會發生破壞。該工程的防滲墻設計能夠使大壩不發生滲流破壞，說明塑性混凝土防滲墻的處理方案合理有效。

b.小型水庫大壩壩高一般在20m左右，甚至更低，而混凝土防滲墻允許水力坡降一般能達到60以上，30～40cm墻厚即可滿足防滲要求，經濟合理。同時，它的施工不影響水庫運行，速度快，可靠性高，耐久性好，與其他防滲措施相比具有明顯的優勢。在中小型土石壩水庫的除險加固工程中，混凝土防滲墻方案值得推廣使用。

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Analysis of anti-seepage measures and anti-seepage effect of Huaishuzui Reservoir Dam

CHEN Hongzhen1, LIU Changwu1, WANG Jianyou2

(1.SichuanUniversityCollegeofWaterResourcesandHydropower,Chengdu610065,China;2.ZhengzhouUniversitySchoolofWaterConservancyandEnvironment,Zhengzhou450001,China)

In the paper, seepage problems in Huaishuzui Reservoir are combined for proposing risk removal and reinforcement plan of concrete cut-off wall. Main process of construction, technical parameters, quality control, etc. are introduced. Finite element method is utilized for analyzing anti-seepage effect of risk removal and reinforcement measures. It is proved that the anti-seepage measures have significant effect according to the current operation condition of the reservoir. Concrete cut-off wall technology is reliable and practical in earthwork dam reinforcement.

concrete cut-off wall; risk removal and reinforcement; seepage; earth and rockfill dam

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.017

TV698.2+5

B

1005-4774(2016)01-0055-04