鎮(zhèn)海水庫大壩塑性砼防滲墻設計要點分析

趙健彬

（江門市科禹水利規(guī)劃設計咨詢有限公司,廣東 江門 529000）

1 工程概況

鎮(zhèn)海水庫庫位于開平市蒼城鎮(zhèn)以北約10 km的潭江一級支流鎮(zhèn)海水的上游,水庫右岸為開平市龍勝鎮(zhèn),距龍勝鎮(zhèn)政府約12.0 km,是潭江最大的支流。流域總面積 1341 km2,河流長度 70 km,區(qū)內地勢西北高東南低,屬山間盆地型水庫。水庫集雨面積 128 km2,河長 32.15 km,平均坡降 0.002,相應庫容10962×104m3,總庫容1.0962億m3,是一座以灌溉為主,結合防洪、供水、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型水庫,屬于Ⅱ等水利水電工程,主要建筑物為 2 級,次要建筑物為3級[1]。大壩均為均質土壩,壩頂高程30.30 m,最大壩高18.6 m,壩頂寬7.00 m,防浪墻頂高程為31.20 m。上游壩坡為干砌石護坡,20.65 m 高程以上坡率1∶2,20.70 m ,高程以下坡率1∶3。下游壩坡高程23.00m 處有一寬2.00 m的戧臺,戧臺以上壩坡1∶2.5,以下1∶2.75。下游反濾體頂高程15.00 m,內坡1∶1,外坡1∶1.5。

由于鎮(zhèn)海水庫興建于1958年,受當時施工條件、材料、及技術等因素的制約,現狀水庫大壩的壩體、壩基存在嚴重滲漏問題,大壩樁號0+012～0+288段整個壩段滲漏嚴重,整體滲漏量高達 1.627 L/s,極易發(fā)生壩坡散浸、壩體滑坡等險情。為了提高壩體、壩基的防滲性能、保證大壩安全,需對鎮(zhèn)海水庫大壩進行防滲加固處理。

2 大壩防滲加固設計

2.1 大壩防滲加固方案比選

根據鎮(zhèn)海水庫大壩滲漏情況,本次大壩防滲選取了高噴灌漿、充填灌漿以及）塑性砼防滲墻等3種防滲加固設計方案進行比較,各方案如下：

2.1.1 高噴灌漿（方案一）

方案一是直接對壩體進行高噴灌漿,主要布置在原壩軸線上,采用1排高壓噴射灌漿（三管高壓旋噴+擺噴搭接灌漿,擺噴角為30°）,終孔孔距1.20 m,灌漿孔伸至壩基全風化粉砂巖層或強風化粉砂巖層不少于1 m。

2.1.2 充填灌漿（方案二）

方案二是直接對壩體進行充填灌漿,通過在沿距原壩軸線上、下游1.0 m處各布置一排充填灌漿孔,排距2.0 m,孔距2.0 m,按梅花型布孔[2],灌漿孔伸至壩基全風化粉砂巖層或強風化粉砂巖層不少于1 m。

2.1.3 塑性砼防滲墻（方案三）

方案三主要擴寬壩頂路面后澆筑塑性砼防滲墻,墻軸線布置于壩軸線上游0.5 m處,與壩軸線平行,墻體厚度設計為500 mm,墻頂高程為29.50 m,墻底進入壩基全風化粉砂巖層或強風化粉砂巖層不少于1 m。

2.1.4 方案比選

根據鎮(zhèn)海水庫大壩全壩段都存在不同程度度的滲漏情況,對上述3種防滲加固設計方案進行綜合比較（見表1）。

表1 大壩防滲處理方案綜合比較

從表1綜合比較可以看出,高噴灌漿（方案一）防滲效果雖好,但由于擺噴鉆孔處是薄弱部位,施工質量不易控制,且施工周期長、造價高,故不建議采用方案一；充填灌漿（方案二）工程造價低,但長期使用防滲效果較差,施工周期長,質量不易控制,故不推薦使用；塑性砼防滲墻（方案三）雖要求施工場地開闊,但該方案長期防滲效果較好、能長期發(fā)揮防滲作用,且施工周期短,價格較低,故推薦選用塑性砼防滲墻（方案三）作為大壩防滲加固設計方案[3]。

2.2 塑性防滲墻設計

2.2.1 防滲墻布置

根據鎮(zhèn)海水庫大壩滲漏情況,本次在大壩壩體（樁號0+012～0+288段）設計一道塑性砼防滲墻,軸線位于壩軸線上游0.5 m處,與壩軸線平行。考慮市場通用的施工機械設備開槽寬度均大于0.4 m,本工程設計塑性砼防滲墻厚度為0.5 m,墻頂高程為29.50 m；墻底進入全風化粉砂巖層或強風化粉砂巖層不少于1 m。

2.2.2 防滲墻設計指標

參考以往設計經驗,結合大壩實際情況,本工程塑性混凝土防滲墻設計指標為：28 d的抗壓強度為3 MPa～5 MPa,滲透系數≤1×10-6cm/s,彈性模量小于2000 MPa。根據《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術規(guī)范》（SL 174-2014）相關規(guī)范,塑性混凝土防滲墻應保證 28 天指標滿足設計要求。

2.2.3 墻體材料配合比設計

由于塑性混凝土具有較強的柔韌性,能夠承受地基的變形,減小墻體應力,使墻體不易開裂。因此,本工程在選擇墻體材料時,可以選用塑性混凝土作為防滲墻的墻體材料。考慮到工程施工工期的迫切性,塑性混凝土的配合比為：水泥218 kg（42.5級普通硅酸鹽水泥）,砂917 kg,碎石594 kg,膨潤土100 kg,水320 kg,減水劑3.25 kg,施工方應配置合適的配合比,使防滲墻達到設計指標的要求。

3 計算結果分析

3.1 滲流穩(wěn)定計算

根據鎮(zhèn)海水庫壩體加固后的情況,本次滲流計算選擇大壩（樁號0+158與樁號0+194）典型斷面進行計算,見圖1、圖2。

圖1 樁號0+158大壩滲流計算典型斷面示意圖

圖2 樁號0+194大壩滲流計算典型斷面示意圖

本次滲流計算參數按照確定的滲透系數取值選取,見表2。

表2 大壩滲流計算滲透系數選取表

根據《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL 274-2020）,大壩滲流按下列幾種工況進行計算：

工況一：水庫水位為正常蓄水位25.81 m的情況；

工況二：水庫水位為設計洪水位27.27 m（P=1%）的情況；

工況三：水庫水位為校核洪水位28.36 m（P=0.05%）的情況；

工況四：水庫水位為校核洪水位28.36 m降至正常蓄水位25.81 m的情況。

本次滲流分析利用河海大學工程力學研究所研發(fā)的“水工結構分析系統(tǒng) AutoBANK v7.7”軟件,計算方法采用有限元法,大（樁號0+158與樁號0+194）各工況下滲流穩(wěn)定計算結果見表3、表4。

表3 樁號0+158大壩滲流計算成果表

表4 樁號0+194大壩滲流計算成果表

從表3、表4滲流計算結果可以看出,大壩在各種工況下逸出段的滲透比降均小于允許水力比降,大壩加固后滲流安全滿足現行規(guī)范要求。

3.2 抗滑穩(wěn)定計算

鎮(zhèn)海水庫大壩的壩體、壩基塑性砼防滲墻施工后,還需對其抗滑穩(wěn)定性進行復核,穩(wěn)定系數按下列公式進行計算：

式中：W為土條重量；V為垂直地震慣性力（向上為負,向下為正）；u為作用于土條底面的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；b為土條寬度；R為圓弧半徑；c'、φ'為土條底面的有效應力抗剪強度指標；Mc為水平地震慣性力對圓心的力矩[4]。

本次復核采用簡化畢肖普法,計算參數選取物理力學參數建議值,計算工況按下列幾種工況進行計算：

工況一：水庫水位為正常蓄水位25.81 m的上下游坡；

工況二：水庫水位為設計洪水位27.27 m（P=1%）的上下游坡；

工況三：水庫水位為校核洪水位28.36 m（P=0.05%）的下游坡；

工況四：水庫水位為校核洪水位28.36 m降至正常蓄水位25.81 m的上游坡。

本次主要采用簡化畢肖普法計算穩(wěn)定滲流期樁號0+158與樁號0+194壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數,經計算,在各種工況下,大壩抗滑穩(wěn)定安全系數均滿足現行設計規(guī)范的要求。計算結果見表5、表6。

表5 樁號0+158壩坡穩(wěn)定安全系數成果表

表6 樁號0+194壩坡穩(wěn)定安全系數成果表

3.3 防滲墻厚度復核

考慮到防滲墻厚度關系到整個墻體的抗?jié)B性能及柔韌性能,在工程施工完成后,還需參考《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（SL 274-2001）相關規(guī)范,按照防滲墻破壞時的水力坡降進行計算塑性砼防滲墻厚度T,計算公式如下：

式中：ΔH為作用在防滲墻上的最大水頭差,m；J為防滲墻滲透破壞允許坡降,塑性砼防滲墻取30。

從滲流穩(wěn)定計算結果得知,大壩在正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位3種工況下,在防滲墻上的最大水頭差分別為：ΔH1=7.83 m、ΔH2=8.84 m、ΔH3=9.51 m,經計算,塑性砼防滲墻厚度T≥0.324 m。根據《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術規(guī)范》規(guī)定,防滲墻施工時孔斜率允許不大于0.4%,本工程按墻體最大深度31.98 m計算,允許寬度為0.128 m,設計防滲墻最終厚度T≥0.324+0.128=0.452 m時可滿足設計要求,因此,本工程設計塑性砼防滲墻厚度為0.5 m滿足設計要求[5]。

4 結語

鎮(zhèn)海水庫大壩的壩體、壩基滲漏嚴重,如不及時進行防滲加固,極易引發(fā)脫坡、流土以及壩體滑坡等險情,危及水庫安全運行。為了提高大壩安全穩(wěn)定性及防滲性能,擬定了3種防滲加固設計方案,經綜合對比,最終選取塑性砼防滲墻防滲加固方案。該方案施工完成后,經滲流穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定及防滲墻厚度復核計算,結果均滿足設計要求。可見,鎮(zhèn)海水庫大壩修建塑性砼防滲墻后,不僅從根本上解決了大壩壩體、壩基滲漏隱患,同時還保障了平市市蒼城、沙塘、長沙、月山、水口等五個鎮(zhèn)人民生命財產安全。