曹家塘壩防滲加固及護坡方案比選

張 宇

(山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250000)

1 引言

水庫滲漏問題是制約水庫各項效益的一個重要因素[1-3]。針對這類型水庫采取防滲加固治理是十分必要的[4-6]。以曹家塘壩為例，對大壩防滲加固工程進行分析。

曹家塘壩，位于鄒平市西董鎮任家峪村附近，攔河而建，始建于1977年，流域面積1.93 km2，干流長度1.799 km。曹家塘壩工程規模為小(2)型，水庫死庫容為0.34×104m3，興利庫容1.29×104m3。設計洪水標準為10 a一遇，相應庫容2.82×104m3；校核洪水標準為50 a一遇，相應庫容3.14×104m3。經過滲流復核，曹家塘壩目前主要存在以下問題：壩體、壩基滲透系數較高，出逸比降、大壩滲漏量較大，不滿足相關規范要求。

2 防滲加固方案比選

2.1 地質條件

2.1.1 庫區工程地質

壩址區地處河谷地貌，河谷底部高程一般在225.0 m～242.0 m，巖性以卵石、碎石土為主。由于地形坡降較大，河流源短流急，漫灘、階地不發育，河谷地貌主要由河床組成，河床寬約30.0 m～40.0 m，河床巖性主要由沖積洪積的卵石及下伏的碎石土組成。

2.1.2 壩基工程地質

②-1層黃土狀土(Q3alp)：黃褐色、硬塑，孔隙發育，含鈣質結核，白色鈣質條紋，含少量砂粒、礫石。根據室內試驗，該層黃土狀壤土濕陷系數δs為0.008～0.070，具輕微～中等濕陷性，濕陷起始壓力為4 kPa～44 kPa，其濕陷系數、濕陷起始壓力隨深度變化無明顯規律，為非自重濕陷性黃土。作為夾層分布于②層碎石土中。

②層碎石土(Q3alp)：雜色，中密，稍濕～飽和，直徑一般6.0 cm～20.0 cm，磨圓度一般，局部碎石已風化。碎石含量一般30%～50%，局部高達70%。母巖巖性以安山巖、玄武巖為主。整個壩基均有分布，層厚14.9 m～26.90 m，層底高程209.09 m～214.09 m。動力觸探擊數16～20擊。

壩基及庫岸分布地層均為②層碎石土及②-1層黃土狀土，根據現場注水試驗資料其滲透系數為2.55×10-4cm/s～5.88×10-4cm/s，壩后河床抽水試驗其滲透系數為1.65×10-4cm/s，平均值3.48×10-4cm/s，大致平均值為5.07×10-4cm/s，具中等透水性，塘壩壩基及庫岸存在一定的滲漏問題。

2.2 截滲方案分析

通過前述地質分析，新建塘壩庫區及壩基均存在滲漏問題，需采取經濟合理的截滲方案處理。壩基防滲方案分兩大類：一類是垂直截滲，一類是水平防滲。

2.2.1 方案一：垂直截滲方案

垂直截滲的方法較多，主要有垂直鋪膜、深層攪拌樁、混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿防滲墻、振動切槽防滲板墻等。按防滲體形成原理不同，可分為防滲材料置換式和介入式。置換式是指利用防滲材料代替原狀地基材料，如薄混凝土防滲墻、振動切槽防滲板墻、垂直鋪塑等，一般需采取機械成槽后，再施工防滲體。介入式是指采用防滲材料對原狀地基直接改良使之具備防滲功能，如高噴板墻、深層攪拌樁等。

垂直鋪塑方案：適用于防滲深度一般不大于12 m，根據本工程的截滲深度及技術要求以及國內類似工程施工經驗，垂直鋪塑方案不適用本工程。

深層攪拌方案：深層攪拌法防滲墻屬于介入式防滲技術，利用水泥做為固化劑，通過深層攪拌機械，在堤身內部將軟土強制攪拌后，由水泥和軟土之間所產生的一系列物理化學反應，使軟土改性硬化成具有整體性、低滲透性和一定強度的水泥土攪拌樁，由水泥土攪拌樁多樁切割搭接形成連續密實的墻體，即水泥土攪拌樁防滲墻。

高壓噴射灌漿防滲墻方案，適用范圍較廣，但易出現開叉、搭接不嚴等現象，對不同土層的施工工藝參數難以把握，施工質量可控性差，無統一的設計、施工規范可遵循，本工程不宜采用。

混凝土防滲墻方案，成墻完整連續，質量有保證，防滲效果較好，有豐富成熟的施工經驗，其滲透系數小于10-7cm/s，缺點是需要優質泥漿固壁，如遇流砂需加強施工管理，工程造價較高。

振動切槽防滲板墻澆筑砂漿時無導管，是在水中澆筑砂漿，澆筑過程中與水振動混合，在地上水庫圍壩中應用較少。

結合本工程情況，比選方案一設計如下：

壩坡采用復合土工膜(兩布一膜)，自上而下分別為：混凝土預制塊護坡厚0.12 m、碎石墊層厚0.1 m、復合土工膜(200 g/m2、PE膜厚0.5 mm、200 g/m2)、中粗砂墊層厚0.1 m。

壩基采用混凝土防滲墻(墻厚0.4 m)截滲，截滲深度為壩基以下24 m，深入基巖1 m。

2.2.2 方案二：水平防滲方案

近幾年，由于庫底鋪土工織物防滲體工藝節省投資、施工方便，已在南水北調工程及其他平原水庫防滲工程中大面積應用。

山區型水庫，地下水位變幅較大，鋪膜截滲，膜下排水排氣問題難以解決，庫區土工膜截滲體發生氣脹、水脹破壞的幾率大，不推薦采用；如庫底采用針刺法鈉基膨脹土防水毯(GCL-NP)，則可解決排水排氣問題。

結合本工程情況，比選方案二設計如下：

壩坡采用復合土工膜(兩布一膜)防滲，自上而下分別為：混凝土預制塊護坡厚0.12 m、碎石墊層厚0.1 m、復合土工膜(200 g/m2、PE膜厚0.5 mm、200 g/m2)、中粗砂墊層厚0.1 m。

庫底采用針刺法鈉基膨脹土防水毯防滲，自上而下分別為：覆土厚0.4 m、4000 g/m2針刺法鈉基膨脹土防水毯(GCL-NP)、庫底土按要求碾壓。

水庫邊坡采用針刺法鈉基膨脹土防水毯防滲，自上而下分別為：混凝土預制塊護坡厚0.12 m，碎石墊層厚0.1 m，4000 g/m2針刺法鈉基膨脹土防水毯(GCL-NP)。

2.3 防滲加固方案比選

通過計算，兩種防滲方案處理后水庫滲漏量及投資對比見表1。

表1 不同防滲型式總滲流量計算成果對比表

經初步估算，水平防滲方案投資約133萬元，垂直截滲方案投資約217萬元。

經比較，水平防滲方案在防滲效果及節省投資上均優于垂直截滲方案。綜合考慮工程成本及防滲效果，確定曹家塘壩采用的截滲方式為水平防滲方案。

壩坡采用復合土工膜(兩布一膜)，自上而下分別為：混凝土預制塊護坡厚0.12 m、碎石墊層厚0.1 m、復合土工膜(200 g/m2、PE膜厚0.5 mm、200 g/m2)、中粗砂墊層厚0.1 m。

庫底采用針刺法鈉基膨脹土防水毯防滲，自上而下分別為：覆土厚0.4 m、4000 g/m2針刺法鈉基膨脹土防水毯(GCL-NP)、庫底土按要求碾壓。

水庫邊坡采用針刺法鈉基膨脹土防水毯防滲，自上而下分別為：混凝土預制塊護坡厚0.12 m，碎石墊層厚0.1 m，4000 g/m2針刺法鈉基膨脹土防水毯(GCL-NP)。

3 護坡方案比選

3.1 護坡方式選擇

現狀上游坡為干砌石護坡，擬將上游拆除石塊石料挑選利用。

根據以往工程經驗和目前技術水平，初步擬定漿砌石護坡、預制混凝土聯鎖塊護坡兩種方案。

3.1.1 漿砌石護坡

采用《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2001)中的公式計算，由波浪壓力大小及波浪等要素確定護坡塊石的粒徑和護坡厚度：

(1)

Q=0.85Q50=0.525ρkD3

(2)

當Lm/hp≤15時，采用：

(3)

當Lm/hp>15時，采用：

(4)

式中：D石塊的換算球形直徑，m；Q石塊的質量，t；D50石塊的平均粒徑，m；Q50石塊的平均質量，t；t護坡厚度，m；Kt隨坡率變化的系數，取Kt=1.25；ρk塊石密度，取ρk=2.4 t/m3；ρw水的密度，取ρw=1.00 t/m3；hp累積頻率為5%的波高，m；Lm平均波長，m。

經計算，砌石厚度為t=0.13 m，考慮到原護坡拆除塊石大小盡可能得到利用，采用漿砌塊石厚度為0.25 m，砌石下面設300 g/m2的土工布墊層和0.15 m厚的碎石墊層。

3.1.2 混凝土聯鎖塊

借鑒其他工程經驗，采用混凝土聯鎖塊護坡。聯鎖塊護坡厚度計算，目前我國尚未出臺相關技術規范，計算公式參考《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274-2001)中的混凝土護坡的公式計算：

(5)

式中：η為系數，裝配式護坡取1.1；ρc護坡的密度(t/m3)，取ρk=2.3 t/m3；ρw水的密度(t/m3)，取ρw=1.0 t/m3；m坡率；hp累計頻率1%的波高。

經計算，混凝土聯鎖塊護坡的計算厚度為8.1 cm，為滿足砌塊制作工藝的要求，本次可取設計厚度為12 cm。

3.2 方案選定

根據計算結果，結合以往工程經驗對漿砌塊石護坡、預制砼聯鎖塊護坡進行論證，并從中擇優，分析比較見表2。

表2 護坡型式方案比選

塊石是常規采用的護坡形式，考慮抗旱調蓄水源工程涉及水庫眾多，且多數水庫壩軸線長，護坡量大，當地石材產地少，料源缺乏。

從保證供料、施工期長短、合理利用資源等多方面考慮，預制砼聯鎖塊更適用小型水庫護坡加固，因此在上游壩坡及庫岸邊坡采用預制聯鎖塊護坡，對水庫入庫庫底斜坡采用漿砌塊石護砌。

4 結論

曹家塘壩在使用過程中出現了不同程度的損毀現象，通過安全復核，大壩現狀滲流計算結果不滿足相關規范要求。因此，亟需采取防滲加固措施。結合庫區工程地質條件和鄰近地區工程經驗，選取水平、垂直兩種截滲方案，通過對比，水平截滲方案具有投資低、地區適宜性強等優勢，作為工程的截滲方案。庫區及大壩邊坡加固采取漿砌石護坡+預制混凝土聯鎖塊護坡相結合的方式綜合處理。可為類似工程提供參考。