諸城市三里莊水庫大壩防滲工程設計

王棟梁 李秀香

1.諸城市密州水庫運營維護中心 山東諸城 262200；2.諸城市水庫運營維護中心 山東諸城 262200

我國擁有眾多的水庫，并分布在各地，其主要的功能包含灌溉農田、防洪、提供生活用水，甚至大型的水庫還具備發電功能。然而水庫在運行多年之后，因各種因素導致滲漏問題，這將存在諸多隱患，所以在水庫運行維護中要重視防滲、加固工作，保證水庫能充分發揮其作用。

1 工程任務與規模

三里莊水庫除險加固的任務是通過對主壩、西副壩壩體及壩基采取防滲措施，西副壩局部段加高等除險加固措施后，使三里莊水庫達到設計洪水標準，滿足城市供水及河道生態用水要求[1]。除險加固后三里莊水庫功能仍然為防洪為主，兼顧供水及生態環境。

2 加固設計

2.1 大壩加固

2.1.1 防滲加固

主壩全壩段、西副壩0+000—2+390采用塑性砼防滲，墻頂高程為76.00m，墻底嵌入基巖面以下1.0m，防滲墻軸線距離上游壩肩4.0m。

2.1.2 壩頂改建

對主壩0+000～0+430、西副壩0+000～2+400、2+900～3+600路面、路基拆除改建。對西副壩2+400～2+900、3+600～4+500段瀝青混凝土路面面層拆除改建。將原壩頂防浪墻壓頂石拆除，更換為花崗巖壓頂石，新壓頂石寬60cm，厚度15cm。同時改建壩頂上游側人行道，將其高程提高15cm。

2.1.3 西副壩4+500-4+900段加高設計

西副壩樁號4+500～4+900段壩頂高程為72.63～75.07m，不能滿足防洪要求，本次除險加固予以加高。加高后壩頂結構同其他壩段，加高部位壩體采用壤土壓實，設計壓實度0.97。上游壩坡采用生態袋護坡，下游采用草皮護坡。

2.1.4 下游壩坡加固

對下游壩坡采取修坡處理。拆除重建原壩坡排水溝，重建后橫向排水溝間距50m，采用砼U型槽結構。新建壩腳貼坡排水，采用預制砼板，下設碎石、土工布及中粗砂墊層。

2.2 大壩防滲加固范圍

2.2.1 防滲加固方案擬定

該壩段滲漏嚴重，多處出現滲透破壞，對壩體及壩基覆蓋層防滲加固，防滲深度一般為15-20m，選取以下兩種可行方案進行比較：

方案一：塑性混凝土防滲墻與方案

（1）工程布置。防滲墻利用壩頂作為施工平臺，軸線距離上游壩肩4.0m，防滲墻頂高程確定為76.00m，墻底嵌入基巖面以下1.0m。

（2）墻體材料。由于塑性砼防滲墻彈模低，對壩體變形適應性強，近來工程中用的較多。

每立方米塑性混凝土各種材料用量見表1。

表1 每立方米塑性砼各種材料用量表

（3）墻體厚度。塑性砼防滲墻允許水力坡降采用60，本工程最大水頭差16.4m，由此計算得：墻厚應為27cm。綜合考慮施工機具、墻體壽命、孔斜率、工程投資等因素，確定本工程砼防滲墻取30cm厚。

（4）穿壩建筑物處的防滲處理。東放水洞位于主壩0+000，西放水洞位于西副壩1+090，兩座放水洞已廢棄且位于大壩防滲范圍內，本次除險加固結合大壩混凝土截滲墻施工，采用沖擊鉆將現有涵洞洞頂擊穿，然后向洞內灌注混凝土予以封堵。

方案二：高壓擺噴灌漿方案

（1）工程布置。該方案防滲軸線布置同方案一，防滲墻利用壩頂作為施工平臺，軸線距離上游壩肩4.0m，防滲墻頂高程確定為76.00m，墻底嵌入基巖面以下1.0m。

（2）設計參數。①墻體滲透系數K小于1×10-6 cm/s；②抗壓強度大于2MPa；③兩序孔施工，墻體厚度不小于0.3m，鉆孔間距為1.2m；④水灰比控制在1.5:1～0.6:1；⑤施工參數參照規范《水利水電工程高壓噴射灌漿技術規范》DL/T5200-2004高壓噴射灌漿施工參數表9.0.3具體參數根據現場試驗作相應調整。

方案比選

以上兩種防滲處理措施，技術上均可行。

2.2.2 混凝土防滲墻方案優缺點

優點：①成墻完整連續，質量有保證，防滲效果較好。成墻的滲透系數K值能夠滿足小于10－6cm／s的要求。由于可靠性高，在山東省應用廣泛，具有豐富、成熟的施工經驗。如淄博市的太河水庫壩基截滲、濰坊市牟山水庫壩基截滲、煙臺市龍角山水庫大壩截滲等，防滲效果顯著。②屬于置換式處理措施，工藝可靠，便于檢測。

缺點：成墻施工需要泥漿固壁，如遇流砂需要加強管理；砼防滲墻施工速度較慢，工期較長。

高噴方案優缺點如下

優點：高噴施工設備簡單、工效高。

缺點：粘性土不宜采用高壓定噴工藝。經查閱有關資料，由于粘性土具有一定的粘結強度，在這類土層進行高噴灌漿破土過程中不易被破碎，常常有大量土塊包夾在高噴灌漿所形成的凝結體中，由于定噴中部所形成的漿液凝結體較薄，達不到設計厚度，這些部位如果包夾較大土塊，就會在這些地方形成防滲墻上下游貫通的漏水通道。

另外，高噴漿液在飽和粘土中不易凝結，這些現象已在山東和山西一些高噴灌漿防滲工程的開挖和取樣試驗中證實。

2.3 結論

三里莊水庫需進行截滲處理土層主要是壩體及壩基壤土、土質砂礫石和中粗砂等，高噴漿液在飽和粘土中不易凝結，且在土質砂礫中防施工難度大，難以保證防滲效果；且相同成墻厚度情況下投資較大。塑性砼防滲墻適用于各種土層，截滲效果有保證，且投資較省。因此，本次大壩截滲處理采用混凝土防滲墻方案。

2.4 壩頂加固設計

2.4.1 壩頂道路改建

（1）主壩0+000～0+430。現狀問題：現狀壩頂寬14.73～15.19m，其中人行道平均寬2.0m，瀝青混凝土路面寬9.0m，其余為綠化帶。水庫主壩壩頂瀝青路面現狀多存在順壩軸線的縱向裂縫及貫穿性或非貫穿性橫向裂縫。加固措施：主壩壩頂路面裂縫主要由于加寬培厚壩體沉降不均造成的，經過十幾年的時間，壩體已經基本固結穩定，為避免因裂縫對大壩安全造成更大的危害，本次將現狀壩頂瀝青砼路面、路基拆除改建，道路結構仍同原結構。

（2）西副壩0+000～4+500。現狀問題：現狀頂寬14.45～15.16m，，其中人行道寬平均2.5m，瀝青混凝土路面寬9.0m，其余為綠化帶；水庫西副壩壩頂瀝青路面現狀多存在順壩軸線的縱向裂縫及貫穿性或非貫穿性橫向裂縫。西副壩縱向裂縫延續長度可達50m。經統計，西副壩壩頂瀝青路面裂縫較嚴重的路段長700m（樁號2+900～3+600），裂縫寬約0.5～2.0cm不等，同時西副壩裂縫路段存在局部路面不均勻沉降現象，局部沉陷深度可達5cm。加固措施：西副壩壩頂路面裂縫主要也是由于加寬培厚壩體沉降不均造成的，經過十幾年的時間，壩體已經基本固結穩定，為避免因裂縫對大壩安全造成更大的危害，本次將裂縫較嚴重的路段（樁號2+900～3+600）瀝青砼路面、路基拆除改建，道路結構仍同原結構，即：面層為3cm細粒式瀝青砼+5cm中粒式瀝青砼，基層為15cm水泥穩定碎石+15cm12%石灰土+15cm10%石灰土。

（3）結合大壩防滲墻施工，西副壩0+0000～2+400壩段壩頂路面、路基拆除重建。綜上所述，本次除險加固對主壩0+000～0+430、西副壩0+000～2+400、2+900～3+600路面、路基拆除改建，根據諸城市城市交通規劃，西副壩壩頂道路不再作為城市交通道路，改建后壩頂道路參照四級公路標準，路面寬度為7m，即：面層為3cm厚細粒式瀝青混凝土（AC-13C）上面層+5cm厚中粒式瀝青混凝土（AC-20C）下面層，基層為15cm厚水泥穩定碎石上基層+15cm厚水泥穩定碎石下基層，在路面兩側設置路緣石。對西副壩2+400～2+900、3+600～4+500段瀝青混凝土路面面層拆除重建。

2.4.2 防浪墻壓頂石更換

（1）存在問題。現狀防浪墻壓頂大理石體積小重量輕，極易被損壞，多次修補后的防浪墻壓頂石外觀參差不齊，影響工程安全與美觀。建議更換為規格較大防浪墻壓頂石，防止人為損壞。

（2）加固措施。將原壓頂石拆除，更換為花崗巖壓頂石，新壓頂石寬60cm，厚度15cm，頂部兩側做抹角。

2.4.3 人行道改建

（1）存在問題。現狀壩頂上游人行道平均寬度2.5m，為磚砌結構，坑洼不平，隔一定距離在防浪墻根部設置了排水篦子，壩頂積水通過人行道排向庫內。

（2）加固措施。將現有人行道抬高，頂面高出壩頂高程15cm，寬度平均3.5n，面層為3cm花崗巖火燒板，下設20cm碎石墊層。

2.4.4 西副壩4+500-4+900段加高設計

西副壩樁號4+500-4+900段壩頂高程為72.63～75.07m，不能滿足防洪要求，本次除險加固予以加高。

加高后壩頂高程同其他壩段，均為76.50m，漿砌石防浪墻頂高程為77.70m。壩頂瀝青砼路面寬度9m，道路結構仍同其他壩段，即：面層為3cm厚細粒式瀝青混凝土（AC-13C）上面層+5cm厚中粒式瀝青混凝土（AC-20C）下面層，基層為15cm厚水泥穩定碎石上基層+15cm厚水泥穩定碎石下基層，在路面兩側設置路緣石[2]。加高部位壩體采用壤土壓實，設計壓實度0.97，滲透系數應滿足規范要求，即不大于1E-4cm/s，施工期應通過碾壓試驗確定壓實指標和最優含水率。壩頂上游側人行道寬1.95m，面層為3cm花崗巖火燒板，下設20cm碎石墊層。

新建壩段上游壩坡采用生態袋護坡。興利水位以下生態袋以下裝填中粗砂，興利水位以上裝填砂土，配合比為中粗砂：粘土=9：1，攙和蘑菇肥以利植被生長，有機肥加入量按3公斤/平方米。植被采用狗牙根、高羊毛、麥冬、蘆葦。植被養護期一定要保證澆水量和澆水次數。生態袋材料握持抗拉強度為335N，等效孔經O95為0.20。

下游采用草皮護坡。下游坡面設排水溝，排水溝間距50m，采用砼U型槽結構，排水溝深度為0.30m，寬度為0.40m。壩腳設貼坡排水，壩腳貼坡排水深度1.0m，寬度1.0m，自內而外的結構型式依次為厚0.10m中粗砂、300g/m2土工布、厚0.10m碎石墊層（粒徑1-3cm）、最外層為厚0.1mC30砼連鎖預制板。

2.4.5 下游壩坡加固設計

現狀主、西副壩壩后坡縱、橫向排水溝損壞，且縱向排水溝不全。本次除險加固將原排水溝改建，改建后橫向排水溝間距50m，采用砼U型槽結構，排水溝深度為0.30m，寬度為0.40m。本水庫大壩為3級低壩，上下游水頭差小，根據山東省同類工程的成果經驗，下游壩腳設貼坡排水做法如下：排水體深度1.0m，寬度1.0m，自內而外的結構型式依次為厚0.10m中粗砂、300g/m2土工布、厚0.10m碎石墊層粒徑1-3cm）、最外層為厚0.1mC30砼連鎖預制板。中粗砂、碎石等反濾料和排水體料應級配良好，粒徑小于0.075mm的顆粒含量不應超過5%。

2.4.6 大壩觀測自動化系統

水庫大壩共設置13個測壓管斷面。

（1）主壩：設0+150、0+250、0+350三個滲流觀測斷面，每個斷面3根測壓管；

（2）西副壩0+100、1+100、2+400、3+600、4+700，共8個斷面，各設3根測壓管。

大壩安全監測自動化的主要內容是滲流監測自動化。整個共設有13個監測斷面，每個監測斷面布置3個滲壓測點。觀測設備采用振鉉式傳感器，每監測斷面配置MCU智能模塊、網絡交換機及電源管理模塊，實現對該斷面的自動測控。各斷面的測控單元通過壩頂布設的傳輸光纜、網絡交換機組成一個現場監控網絡。通過光纖網絡等引至管理區中控室監控主機，實現大壩安全滲流監測的自動化。系統裝設相應防雷設施。電纜、光纜敷設于壩頂電纜溝內。

3 效益與經濟評價

經財務評價計算，該工程經濟內部收益率為12.61%，經濟凈現值為4392萬元，經濟效益費用比為1.53。由計算的各項指標值可以看出，經濟內部收益率大于社會折現率8%，經濟凈現值大于零，經濟效益費用比大于1.0。因此，從國民經濟盈利能力分析來看，工程在經濟上是合理可行的。分別設定費用增加10%；效益減少10%幾種情況，進行敏感性分析，在設定的浮動范圍內，各項經濟指標仍能滿足要求，可見工程具有一定的抗風險能力。工程年均總成本費用為824萬元。三里莊水庫的主要效益為防洪效益，兼顧供水效益。因此，為保障工程的正常運行和水庫管理單位的良性運作，在水庫管理單位無力全部解決年運行費用的情況下，建議由地方財政給予補貼，或根據有關規定向水庫保護區內重點廠礦企業收取防洪保護費用，多渠道籌集年運行費用。工程實施以后，能夠確保三里莊水庫的安全運行，水庫的防洪、供水、生態等方面的社會效益和經濟效益顯著。

4 結語

總而言之，對三里莊水庫大壩防滲工程設計，不僅可以水庫安全隱患，還可以保證水庫的綜合效益能正常發揮。