九泉水庫大壩防滲加固設計方案分析

李琳琳

（洛陽水利勘測設計有限責任公司，河南 洛陽 471000）

1 工程概況

1.1 基本情況

九泉水庫位于黃河流域洛河支流瀍河中游，壩址位于洛陽市孟津縣城關鎮九泉村，建于60 年代初期，2007 年進行擴建，擴建后水庫控制流域面積50.5 km2，總庫容713.83 萬m3，其中興利庫容258 萬m3，死庫容82 萬m3，灌區灌溉面積約為6000 畝，是一座以防洪灌溉為主，兼顧水產養殖、休閑游樂為一體的綜合利用的小（1）型水庫。

1.2 存在的問題及加固的必要性

大壩壩體位于瀍河原河道砂卵石層上，筑壩時壩基截水槽并未伸入不透水層，水庫存在壩基滲漏問題；2007 年孟西灌區工程僅對九泉水庫進行了擴容改造，抬高、培厚了壩體，并未針對水庫滲漏問題進行處理，至今大壩不能正常蓄水。

鑒于以上存在的問題，水庫無興利效益，且存在影響孟津縣供水調節工程正常運行以及下游人民的生命安全等問題，對水庫除險加固是十分必要的。

2 大壩防滲加固設計

2.1 水平防滲

針對九泉水庫存在問題，受范圍限制，帷幕灌漿的方式無法做到不透水層，防滲效果不可靠。故為了達到最佳的防滲效果，采用水平防滲在庫區鋪設復合土工防滲膜，大壩上游庫區底部鋪設復合土工防滲膜，鋪設范圍順水流方向沿原河道坡降由上游壩腳鋪至大壩上游河底高程291.0 m 處，兩側與兩岸原狀岸坡連接，鋪設面積10 萬m2。

土工膜鋪設范圍上游對瀍河主河槽進行防滲處理，防滲處理長度500 m。處理長度由庫區鋪設土工防滲膜處起向上游沿主河槽按設計斷面護砌500 m，護砌斷面采用梯形斷面，底寬0.5 m，深1.0 m，底板厚0.2 m，兩岸邊坡厚0.12 m，邊坡坡比1∶1.5，護砌采用C20 砼。護砌底板及邊坡每6 m 設一道伸縮縫，縫寬2 cm，縫內填閉孔低發聚乙烯板。

2.2 土工膜鋪設工藝

鋪設前先進行地面處理，清除地面一切可能損傷土工膜的硬物，并對表層松散土層進行壓實，壓實度不小于0.94；對周邊結合部位進行處理，使土工膜與不透水基礎緊密聯結，徹底封堵滲漏進口，截斷滲漏通道。

鋪設時將卷成捆的土工膜沿壩坡由下而上縱向鋪放，展平四周邊緣保持整直，擠出膜內空氣，避免產生小氣泡，同時周邊用梯形槽形式埋固好；鋪設時不能拉得太緊，要均勻的留有小褶皺，以保證反濾布本身良好的伸縮性，避免受壓破壞；鋪放面積是計算面積的110%，土工膜鋪好后，按一定方向順序同步前進回填保護層，使膜內空氣從膜底擠出，土工膜鋪設完成后在上方鋪設40 cm 厚粘土保護層；先回填防滑槽，再填坡面，邊回填邊壓實。

3 除險加固后大壩滲流安全分析

3.1 大壩浸潤線計算

水庫建成運用沒有統計相關觀測資料，大壩浸潤線及滲流量沒有資料可供參考利用。采用《水利水電工程設計計算程序集》土石壩設計軟件包土壩滲流計算程序對大壩在興利水位297.00 m、設計水位300.16 m、校核水位301.82 m，有限透水地基上的均質土壩計算大壩浸潤線。

大壩為有限透水地基上有棱體排水的均質壩，上游壩坡簡化為1∶2.75，下游邊坡簡化為1∶2.25，壩體填土為低液限粘土，干密度為1.47 g/cm3，含水量為24.3%，內摩擦角為18.1°，粘聚力為28.6 kPa，滲透系數取1.4×10-5cm/s。壩基透水層地質分為兩層，上層為級配不良礫，滲透系數取7.37×10-2cm/s，平均厚度13 m。下層為礫巖，滲透系數取8.0×10-2cm/s，平均厚度18 m。因透水兩層地基滲透系數相近在5 倍以內，可將壩基簡化為一個透水層，厚度31 m，滲透系數取7.68×10-2cm/s。壩前復合土工膜防滲鋪蓋長500 m。

由《水利水電工程設計計算程序集》土壩設計軟件包軟計算三種工況大壩浸潤線，壩體浸潤線計算圖見圖1～圖3，計算成果見表1。

圖1 興利水位297.00 m

圖2 設計洪水位300.16 m

圖3 校核洪水位301.82 m

表1 浸潤線計算成果表（0+340）

大壩下游壩坡在高程284.30 m 以下設有排水棱體，高于正常蓄水位浸潤線在下游壩坡最高滲出點2.3 m，符合規范要求。

3.2 大壩下游坡滲透出逸安全分析

3.2.1 出流坡降

由《碾壓式土石壩設計手冊》（水利水電規劃設計院編）式7-9-1 計算出流坡降:

式中：m2為邊坡系數，m2=2.75，J 為出流坡降。

計算結果為J=0.342。

3.2.2 允許坡降計算

（1）根據大壩土工試驗結果可得管涌破壞臨界坡降：土體孔隙比e=0.865，聚力C=28.6 kPa，空隙率n==0.464，土粒比重Gs=2.71，土的干容重γd=1.47 t/m3。滲透破壞臨界水力坡降由《水利水電工程地質手冊》（水利水電規劃設計院編）式3-3-10 計算：

式中：Gs 為土粒比重，Gs=2.71；n 為空隙率，n=0.464；J0為滲透破壞臨界水力坡降。

（2）流土破壞臨界坡降

粘性土臨界水力降按下式計算：

式中：Gs 為土的比重，Gs=2.71；n 為土的空隙率，n=0.464。

經計算得Jcr=0.917。

流土破壞的允許坡降：

由上述計算可知，出滲坡降J=0.342 小于管涌破壞的允許坡降[J0]=0.590，故不會發生管涌破壞；出滲坡降J 小于流土破壞的允許坡降[J0]=0.458，所以大壩不會發生流土破壞。

由上述方法計算可知大壩除險加固前：出滲坡降J=0.342小于管涌破壞的允許坡降[J0]=0.598，不會發生管涌破壞；出滲坡降小于流土破壞的允許坡降[J]=0.550，所以大壩也不會發生流土破壞。

4 除險加固后壩體抗滑穩定分析

4.1 計算工況與孔隙水壓力確定

根據規范要求，結合九泉水庫具體運用情況，分析穩定滲流期的上、下游壩坡，庫水位降落期的上游壩坡的抗滑穩定安全。

（1）對上游壩坡，分析水庫水位為1/3 壩高水位，壩體形成穩定滲流；庫水位為興利水位，壩體形成穩定滲流；庫水位為校核洪水位，壩體形成穩定滲流；水位由校核水位驟降至興利水位，興利水位，遇地震幾種工況進行壩體穩定計算。

（2）對下游壩坡，庫水位為興利水位，壩體形成穩定滲流；庫水位為校核水位，壩體形成穩定滲流，興利水位，遇地震幾種工況進行壩體穩定計算，下游水位取地面高程。

4.2 計算參數

壩體土料物理力學參數見表2。

大壩穩定計算土體參數采用飽和固結快剪實驗參數；對于浸潤線以上的土體，采用濕容重；上下游靜水位以下的壩體，采用浮容重；浸潤線以下、靜水位以上的土體，計算滑動力時采用飽和容重，計算抗滑力時采用浮容重。

表2 壩體土主要物理力學性質指標統計表

4.3 計算結果及分析

大壩壩坡抗滑穩定計算采用《水利水電工程設計計算程序集》土壩設計軟件包進行計算。

簡化畢肖普法分析時：正常運行條件下，壩坡抗滑穩定最小安全系數要大于1.25；非常運行條件下，壩坡抗滑穩定最小安全系數要大于1.15。各工況壩坡穩定分析計算結果表3。

表3 大壩除險加固后穩定分析計算成果表（0+340）

穩定計算結果表明：大壩除險加固后在各種正常和非常運行工況下安全系數均高于規范要求的最小安全系數，大壩抗滑穩定滿足要求。

5 結論

水庫防滲加固工程實施后，保守估計每年可以創造經濟效益108.73 萬元經濟效益，包括防洪、灌溉和水面效益，對類似水庫的防滲加固工程具有一定參考價值。

（1）防洪效益。確保水庫大壩安全運行，保護下游地區人民生命。按水庫下游受損面積5000 畝地，500 元/畝；受損人口2000 人，3000 元/人；防洪年效益28.33 萬元。

（2）灌溉效益。水庫灌溉面積6000 畝，按每畝增產150 kg糧食計算，則灌區可增產糧食90 萬kg，糧食單價按1.6 元/kg計，則增產效益144 萬元，按灌溉效益分攤系數為0.5 計，每年灌溉增產效益72 萬元。

（3）水面效益。庫區正常蓄水位形成25.7 萬m2水面面積，合385.5 畝，按照60%發展養殖水面計，為231.3 畝，按照90 kg/畝水面。扣除成本后，平均按5 元/kg 計算養魚獲得的凈效益，庫區年養魚凈效益為10.5 萬元。分攤系數按0.8 計，水面年凈效益8.4 萬元。