榨房溝水庫大壩防滲設計研究

魏清順，孫西歡，謝玲麗

(1.太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024； 2.山西農業大學 城鄉建設學院,山西 太谷 030801； 3.武漢志宏水利水電設計院，武漢 430070)

0 引 言

土石壩是世界大壩工程建設中歷史最為久遠且應用最為廣泛的一種壩型。在我國，土石壩水庫約占水庫總數的93%，為國民經濟建設發揮著重要的作用[1]。然而，由于早期水庫設計標準低、施工技術條件制約等不利因素的存在，形成大量的病險水庫，嚴重影響水庫下游安全及工程效益的發揮[2-3]。其中，滲漏是土石壩水庫的常見病險形式之一[4]。目前，水庫大壩的防滲設計方法主要有黏土防滲斜墻、帷幕灌漿和土工膜合成材料等。其中，土工膜造價低、施工方便、防滲效果較好，在工程中已有應用。在水庫除險加固中，如何合理、有效的選擇防滲措施，無疑會直接影響到工程的投資和施工。本工程針對榨房溝水庫大壩現狀，采用“上游壩坡土工膜+基礎接觸灌漿”的防滲設計方案，闡述復合土工膜在具體工程中的應用，并就其防滲效果進行分析，以期保證下游灌溉安全并為類似水庫防滲設計提供借鑒和參考。

1 工程概況

榨房溝水庫地處湖北省宣恩縣曉關鄉大山坪村，位于忠建河支流，總庫容為27.46×104m3。工程于1977年8月動工興建，1979年9月竣工投入運行，是一座以灌溉為主，兼有防洪、供水等綜合利用效益水庫。水庫屬于小(Ⅱ)型水庫，工程等別為Ⅴ等，水庫設計防洪標準為30年一遇，校核洪水標準為300年一遇，水庫樞紐工程主要由大壩、溢洪道、輸水拱涵等建筑物組成。大壩為黏土斜墻壩，壩頂高程1 230.00 m，最大壩高13 m，壩頂長38 m，壩頂寬10 m，大壩上下游無護坡，在高程1 222 m處設貼坡反濾；溢洪道全長50.4 m，凈寬1.5 m；輸水拱涵為漿砌石結構，斷面尺寸0.5 m×1.0 m。

水庫大壩在30多年的運行過程中，暴露出來的主要問題有：大壩及斜墻欠高(大壩欠高0.35 m，斜墻欠高2.39 m)，水庫防洪能力不滿足規范要求；大壩壩頂凹凸不平，形狀不規則，上下游無護坡，變形、垮塌嚴重；斜墻填筑土料滲透系數偏大，滲流性態不滿足規范要求，壩基漏水嚴重；排水反濾設施損毀。

由于上述問題的存在，嚴重阻礙了水庫大壩的安全運行與管理。經鑒定，被水利部列為“三類壩”。 為確保下游群眾的生命財產安全和下游農田的灌溉以及養殖效益的正常發揮，對榨房溝水庫大壩進行除險加固是十分必要的。

2 大壩加固設計

針對榨房溝水庫大壩現狀及存在的現實問題，大壩加固設計可從壩頂加固、大壩防滲、上游壩坡加固和下游壩坡加固4個方面加以實施。

根據水庫調洪演算，可將現狀壩頂高程1 230.00 m加高到1 230.50 m，解決壩頂欠高問題。由于原壩頂寬度為10 m，壩頂較寬，而且上下游壩坡較陡需要進行削坡，同時考慮到防汛交通和運行管理的需要，將壩頂寬設計為5.0 m，并鋪設厚30 cm的泥結石路面。

大壩防滲處理選擇兩種方案進行比選：①新老黏土斜墻+基礎接觸灌漿方案；②老黏土斜墻+上游壩坡土工膜+基礎接觸灌漿方案。

根據工程實際情況，對上游壩坡進行削坡處理，并對上游壩坡整體采用混凝土格柵M7.5干砌塊石護坡，格柵間距3.0 m，起護高程從1 223.00 m至壩頂。下游壩坡同樣采用削坡處理，對壩坡滑塌部位進行培坡處理并對下游壩坡整體采用草皮護坡。在壩腳設300 mm×400 mm縱向排水溝，采用M7.5漿砌石結構，水泥砂漿抹面。采用重建排水棱體，解決原大壩排水反濾設施損毀的問題。

3 防滲方案比選

3.1 方案一(比較方案)：新老黏土斜墻+基礎接觸灌漿方案

此方案主要是對壩體和溢洪道前基礎進行接觸灌漿，在上游馬道以上原壩坡代料土全部清除，新建黏土防滲斜墻。利用新建及原有的黏土斜墻和壩基接觸灌漿來防滲。

3.1.1 壩基防滲處理

根據工程實際，需要對壩體基礎和溢洪道進口前的基礎進行接觸灌漿。壩體基礎接觸灌漿分為壩基和壩肩兩部分：壩基部分布置在黏土斜墻下方，與馬道中心線同軸；壩肩部分要沿著上游馬道以上壩坡與右岸坡的交線延伸布置，直到右壩肩。溢洪道進口基礎接觸灌漿要平行于進口布置，右側與壩體充填灌漿下面帷幕相交閉合，左側延伸至與天然巖體相交處。根據以上原則，確定灌漿軸線長58 m。壩基灌漿單排布孔，孔距1.5 m。與此同時，根據工程地質資料并參考有關工程實例，確定接觸灌漿深入壩體0.5 m，深入基巖1.5 m，總深度為2.0 m。

接觸灌漿單排布置，孔距1.5 m，鉆孔孔徑50 mm。灌注材料以水泥灌漿為主。為確保灌漿質量，要求使用強度等級不低于42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥，細度要求通過4 900孔/cm2標準篩的篩余量不超過2%。灌漿壓力在0.1～0.2 MPa。

3.1.2 新建上游斜墻

由于大壩斜墻欠高，當水位超過斜墻頂高程1 228.50 m時，水仍然會滲入壩體，本方案擬在上游馬道高程1 226.50 m至壩頂高程1 230.50 m新修黏土斜墻來防滲。將上游馬道作為施工平臺，待充填灌漿和接觸灌漿施工結束后，對馬道以上壩坡挖除代料，開挖坡度為1∶2，回填黏土至壩頂高程1 230.50 m，形成黏土斜墻，其斜墻應與原有的黏土斜墻充分銜接。黏土斜墻的底部最小厚度大于其承擔水頭的1/5，滿足防滲要求。結合工程實際并考慮施工方便，確定其斜墻厚度均為2 m。回填后，上游壩坡在馬道以下坡度為1∶2.2，馬道以上坡度為1∶2。具體見圖1。

圖1 比較方案大壩加固橫斷面

3.2 方案二(推薦方案)：上游壩坡土工膜+基礎接觸灌漿方案

此方案主要是對壩體防滲采用上游壩坡鋪設土工膜，對壩體基礎和溢洪道前基礎采用接觸灌漿防滲處理。利用原黏土斜墻、新增的土工膜和接觸灌漿形成的防滲體共同來防滲。見圖2。

圖2 推薦方案大壩加固橫斷面

3.2.1 接觸灌漿設計

接觸灌漿的布置、深度、灌漿孔排數、孔距和灌注材料等都與方案一相同。不同之處在于壩體段鉆孔時，方案二直接從馬道下面壩體開始鉆孔，而方案一是通過預留孔從基巖開始鉆孔。

3.2.2 復合土工膜防滲設計

由于接觸灌漿只是對壩體和壩基結合部位進行處理，對于壩體的滲漏，采用在死水位以上的壩坡鋪設復合土工膜來防滲。鋪設范圍主要是從死水位到壩頂段的壩坡，土工膜的型號采用復合土工膜(兩布一膜)。

鋪設土工膜前首先要清除上游壩坡代料土上的碎石、草皮、樹根等雜物，然后在壩坡代料土表面鋪一層厚10cm的粗砂，然后鋪設復合土工膜，并做好與底端防滲斜墻、頂端壩頂、兩端壩山結合部位的銜接處理，從而形成一道連續的防滲體系。

土工膜鋪設時，將土工膜沿壩坡自下而上縱向鋪設，回填保護層與鋪設土工膜同步進行，先填防滑槽，再填坡面，邊填邊夯實。土工膜保護層分為3層：其下層為厚100 mm的中粗砂，上設厚200 mm的粗砂，粗砂上層為厚300 mm的混凝土格柵干砌石護坡。土工膜在壩坡與岸坡結合處開挖梯形槽，用C20W6FIO0素混凝土埋固好，土工膜底部埋入壩坡開挖的溝槽內，并與防滲斜墻形成連續的防滲體，土工膜頂部埋入壩頂部固定槽內。利用原黏土斜墻、新增的土工膜和壩基接觸灌漿形成連續的防滲體共同來防滲。

復合土工膜防水抗滲能力強，結構簡單，施工干擾小，工期較短[5]。但銜接部位是滲漏薄弱環節，經常在接頭部位出現銜接問題。另一方面，在施工中復合土工膜稍不小心就會被破壞，從而破壞其整體防滲效果。然而就本地區目前應用情況來看，復合土工膜在用于壩體防滲的技術已相對成熟，采用復合土工膜進行防滲，其銜接質量在本地區能夠保證。

3.3 防滲方案比較

榨房溝水庫大壩防滲可從防滲的可靠性、施工難易程度、工程投資等3個方面進行比較[6]，具體見表1。

表1 防滲方案比較

方案一馬道以上壩體部分采用黏土斜墻防滲，方案二采用復合土工膜防滲；黏土斜墻屬于經過無數工程檢驗的行之有效的防滲措施，復合土工膜防滲能力也較強，并且接頭的銜接質量在施工中也可以保證。方案二鋪設土工膜比方案一建造黏土斜墻的施工工藝簡單。工程造價方面，方案二的直接投資比方案一的直接投資要少。經以上綜合比較及經濟分析并結合榨房溝水庫的實際工程條件，壩體的防滲處理采用方案二。

4 防滲效果分析

大壩防滲效果一般可從滲流量、滲透坡降值、浸潤線和溢出點等幾個方面進行評價[7]。榨房溝水庫大壩滲流計算采用有限元二維穩定滲流計算方法，計算斷面為河床最大斷面。基巖滲流按多孔介質，土層滲透性按各向同性考慮[8]。

4.1 大壩滲流計算工況

大壩滲流計算工況見表2。

4.2 土層分區和滲透系數選取

除現狀滲流分區外，需增加防滲處理區及壩腳反濾體，因土工膜滲透系數很小，除險加固后土工膜滲流計算參數可換算為滲透系數1×10-5cm/s的厚1 m黏土層進行計算。加固后大壩土層各區滲透系數見表3。

4.3 計算結果及分析

4.3.1 大壩加固前二維滲流計算

各種工況下，壩坡出逸坡降及滲透量見表4。

表4 大壩加固前二維滲流有限元計算成果

由計算結果可知，加固前斜墻與壩基接觸面最大滲透坡降為0.51，下游壩坡最大水平滲透坡降為1.83。根據地勘資料可知，黏土斜墻與基巖接觸的允許滲透坡降[J]=0.65,后坡代料的允許滲透坡降[J]=0.30，則上述工況下，黏土斜墻與巖基接觸坡降均在此范圍內，而下游壩坡滲透坡降較大，不滿足要求。另外，由計算可知，大壩在設計、校核情況下，漫壩，在正常蓄水位情況下浸潤線在壩坡出逸，且出逸點較高；滲漏量大，對水庫效益影響大。

4.3.2 大壩加固后二維滲流計算

大壩加固后，滲流計算見表5。

表5 大壩加固后二維滲流有限元計算成果

由計算結果可知，加固后，在以上各種工況下，大壩單寬滲流量減小，浸潤線均進入下游反濾體，表明防滲體阻水能力強。另外，斜墻與壩基接觸面最大滲透坡降為0.41，下游壩坡最大水平滲透坡降為0.06。由地質資料可知，黏土斜墻與基巖接觸的允許滲透坡降[J]=0.65，后坡代料的允許滲透坡降[J]=0.30，故滲流坡降均能滿足要求，不存在滲透破壞現象。

綜上所述，榨房溝水庫大壩加固所采用“上游壩坡土工膜+基礎接觸灌漿”方案經濟可行，防滲效果顯著，能夠保證大壩不發生滲漏破壞。

5 結 語

榨房溝水庫大壩經過防滲加固處理后，在正常蓄水位情況下，壩址與下游壩坡的最大水平滲透坡降均在允許范圍內，且大壩單寬滲流量減小，浸潤線均進入下游反濾體，防滲效果顯著，能夠保證大壩不發生滲流破壞，大壩除險加固防滲設計方案切實可行。

大壩防滲采用的“上游壩坡土工膜+基礎接觸灌漿”設計方案，既能有效解決工程實際運行中壩體滲漏嚴重的問題，同時又滿足除險加固設計需從原建筑物運用現狀出發，綜合考慮多種因素，滿足技術和經濟的設計要求。該設計方案已在工程中成功應用，保障了下游灌溉安全，為類似水庫除險加固防滲設計提供借鑒和參考。