淺議水庫工程從設計至施工階段如何預防滲漏
——以大理州巍山縣白乃水庫為例

云南華禹水利水電勘察設計有限公司 云南 昆明 650051

一、水庫防滲的重要性

水庫工程建設的目的是確保在洪水來臨時,將洪水攔截在壩體上游范圍內,因此,水庫首先必須滿足蓄水的功能,減少滲漏,尤其在那些水源本就不充裕的水庫,如果滲漏量大,甚至滲漏量等于或大于水庫補給量,將導致水庫喪失蓄水的功能,修建水庫的價值得不到體現。必須從設計至施工階段,從壩址和材料的選擇到施工各方面嚴格把控,防止水庫產生滲漏。

二、水庫滲漏條件分析

(一)構造穩定性條件。壩址應盡量選擇在抗震有利地段,不宜選在50年超越概率10%的地震動峰值加速度大于0.4g的強震區。大壩等主體建筑物不宜建在活斷層上。

(二)地形條件。遇低矮埡口,庫盆封閉不良,單薄分水嶺、低鄰谷,河間地塊,可能發生滲漏。當分水嶺越單薄,低鄰谷下切越深,則庫水滲漏的可能性越大；庫區某一側存在低凹單薄的河間地塊,當河間地塊無地下水分水嶺或地下水分水嶺低于水庫正常蓄水位,水庫蓄水后,水力梯度增大,水庫滲漏可能性增加。

(三)構造條件。由于斷層構造發育,使原本透水性弱的完整巖體受到破壞,形成構造型滲漏通道；當庫盆為背斜谷,易沿透水地層向外滲漏；庫盆為單斜谷,透水層低于正常蓄水位,并在低鄰谷出露,庫水有可能沿傾斜方向向低鄰谷滲漏；有膠結不好的斷層破碎帶或節理密集帶通過時,易發生滲漏。

(四)巖體條件。庫周與庫底為松散地層時,由于透水性強,可能產生大面積或帶狀滲漏；庫盆巖體柱狀節理張開發育,具有大量氣孔或洞穴的玄武巖時,易發生滲漏；在可溶巖地層時,可能產生巖溶滲漏,庫盆由石灰巖、石膏等可溶巖構成,巖溶洞穴、管道及溶蝕裂隙形成滲漏通道。

(五)水文地質條件。庫盆無隔水層或相對隔水層封閉,且低于正常蓄水位時,可能存在水庫滲漏；庫區地段河水補給地下水或天然河床已向鄰谷漏水,則水庫蓄水后加劇水庫滲漏。

(六)防滲材料條件。水庫防滲方案通常包括粘土心墻、瀝青混凝土心墻、混凝土防滲墻。

1.粘土心墻：粘土要求黏粒含量15%～40%,塑性指數10～20,滲透系數≤1×10-5cm/s,有機質含量≤2%,水熔巖含量≤3%,天然含水率與最優含水率的允許偏差±3%。粘土作為防滲材料,來源充足,購買比較廉價,同時柔性好,在地基不均勻沉降時依然可以保證防滲體的有效性。但粘土壓實度要求高,應分層壓實,粘土心墻周邊應做好防白蟻措施,防止蟻蛀心墻。

2.瀝青混凝土心墻：瀝青混凝土心墻分碾壓式及澆筑式,碾壓式瀝青混凝土心墻孔隙率應≤3%,滲透系數≤1×10-3cm/s,水穩定系數≥0.9,瀝青含量6%～7.5%,粗骨料最大粒徑≤19mm。澆筑式瀝青混凝土心墻孔隙率應≤2%,滲透系數≤1×10-8cm/s,水穩定系數≥0.9,瀝青含量9%～13%,粗骨料最大粒徑≤26.5mm。瀝青混凝土作為防滲材料,在施工過程中可以快速鋪筑,節省施工時間。但瀝青混凝土心墻溫度穩定性弱,在溫度變化較為強烈時有產生貫穿性裂縫可能。堤防與瀝青混凝土的連接部位可能產生不均勻沉降,造成瀝青混凝土心墻塌坑或斷裂。

3.混凝土防滲墻：混凝土防滲墻多用于松散的砂卵礫石層或其他堆積層防滲。混凝土防滲墻按墻體材料的物理力學性質有剛性材料和塑性材料兩種,剛性材料有滲少量粘土或粉煤灰的混凝土、素混凝土和鋼筋混凝土等,其抗壓強度在5.0～50mpa之間,變形模量在10～40Gpa之間。剛性混凝土防滲墻常用在高水頭、抗水力沖刷和滲透比降大、具有承載功能的防滲結構中。塑性混凝土防滲墻具有較好的柔性,能適應地基的變形,但墻體力學強度不高,多用于圍堰體的防滲。混凝土防滲墻在施工過程中速度快、無污染、造價低、工藝成熟。

(七)施工技術條件。水庫大壩防滲施工主要是壩基開挖及處理、帷幕灌漿、壩體填筑、防滲心墻施工,壩體養護。

1.壩基開挖：壩基采用機械配合人工按照圖紙要求進行開挖,需挖至可靠基巖面。當松散層不厚時,可全部大開挖清除,將壩體坐落在其下的可靠基巖及不透水巖層之上,若松散層較厚,大開挖清基工作量太大,則可采用帷幕灌漿、截水墻、做鋪蓋等方式防滲。壩基開挖完成后,對需處理的破碎帶,采用風鎬輔以人工開挖。

2.帷幕灌漿：灌漿材料、灌漿壓力、灌漿方法、帷幕深度、厚度、排數應嚴格按照要求進行,做好為灌漿過程的中間檢查和灌漿結束后的最終檢查。

3.壩體填筑：壩體填筑應采用“鋪漿法”,順墻面線支設好坡度架,沿著坡度架雙面均拉準線。施工前,先做碾壓試驗,確定機具、碾壓遍數、鋪土厚度、含水量、土塊限制直徑,以保證碾壓質量達到設計要求。分段碾壓,各段應設立標志,以防漏壓、欠壓、過壓。

4.防滲心墻施工：粘土、瀝青、混凝土的質量必須符合規范要求,心墻應滿足防滲、適應變形、耐久等性能。心墻與基礎、岸坡等剛性建筑物連接部位之間應做好防滲設計。碾壓粘土時,碾壓機器,碾壓參數必須跟試驗一致,粘土應保持清潔,不能含有樹根等雜質,粘土堆放在外應采取覆蓋措施；采用瀝青混凝土心墻時,混凝土的厚度應根據壩高、工程級別、抗震要求和施工條件等決定,心墻厚度采用漸變式或階梯式,心墻頂部厚度≥40cm,頂部應設保護層。心墻兩側應設過渡層,壓實后的過渡層應具有變形協調、滲透穩定性。對重要的瀝青混凝土心墻土石壩,應進行應力應變分析,應力應變參數應通過試驗確定；混凝土防滲墻一般在壩基上應進入弱風化基巖為0.5～1m,當深度過大時,可考慮設計注漿帷幕形式,遇到的地基為不透水巖層時,可使用兩邊的墻壁帷幕灌漿,在底部進行施工。總之減少墻的數量和連接的接縫。對水泥,沙石的質量和等級要認真把關,提高原材料的把關率,在混凝土的配比中先采取試拌,摻加入一定量的粉煤灰改善混凝土的整體和易性,提高抗侵蝕能力。

三、應用實例

(一)工程概況

白乃水庫位于大理州巍山縣中南部,五印鄉白乃塘村,鼠街河上游,是一座為解決農村安全飲水和農田灌溉的新建中型水庫,總庫容1136.5萬m3,壩高79.2m,初設階段推薦壩型為瀝青心墻風化料壩。目前,水庫已進入施工階段。

(二)設計至施工階段預防水庫滲漏

1.壩址選擇：白乃水庫壩址位于洱源—彌渡與維西—喬后活動性斷裂間,構造穩定情況及地震受其控制和影響,工程大壩樞紐區地震動峰值加速度為0.20g,動反應譜特征周期為0.45s,相應地震基本烈度為Ⅷ度,區域穩定性較差。白乃水庫東部存在低鄰谷,水庫東部與巍山盆地西河低鄰谷相隔,水庫左右岸與東低鄰谷間山體寬厚,分布有較厚的隔水巖層,庫周地下分水嶺水位遠高于庫水位,屬于水庫的徑流補給區,不會產生左右岸及東部的低鄰谷滲漏問題；壩址存在松散層、基巖風化裂隙帶滲漏問題,可以通過壩肩、壩基清基及帷幕灌漿防滲處理解決。水庫壩址和庫區具備筑壩蓄水建庫的水文地質條件。

2.防滲材料選擇：對工程方圓55km范圍調查走訪心墻防滲土料,對可能有價值的土料場進行了大量的工作,最終未找到理想的防滲土料。因此選擇采用瀝青混凝土心墻風化料壩,優點是不采用當地心墻防滲土料建材,不存在地表植被擾動破壞問題；缺點是白乃水庫工程壩高達79.4m,壩長達390.5m,壩址區域構造穩定性差,周邊地震頻發,地震基本烈度為Ⅷ度,都給薄層、超長、超高的瀝青混凝土心墻的可靠性帶來不利因素,運行維護難度大。

3.清基及灌漿要求：心墻部位清基。考慮瀝青混凝土防滲墻基礎變形要求高,左、右壩肩和河床段均清至基巖,結合槽要求截入基巖1.5m以上。壩殼部位清基。左、右壩肩部位岸坡清至基巖面。兩壩肩、基巖強～弱風化層為中等透水層,存在壩肩及壩基繞滲問題,需對壩基、壩肩進行帷幕灌漿處理。防滲底界灌漿帷幕進入透水率q＜5Lu相對隔水層1段3～5m確定,平面防滲邊界以水庫正常蓄水位與地下水位或相對隔水邊界交點確定,左壩端左延約70m,右壩端右延約62m。

四、結語

水庫在設計階段,對壩址的選擇應綜合考慮工程地質、水文地質、防滲材料質量等因素,要盡量避開可能導致水庫滲漏的各種不利因素。在施工階段,要按照設計及相關技術要求,做好大壩的清基、灌漿及填筑工作。