殷山水庫大壩防滲加固方案優化合理性分析

羅志雄

（江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029）

0 前言

我國是世界上水庫數量最多的國家，其中土石壩水庫占總數的93%[1]。參照2012 年底水利普查數量[2]，我國已建成各類水庫98002 座，總庫容達9323.12 億m3，其中大型水庫756 座，中型水庫3938 座，小型水庫93308 座。我國水庫大壩大多修建于二十世紀六、七十年代，大部分服役期已達到40 年～50 年，近年來，許多中小型水庫陸續出現不同程度的安全問題，其中約有1/5 水庫是由于大壩滲流滲漏問題引起的。在對病險水庫進行防滲加固處理時，常用措施主要是粘土斜墻、粘土心墻、混凝土防滲墻和帷幕灌漿等。以往采取的防滲加固[3～6]措施一般是一種或兩種結合處理，本文以殷山水庫除險加固工程為例，闡述多種防滲加固措施相結合的優化方案，為類似土石壩除險加固提供工程參考依據。

1 工程概況

殷山水庫位于湖口縣東南部的付垅鄉殷山村，大壩坐落在殷泉村，距湖口縣城約20 km，有約10 km 的公路與九景高速公路和省級交通干道相連。水庫所在河流為北港湖南支，屬南北港水系。壩址以上控制流域面積8.55 km2，水庫總庫容1349.10×104m3，設計灌溉面積2.2×104畝，實際灌溉面積1.5×104畝，是一座以灌溉為主，兼防洪、養殖等效益的中型水庫。水庫樞紐工程主要包括大壩、溢洪道、壩下涵管、灌溉放空隧洞等。大壩為均質土壩，壩頂高程68.4 m，壩頂寬6.0 m，最大壩高24.0 m，壩頂長340 m。上游壩坡坡率1∶3.0，下游坡率從上而下分別為1∶2.45、1∶3.0，大壩壩腳高程46.10 m～46.50 m，有寬約12 m 的壓重臺。溢洪道位于大壩右端壩頭，長121.78 m；壩下涵管有南北涵管兩座，南涵管位于大壩左端山體內，長211 m；北涵管位于大壩右端壩體內，長83 m；灌溉放空隧洞位于右壩肩山體中，長233.8 m。經水庫大壩安全鑒定發現，大壩壩體、壩肩和壩基出現多處滲漏問題，工程存在較嚴重的安全隱患，長此下去會危及大壩安全運行。

2 防滲加固方案

2.1 優化前加固方案

根據大壩的地質勘查資料及水庫運行過程中出現的問題，大壩采取垂直防滲措施，為混凝土防滲墻加壩基帷幕灌漿。本方案設計混凝土防滲墻布置在壩軸線處，沿主壩縱向設置防滲墻，墻頂高程67.0 m，頂部采用粘土回填，防滲墻厚度60 cm，墻底深入強風化基巖0.5 m，最大墻深25 m。結合壩身防滲處理，局部壩基基巖及左、右壩肩采用帷幕灌漿處理，帷幕灌漿采用單排孔，孔距為2 m，深入相對不透水層5 m。帷幕灌漿范圍為大壩河床壩基范圍（0+085 m～0+180 m）、大壩右岸壩基范圍（0+235 m～0+340 m）及右岸壩肩40 m 范圍、大壩左岸壩基范圍（0+000 m～0+005 m）及左岸壩肩35 m 范圍。

2.2 優化后加固方案

優化加固方案為：大壩壩體防滲采取粘土斜墻加混凝土防滲墻處理措施，混凝土防滲墻位置由壩中心線移至上游壩坡，并在結合處設截水槽，槽底寬1.5 m，高1.5 m，邊坡1∶0.75，防滲墻墻頂高程58.0 m，底寬6.3 m，頂寬3.5 m，墻體厚40 cm。壩基帷幕灌漿方案與優化前方案相同。兩種防滲加固方案示意圖見圖1。

圖1 大壩優化前、后防滲加固方案示意圖

3 防滲加固方案優化分析

大壩防滲加固方案的不同主要在于壩體內的防滲體不同，為進一步確定加固方案優化前、后的優缺點，分別進行了以下幾方面的分析比較。

3.1 防滲效果比較

（1）優化前后加固方案在壩基中都設置了帷幕灌漿，但在壩體中的防滲處理措施不同，優化前防滲加固方案主要采用混凝土防滲墻，利用防滲墻良好的抗滲性能，實現防滲目的，防滲效果顯著；優化后方案采用粘土斜墻加混凝土防滲墻，兩種防滲措相結合，防滲效果也很明顯。但優化前方案比優化后方案，混凝土墻入土深度長9 m，優化后加固方案比優化前多采取了粘土斜墻措施。

為進一步了解兩種方案的加固效果，對大壩進行滲流穩定計算分析，根據壩體、壩基的地質情況，同時考慮滲流監測設施的埋設情況，大壩各土層滲透系數及允許滲透坡降按地勘提供參數選取，見表1。

表1 大壩壩體及壩基土層地質參數取值表

（2）計算模型

壩體內的穩定滲流符合達西定律，對于非均各向異性二維滲流場，水頭勢函數滿足微分方程：

式中：φ=φ（x,y）為待求水頭勢函數；kx，ky為軸方向的滲流系數；Q 為邊界上滲流量。水頭φ 還必須滿足一定的邊界條件，經常出現以下三種邊界條件：

①在上游邊界上水頭已知：φ=φn

②在逸出邊界水頭和位置高程相等：φ=z

③在某邊界上滲流量q 已知：

式中：lx，ly為邊界表面向外法線在x，y 軸方向的余弦。

假定單元滲流場的水頭函數φ 為多項式，由微分方程及邊界條件確定其問題的變分形式，可導出線性方程組：

式中：[H]為滲流矩陣；{φ}為滲流場水頭；{F}為節點滲流量。

求解滲流場的關鍵是確定浸潤線位置，本次研究采用節點虛流量法通過多次迭代計算自動確定浸潤線位置和出逸高度。求解出各點水頭[φ]之后，利用公式：

求出各點的水力坡降。流速公式為：

（3）通過采用有限元法計算分析，對大壩兩種加固方案分別在正常蓄水位、設計洪水位及校核洪水位三種情況下進行滲流計算，得到各工況下滲流量及滲透坡降計算結果。具體計算結果見表2，計算結果流網圖以校核水位為例，見圖2～圖3。

表2 大壩穩定滲流計算值及滲流量表

圖2 優化前校核洪水位66.36 m 下穩定滲流計算成果圖

圖3 優化后校核洪水位66.36 m 下穩定滲流計算成果圖

由表2、圖2～圖3 可知，經過加固后，大壩的滲流量均比加固前的大幅度減小，防滲效果均很明顯；兩種方案下的滲流量均較小，但優化后方案要比優化前小一半左右。

3.2 施工難度比較

對于壩體防滲加固處理，兩種方案的施工實施技術均很成熟，但優化后混凝土防滲墻的工程量比優化前減少了35%，雖然粘土斜墻需要開挖及回填，但是從施工操作性方面考慮，還是粘土斜墻施工更容易。采用液壓抓斗造混凝土防滲墻時，在深度超過18 m 后，挖槽工效會有所降低，因此降低防滲墻高度，有利于加快工程進度。從施工操作性和工程進度兩方面考慮，優化后方案比優化前施工難度小，可操作性強。

3.3 工程投資比較

大壩優化前、后防滲加固方案主要工程量與投資比較見表3。

表3 大壩穩定滲流計算值及滲流量表

由表3 可知，方案優化后，工程投資可減少32.06 萬元。

4 結論

對于大壩出現的滲漏問題，通過優化前后方案的分析比較，得出以下結論：

（1）經防滲效果、施工難度及工程投資等綜合比較分析，優化后方案比優化前更佳，合理性得到論證。

（2）在對水庫大壩進行防滲處理時，采取多種方案相結合比單一方案要好很多，在進行設計方案選擇時，盡可能進行優化處理。

（3）殷山水庫自加固后運行至今，下游壩腳未出現滲漏點，說明工程措施采取合理有效。