后河溝水庫大壩防滲方案淺析

趙小寧

（陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710016）

1 工程概況

后河溝水庫位于銅川市印臺(tái)區(qū)紅土鎮(zhèn)西北6 km處，距離銅川市印臺(tái)區(qū)24 km，后河溝系白水河右岸二級(jí)支流，發(fā)源于宜君縣云夢(mèng)鄉(xiāng)南斗村北溝，由西北流向東南，經(jīng)前河溝村，在太和寺村匯入上馬河。流域面積25.4 km2，河道長(zhǎng)9.7 km，河道平均比降14.8‰。后河溝水庫以紅土鎮(zhèn)區(qū)生活用水和高效農(nóng)業(yè)灌溉用水為主，具有常規(guī)水源和抗旱應(yīng)急備用水源的雙重任務(wù)。

后河溝水庫樞紐由碾壓式均質(zhì)土壩、溢洪道、導(dǎo)流輸水洞等建筑物組成，水庫總庫容291萬m3。壩頂高程1021.5 m，最大壩高30 m，工程屬于Ⅳ等小（1）工程，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇設(shè)計(jì)，300年一遇校核，相應(yīng)的洪峰流量分別為129 m3/s和247 m3/s。水庫死水位為1009.5 m，正常蓄水位為1015.7 m，設(shè)計(jì)洪水位1018.0 m，校核洪水位1019.3 m。

2 工程地質(zhì)條件

（1）地形地貌與地層巖性

工程區(qū)地處鄂爾多斯臺(tái)向斜東緣間歇性的緩慢抬升地區(qū)，是黃土高原與渭河平原的過渡地帶，總的地勢(shì)由北向南傾斜，溝壑縱橫，構(gòu)成了黃土丘陵溝壑地貌類型。地面標(biāo)高994 m～1105 m左右，相對(duì)高差超過110 m。隨渭北隆起掀斜作用，新生代以來在緩慢上升背景上大面積拱起，處于抬升剝蝕區(qū)，第四紀(jì)以來堆積了中上更新統(tǒng)黃土；在河谷階地及漫灘區(qū)，堆積了第四系各類巖性的沖洪積層，詳述如下：

1）全新統(tǒng)沖積砂卵礫石層(Q4al)：分布于河床及河漫灘、一級(jí)階地。稍濕，分選差，次圓狀，主要成分為砂巖及鈣核，砂及粘性土充填，局部夾重粉質(zhì)壤土薄層。河床上該套地層一般厚約3 m～5 m。

2）第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組沖積層(Q31al)：分布于二級(jí)階地下部，具二元結(jié)構(gòu)，新鮮斷面可見典型的姜黃色斑塊，巖性以重粉質(zhì)壤土為主，夾含細(xì)粒土礫（GF）。

3）第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積馬蘭黃土（Q3eol）：零星分布于二級(jí)以上階地及黃土梁峁表層，黃土巖性為重粉質(zhì)壤土，底部可見一層古土壤，具柱狀節(jié)理。出露厚度一般在10 m～20 m。

4）第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積沖洪積層（Q2eol＋pal）：分布于三、四級(jí)階地下部，具二元結(jié)構(gòu)，巖性以重粉質(zhì)壤土為主，夾含細(xì)粒土礫（GF）透鏡體。

5）第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積離石組黃土（Q2eol）：零星分布于黃土梁峁下部，在黃土沖溝的溝底及側(cè)壁出露，巖性為重粉質(zhì)壤土，發(fā)育數(shù)層古土壤，成壤作用好，呈綜紅色。該套地層總體厚度可達(dá)50 m～60 m。

6）第三系上新統(tǒng)靜樂組半膠結(jié)粘土巖（N2）：為一套深紅色粉砂質(zhì)粘土夾鈣質(zhì)結(jié)核層，粘土致密，堅(jiān)硬，潮濕后粘性好，鐵錳質(zhì)薄膜及結(jié)核發(fā)育。鈣質(zhì)結(jié)核在粘土層中呈疙瘩狀、葡萄狀零星分布或集結(jié)成層。

7）三疊系（T）

總厚大于500 m，與下伏地層整合接觸。分布于石千峰組北界至山前的廣大地區(qū)。下部灰綠色，厚—巨厚層狀，交錯(cuò)層理發(fā)育的砂巖為主，夾有棕紅色、薄層粉砂巖、泥質(zhì)砂巖，厚160 m；上部紫紅、棕紅、灰綠色粉砂巖、泥質(zhì)砂巖與黃綠、灰綠、紫灰色薄層狀砂巖互層，厚300 m～400 m。

（2）區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性及地震

工程區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，構(gòu)造變形較微弱，為相對(duì)穩(wěn)定的地塊。基巖呈單斜構(gòu)造，巖層傾向北西，傾角1～3°，無構(gòu)造斷裂跡象，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以整體緩慢抬升為主。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306—20015，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，地震動(dòng)特征周期為0.45 s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度，工程抗震設(shè)防分類按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類考慮。

（3）壩基及壩肩地質(zhì)條件

壩址以上流域面積20.544 km2，谷底寬度95 m，設(shè)計(jì)壩頂高程1021.5 m處河谷寬度230.4 m。1018 m高程以下河谷兩岸一級(jí)階地對(duì)稱分布，1018 m以上為高階地及老黃土組成的谷坡。

B0+008.3～B0+062.7為后河溝左岸一級(jí)階地，⑧1層含細(xì)粒土礫，母巖成份以鈣結(jié)核及砂巖碎塊為主，泥砂質(zhì)充填，滲透系數(shù) 3.6×10-2cm/s，承載力 300 kPa，強(qiáng)度較高，滲透性較大，易發(fā)生管涌破壞，是導(dǎo)通上下游的主要滲漏通道，需采取工程措施進(jìn)行截滲，具體見圖1。

B0+062.7～B0+168.7為后河溝漫灘，2.3 m～6.7 m為含細(xì)粒土礫（GF），母巖成份以鈣結(jié)核及砂巖碎塊為主，泥砂質(zhì)沖填，滲透系數(shù)3.6×10-2cm/s，承載力280 kPa，強(qiáng)度較高，滲透性較大，易發(fā)生管涌破壞，是主要滲漏通道，需采取工程措施進(jìn)行截滲；16.2 m以下為強(qiáng)風(fēng)化的巖土分界面，強(qiáng)風(fēng)化厚度1 m～2 m，滲透系數(shù)2.50×10-1cm/s，是可能的滲漏通道，需要進(jìn)行截滲處理，具體見圖2。

B0+168.7～B0+238.8為后河溝右岸一級(jí)階地，30.00 m～34.30 m巖性為含細(xì)粒土礫（GF），母巖成份以鈣結(jié)核及砂巖碎塊為主，泥砂質(zhì)沖填，滲透系數(shù)3.6×10 cm/s，承載力 300kPa，強(qiáng)度較高，滲透性較大，是可能的滲漏通道。34.3 m以下為強(qiáng)風(fēng)化的巖土分界面，滲透系數(shù) 2.50×10-1cm/s，強(qiáng)風(fēng)化厚度 1 m～2 m，是可能的滲漏通道，需要進(jìn)行截滲處理，具體見圖3。

圖1 左壩肩地質(zhì)剖面

圖2 壩基地質(zhì)剖面

圖3 右壩肩地質(zhì)剖面

3 壩址滲漏工程地質(zhì)問題

3.1 砂礫石地層的分布位置規(guī)律不明確，防滲處理范圍不易確定

由地質(zhì)條件論述及基地質(zhì)剖面圖可知，覆蓋層中上部與下部均分布有⑧1砂礫石層，中間夾雜有⑧沖洪積重粉質(zhì)壤土，⑧與⑧1的層位劃分是按照含泥量或砂礫石量的百分率來確定，并且地質(zhì)分層線在鉆孔以外僅為推測(cè)，有何能上下兩層砂礫石在上游壩基或庫區(qū)存在連通，砂礫石地層的分布位置規(guī)律不明確，防滲處理范圍不易確定。

3.2 壩基砂礫石層滲透系數(shù)大，滲透水量多

擬建壩基以弱透水的重粉質(zhì)壤土為主，壩基下含細(xì)粒土礫（GF），壩基重粉質(zhì)壤土層以下為強(qiáng)風(fēng)化的巖土界面，為防止壩基滲漏及滲透坡壞，應(yīng)對(duì)含細(xì)粒土礫（GF）層及下部巖土界面處強(qiáng)風(fēng)化巖采取截滲工程措施，當(dāng)在含細(xì)粒土礫（GF）層中及下部巖土界面處強(qiáng)風(fēng)化巖層中采取截滲措施后，可將整個(gè)壩基概化為一均質(zhì)弱透水的壩基，取其滲透系數(shù)為0.05 m/d（5.78×10-5cm/s），含水層厚度按16 m考慮，壩基滲漏量為21.3 m3/d，單側(cè)繞壩滲漏量為4.85 m3/d。在不截滲的情況下，壩基滲漏量為1459 m3/d。

3.3 覆蓋層厚度大，防滲處理難度大

擬建壩壩體頂高程為1021.5 m，大壩高30 m，壩體覆蓋層厚度15.5 m～24.6 m，平均厚度約20 m，覆蓋層厚度約為壩體高度的2/3，防滲工程量較大，特別是壩肩防滲處理難度大。

4 大壩防滲方案

4.1 規(guī)范要求大壩防滲方案

砂礫石壩基滲流控制的措施，應(yīng)根據(jù)壩高、壩型、水庫的用途及壩基地質(zhì)條件，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定防滲方案。一般防滲方案分為：垂直防滲、上游防滲鋪蓋、下游排水設(shè)備及蓋重四種形式。修筑水庫是為利用雨洪資源，在保證生態(tài)基流的情況下，盡可能多的攔蓄水資源，尤其是在水資源較為缺乏的銅川地區(qū)，下游排水方案首先要被排除。上游防滲鋪蓋方案也不可取，是由于地基砂礫石層分布不規(guī)則，庫盆及庫尾均有砂礫石漏，該方案需要處理的上游鋪蓋面積極大，經(jīng)濟(jì)上不合理，并且在蓄水前無法驗(yàn)證處理效果，設(shè)計(jì)不采用該方案。

本次設(shè)計(jì)推薦采用垂直防滲方案。直防滲方案有明挖回填截水槽、混凝土防滲墻、灌漿帷幕、上述兩種或兩種以上形式的組合。垂直防滲措施的選擇應(yīng)符合下列原則：①砂礫石層深度在15 m以內(nèi)，宜采用明挖回填粘土截水槽；②砂礫石層深度在80 m以內(nèi)，可采用混凝土防滲墻；③砂礫石層很深時(shí)，可采用灌漿帷幕，或在深層采用灌漿帷幕，上層采用明挖回填粘土截水槽或混凝土防滲墻。

4.2 地質(zhì)針對(duì)壩基滲漏處理建議

壩址有全新統(tǒng)沖積層厚度6.7 m，其中上部2.3 m為重粉質(zhì)壤土，下部4.3 m為礫卵石，較為純凈，滲透系數(shù)大（3.6×10-2cm/s），必須進(jìn)行截滲處理。全新統(tǒng)之下，為中更世堆積層，巖性為重粉質(zhì)壤土，致密、堅(jiān)硬，無孔隙，粘粒含量平均值為25.4%，滲透系數(shù)為3.38×10-5cm/s，可視作隔水層。在⑧層重粉質(zhì)壤土底部，夾有⑧1層含細(xì)粒土礫石，滲透系數(shù)為3.6×10-2cm/s，為強(qiáng)透水層；在⑧層重粉質(zhì)壤土層以下的強(qiáng)風(fēng)化巖土界面處，有1 m～2 m的強(qiáng)風(fēng)化砂巖。盡管從壩基中線縱斷面來看，⑧1層含細(xì)粒土礫石及下部的強(qiáng)風(fēng)化基巖均處在⑧層重粉質(zhì)壤土底部，但從河流的沉積規(guī)律來說，并不能排除其與上下游不同深度的礫石層連通的可能性，這種可能性有時(shí)候是必然的。因此，建議對(duì)基巖上部強(qiáng)風(fēng)化巖進(jìn)行圍幕灌漿截滲。對(duì)⑧1礫石層采用截滲墻截滲。

4.3 壩基滲漏處理措施

大壩防滲范圍主要是壩基覆蓋層內(nèi)的砂礫石與基巖上部的強(qiáng)分化層，滲透系數(shù)大于3.6×10-2cm/s。后河溝水庫覆蓋層平均厚度在20 m，本次設(shè)計(jì)考慮針對(duì)壩基中上部砂礫石層采用明挖回填截水槽；針對(duì)左右壩肩及壩基下部強(qiáng)透水含細(xì)粒土礫層采用60 cm厚C10塑性混凝土防滲墻；針對(duì)基巖上部的強(qiáng)風(fēng)化層采用帷幕灌漿進(jìn)行截滲。

防滲方案采用：截水槽＋混凝土防滲墻＋灌漿帷幕方案。壩基段0＋75.58～0＋163.75段開挖截滲槽，開挖至含細(xì)粒土礫層以下1 m，截水槽底寬8 m，兩側(cè)邊坡均為1∶1，槽深5 m。壩體防滲墻范圍為 F0＋000～F0＋249.98(B0＋220.98)；溢洪道部分防滲墻范圍為B0＋220.98～B0＋237.02。壩體防滲墻與溢洪道底板下部懸掛式防滲墻相結(jié)合，壩體混凝土防滲墻總長(zhǎng)249.98 m。壩體混凝土防滲墻底部高程深入強(qiáng)風(fēng)化基巖面以下不小于50 cm。B0＋075.58～B0＋163.75壩基段防滲墻頂部深入壩體內(nèi)3 m。墻厚60 cm，墻體深度40 m～13 m。防滲墻底部結(jié)合帷幕灌漿處理，灌漿深度5 m，孔距1.5 m。

5 結(jié)語

通過該防滲方案的處理，基本解決了后河溝水庫的壩基滲漏問題，確保水庫蓄水與壩體安全，是大壩設(shè)計(jì)的重要工作之一。結(jié)合設(shè)計(jì)內(nèi)容提幾點(diǎn)建議：

1）根據(jù)基巖特性，合理確定防滲墻與灌漿帷幕銜接位置與形式，防止接觸不良，產(chǎn)生新的滲透通道；

2）根據(jù)地層，合理選用防滲墻的混凝土與添加劑，通過試驗(yàn)確定墻體彈性模量，使之與地層特性相協(xié)調(diào)，防止墻體產(chǎn)生裂縫；

3）確定合理的設(shè)計(jì)施工方案，特別是成槽方式，防滲墻體的分縫與接頭的處理工藝，以確保防滲墻的防滲效果。