軟弱壩基上平原水庫壩體壩基滲漏分析及施工措施研究

聶亮亮

(江西省贛禹工程建設有限公司，江西 南昌 330000)

過去幾十年，為了合理開發水資源，充分利用地表水資源，我國修建了諸多平原水庫，隨著水庫投入運行，不斷出現一系列問題，其中水庫滲漏成為最致命的問題之一，根據統計結果顯示，因滲漏破壞而導致大壩垮壩的，占30%以上[1]。我國水庫除修建在巖基或硬土地基上，大部分修建在河道沖積層和濱海沉積層上，壩基地質條件通常以輕粉壤土為主，呈松散狀態，滲透性強且土層分布厚度不均勻，夾有高壓縮性、低強度的黏土層。在此類地基上修建壩基，如若防滲措施及工藝選擇不合理，將會導致水庫滲漏問題進一步加劇。因此，需要對軟弱壩基上的水庫壩體滲漏進行研究。

國內外許多專家均對水庫滲漏問題開展了研究，計慶寶對澤城西安水電站大壩滲漏進行研究，發現壩基全新統洪積卵石混合層、強風化巖層為滲漏的主要部位[2]，顧正聰認為小浪底土石壩運行期間在壩基覆蓋層和基巖斷層處產生了較大的滲漏量[3]，呂百勝、龐瓊、閆小兵、張先員等對水工壩基防滲技術進行了探討，如采用混凝土和自凝灰漿制作防滲墻、以高壓噴射為施工方式的防滲墻、帷幕灌漿、淤泥固堤防滲、水泥土攪拌樁防滲墻等各種新型且見效快的防滲措施[4- 7]。大壩滲漏主要有三種：壩體滲漏、壩基滲漏和壩肩滲漏，其中壩基滲漏是水庫工程中普遍存在的問題[8]。本文在總結前人研究理論和技術的前提下，對軟弱地基上平原水庫壩基土滲透性進行試驗研究，并提出防滲方案及施工工藝措施，可為類似地基上修建水庫提供借鑒。

1 工程概況

該水庫為中型平原水庫，設計最高蓄水位為20.00m，最大庫容為4732萬m3，年入庫水量為7657萬m3，年供水量為6980m3，水庫所在地土層為沖積平原新近沉積的粉土、黏土，壩基土深度30m范圍內自上而下可分為八層：一層粉土，厚2.5～5m，中等壓縮性，工程性質較好；二層黏土，軟塑，厚度1～4m，承載力低，是較好的隔水層；三層粉土，中密，厚度0.5～2.3m，低壓縮性；四層粉質黏土，軟塑，厚度2.7～7.0m，中壓縮性，工程性質較差；五層粉土，密實，厚度2.1～5.5m，低壓縮性；六層粉質黏土，軟塑，厚3.0～8.3m，中壓縮性；七層細砂，中密，厚度1.0～4.9m，低壓縮性，工程性質較好，八層黏土，可塑，厚度0.9～3.1m，中壓縮性，工程性質良好，各土層滲透性及顆粒組成見表1。

2 滲漏分析及控制研究

2.1 滲透試驗

因壩體填筑材料多為就地開挖土料，而開挖土料大多為地表第一層土料粉土，其滲透性大，抗滲穩定性較差，因此對壩體及壩基的滲透特性及抗滲穩定性進行分析，對控制軟土地基上水庫壩體壩基滲透極為重要。

表1 各土層滲透性及顆粒組

壩體滲透試驗采用的試驗土樣是粉土75%、粉質黏土25%混合土樣，兩次試驗干密度分別為1.53、1.56g/cm3，兩次試驗計算所得的滲透系數分別為1.99×10-4、1.72×10-4cm/s，由此可見，隨著土樣干密度的增加，滲透系數略有減少，但變化不明顯，同樣壩基土滲透試驗結果與壩體差別不大。滲透破壞試驗結果顯示，當壩體干密度分別為1.53、1.56g/cm3時，臨界坡降分別為0.94、0.98，取安全系數為3，其允許坡降i=0.31～0.33。參照有關資料，對壩體土干密度為1.53g/cm3時，得到允許坡降為0.07，由于粉土性質介于無黏性土與黏性土之間，為保證壩體的滲透穩定性，綜合分析取粉土允許坡降為0.11[9]。

2.2 滲流分析

2.2.1斷面設計

考慮到壩體長度不是很長且地面起伏較小，壩基土層分布基本一致，選擇一個斷面分析即可看出全壩的滲流情況。因壩基第二層黏土層滲透系數比第一層粉土層約小1/100，可以將壩基地下第二層黏土層看作水平隔水層，因此選擇黏土層最薄、粉土層最厚滲流最不利的斷面作為控制分析斷面。為論證防滲措施的必要性，對選擇的斷面進行了三種防滲方案的滲流分析，且選擇不做任何防滲措施的方案1作為對比參考[10- 15]，如圖1所示。

方案1：壩體迎水面不設防滲土工膜，壩基不設垂直防滲鋪塑。

方案2：壩體迎水面鋪設防滲土工膜，壩基不設垂直防滲鋪塑。

方案3：壩體迎水面鋪設防滲土工膜，壩基設置垂直防滲鋪塑并插入第二層黏土層。

圖1 三種方案防滲簡圖

2.2.2滲流計算

進行滲流場分析時，壩體土的滲透系數采用干密度為1.53g/cm3的土樣試驗時所得到的滲透系數為1.99×10-4cm/s，土工膜的滲透系數取用1.0×10-10cm/s計算。

(1)方案1計算結果分析

該方案為對比試驗，不采取任何防滲措施，因壩體填筑土料與壩基粉土的滲透系數十分相近，所以壩體內滲流出逸點比較高，滲流計算結果如圖2(a)所示。由圖2可知，滲流出逸點距壩腳位置約為4.12m，出逸點處的等勢線已達45%，出逸坡降i=0.23>0.11，滲透穩定性不滿足要求，工程滲透穩定性工程措施量大且比較復雜，該方案計算所得到的單寬滲漏量是2.98×10-6m3/s。

(2)方案2計算結果分析

該方案為上游迎水面壩坡防滲方案，在上游迎水面設置復合人工防滲土工膜，滲流計算結果如圖2(b)所示，方案2和方案1相比，方案2壩體內水浸潤面明顯降低，出逸點高度大約為1.23m，出逸點位置的等勢線為20%，出逸坡降i=0.141>0.11，滲透穩定性雖不能滿足要求，但較方案1已明顯增強，且計算所得的單寬滲漏量是1.18×10-6m3/s，也有明顯地減少。

(3)方案3計算結果分析

方案3是在上游迎水面壩坡設置復合人工防滲土工膜、壩基設置垂直防滲鋪塑與第二層黏土層隔水層相銜接構成完整的防滲體系，滲流計算結果如圖2(c)所示，方案3與前兩個方案相比，防滲效果特別顯著，壩體內浸潤線與壩基面基本一致，滲流出逸點與壩腳位置幾乎持平，出逸坡降i=0.0342<0.11，滿足滲透穩定性要求，計算所得的單寬滲漏量是1.11×10-7m3/s。

2.2.3計算結果分析

由計算結果可以看出，對比方案1因未采取任何防滲措施，其出逸點高度、等勢線、出逸坡降及單寬滲流量均比方案2、3的指標高；方案2雖然在壩體迎水面設置了復合人工防滲土工膜，相關指標較方案1有所下降，但仍未滿足滲透穩定性的要求；方案3因壩坡設置復合人工防滲土工膜、壩基設置垂直防滲鋪塑與第二層黏土層隔水層相銜接構成完整的防滲體系，壩體內浸潤面、出逸坡降均有明顯減少，且滿足滲透穩定性要求，單寬滲流量較方案1、2也減小1/20～1/10。因此，由試驗研究分析可知，軟弱壩基上平原水庫通過采取方案3類似相關防滲體系后，水庫壩體壩基滲透得到較好的控制。

圖2 三種方案防滲計算結果

3 施工措施探討

綜合上述實驗成果，該水庫壩體壩基防滲工程施工時需要注意，將壩腳處的垂直防滲工程插入第二層黏土層中但不能穿透黏土層，其上端與水平防滲措施相連接，再與上游壩坡復合人工土工膜無縫連接，形成一個閉合的防滲體系，滲透系數將會大大減少。

(1)垂直鋪塑即先采用施工機械對壩基基礎進行清理、平整，在需要鋪設的位置放好線并用開溝造槽機挖出較窄的深槽，采用泥漿護壁技術對槽壁進行固定，以防止泥土脫落，然后沿著槽壁鋪設PE膜，相鄰兩塊膜的結合處要相互搭接，鋪設完后及時回填黏土，即形成一道完整的垂直防滲帷幕墻，其上端塑膜與水平鋪塑連接在一起，構成了連續的防滲阻隔系統。但在施工時需特別注意：①泥漿護壁時，泥漿重度不能太小或太大，以免泥漿不粘合槽壁；②兩塊塑膜接合處，搭接長度不小于30m，以免增加滲流通道。

(2)壩體防滲即在上游迎水面壩坡砂墊層上鋪設人工土工膜形成水平防滲層，鋪設前需先清理、平整坡面，然后鋪設土工膜材料，再在上面均勻鋪設一層黏土進行保護，可以起到覆蓋滲漏部位、保證壩基穩定的作用。但在施工時需注意：①可根據壩坡實際情況選擇合適的復合土工膜，以減少焊接次數，且每隔10m預留褶皺，防止變形損壞土工膜；②膜與膜之間的焊接重合長度不少于20cm，邊角不齊的地方要修剪平整，保證施工質量。

4 結論

試驗分析結果顯示，通過在上游迎水面壩坡設置復合人土工膜、壩基設置水平與垂直防滲鋪塑，壩體人工土膜、壩基防滲鋪塑與第二層黏土層隔水層即構成完整的防滲體系，能夠起到很好的防滲效果，且能起到保證壩基穩定的作用；綜合前人研究成果，結合現場工程經驗，提出了壩體、壩基防滲施工措施及施工注意事項，研究成果可為類似軟弱壩基上的水庫防滲提供借鑒。