探究土坝水库均质土坝除险加固防渗设计分析

摘要：渗漏是水库均质土坝常见的质量问题，若不进行合理的除险加固处理，则会威胁到水库大坝的质量安全。为此，本文结合工程应用实例，介绍了水利工程渗漏问题的现状，重点探讨了水库主坝防渗加固设计工作，并阐述了主坝加固后渗流分析计算过程，以供参考。
关键词：水库土坝；渗漏问题；除险加固；防渗设计

我国大多数水库大坝都是以均质土坝为主，这种坝型具有筑坝材料简单、地质条件要求低和抗震性能好等优点，在城乡水利基础设施中有所应用及推广。但是，许多均质土坝容易受到使用年限长、地质条件、人为活动和环境破坏等因素的影响，普遍存在土质混杂、坝基清基不彻底、填筑压实度差等问题，导致均质土坝出现裂缝和渗漏等质量通病，若不进行合理的处理，就会影响到水库正常功能的发挥，甚至造成严重的损失。因此，水库管理人员必须重视均质土坝的除险加固防渗设计工作，制定出符合水库项目实际需要的设计方案，以确保水库的质量安全。

1 工程概况

某水库是一座以灌溉、供水、养殖、防洪等综合利用的小(一)型水库。水库主坝为均质土坝，坝顶长420m，坝顶宽7.0m。于1959年8月建成运行，几十年来一直带病运行，工程安全隐患严重。虽经过多次加固，仍存在安全隐患。均质土坝坝体填土压实度和渗透系数不满足规范要求，坝基岩土渗透系数不满足要求；土样试验结果表明，坝体填土压实度为88%，现场注水试验平均k值为3.68～6.01×10-4cm/s，具中等透水性；坝基强风化层渗透系数大值平均值为3.08×10-3cm/s，属中等透水性；当库水位392.0m时坝脚量水堰处渗流量达25～28L/s，大坝渗漏严重,渗流性态不安全。评定水库大坝安全类别为三类坝。

2 主坝防渗加固设计

2.1 防渗方案比较（见表1）
表1 主坝防渗加固方案比较表
从表1可看出，方案一工程直接费投资比方案二省约28.6％。
塑性混凝土防渗墙方案的最突出优点是技术安全可靠性高，防渗效果更彻底，投资较省，考虑到本工程主坝坝体填筑质量较差，渗透系数较大，下游坝坡长期存在湿润带，混凝土防渗墙方案可较为彻底解决主坝渗漏问题。其缺点是施工速度较慢，施工周期较长。
高压旋喷灌浆方案的主要优点是施工速度较快。缺点是投资较大，施工质量不易控制，目前尚无较好的检查旋喷墙体下部是否连续的方法，而且无论防渗可靠性抑或使用年限均不如混凝土防渗墙。
综上所述，本阶段推荐方案

一、即“坝体塑性混凝土防渗墙+坝基帷幕灌浆”方案。具体布置见图1。

图1 典型剖面坝体塑性混凝土防渗墙+坝基帷幕灌浆布置图

2.2 塑性混凝土防渗墙设计

塑性混凝土是指水泥用量较少，膨润土和(或)粘土掺量较大,三轴弹模不大于1000MPa的特殊

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混凝土。一般坍落度为18～22cm，扩散度为34～40cm，强度为2MPa左右。塑性混凝土具有抗渗性能好,变形模量低,极限应变值大,适应变形能力强等特点。根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》的要求，防渗墙深入基岩0.5～

1.0m，坝基岩层风化较强部位根据实际情况可适当加深。

2.1 防渗墙厚度计算

防渗墙厚度按常规经验公式计算：
式中d——防渗墙厚度，m；
h——墙体最大作用水头；
[J]——墙体允许渗透比降，考虑施工和混凝土老化等因素取[J]=60～80。
经计算，混凝土防渗墙墙体最大作用水头约为64.5m，取[J]=60～80，墙厚计算值为0.806～1.08m，考虑到本坝较长，坝高变化较大，为此取河床坝段墙厚0.8m(坝高超过30m时)，其余墙厚0.6m(坝高在30m以下时)。

2.2 防渗墙的使用年限分析

土石坝混凝土防渗墙承受的渗透比降较大，其使用的耐久性主要受渗流溶蚀作用控制。混凝土防渗墙使用年限可按下面经验公式计算：
式中L——渗径，即墙厚，m。L=0.6～0.8m；
J——通过墙的渗流水力坡降；
k——墙的渗透系数，m/a；k=0.0315m/a(

1.0×10-7cm/s)；

c——混凝土单位水泥用量，kg/m3。取c=242kg/m3；
a——使混凝土强度降低50%时渗过混凝土的水体积，以每kg水泥为单位，m3/kg。
一般情况a=

1.5～8，取a=6。

通过计算，校核工况防渗墙的渗流水力坡降为J=34.586，混凝土防渗墙使用年限T=213～284年。根据GB50199-94《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》，3级壅水建筑物结构的设计基准期应采用50年，可见大坝采用0.6～0.8m厚的混凝土防渗墙能满足50年设计基准期的要求。
塑性混凝土配合比设计
本次设计采用塑性混凝土作为墙体材料。塑性混凝土防渗墙的设计指标为：弹性模量600～900MPa，28d抗压强度大于或等于

2.3MPa，渗透系数小于(1～9)×10-8cm/s。

2.3 塑性混凝土施工

大坝坝体采用0.6～0.8cm厚塑性混凝土防渗墙进行防渗，防渗墙墙底入强风化岩1m。
混凝土防渗墙施工工序为：场地平整→构筑施工平台→铺设轨道→安装钻机施工→终孔验收→下设预埋管及混凝土导管→浇筑防渗墙混凝土。
混凝土防渗墙按槽段分序施工，槽段划分为Ⅰ、Ⅱ序槽段，每个槽段设主孔和副孔。槽段开挖长度根据设备及地质条件确定，一般为5～7m。施工时先施工Ⅰ序槽段，后施工Ⅱ序槽段；同一槽段先施工主孔，后施工副孔。造孔成槽过程中，采用泥浆循环出渣，砂石泵清孔换浆；清孔换浆结束后进行防渗墙混凝土浇筑。
Ⅰ、Ⅱ序槽孔间混凝土墙段连接方式在保证连接段的整体性、完整性和墙体设计指标前提下，可采用规范允许的任一种方式，本设计推荐接头管法。
防渗墙墙体材料为掺粘土混凝土，由0.4m3混凝土拌和机就近拌制，采用泥浆下直升导管法进行浇筑(导管内径250mm)。防渗墙混凝土，可现场拌制。考虑到本项目混凝土浇筑月强度不大，布置集中拌和系统投资大，故不设大型拌和系统。沿混凝土浇筑面附近的两坝肩就近布置0.4m3移动式混凝土搅拌机，混凝土泵车水平运输，平均运距0.3km内。

2.3 坝基帷幕灌浆设计

2.3.1 防渗帷幕设计

(1)帷幕的布置。沿坝轴线分2排布置,下游排为主帷幕,上游排为副帷幕,2排孔交错布置。
(2)排距与孔距。主、副帷幕排距

1.0m,孔距均为5m。

(3)帷幕深度。主帷幕深入基岩8.0m,副帷幕深入基岩下

4.0m。

(4)灌浆标准。透水率小于或等于5Lu。

2.3.2 帷幕灌浆施工

坝基帷幕灌浆在坝体塑性混凝土防渗墙施工后进行，防渗墙混凝土浇筑时预埋钢管以使坝体防渗墙和坝基灌浆帷幕墙轴线一致，最大限度地提高防渗效果，同时方便坝基帷幕灌浆造孔。防渗帷幕深入基岩5Lu线以下5m。
帷幕灌浆采用自上而下分段灌浆法，按试验确定的水灰比施灌，灌浆浆液由稀到浓逐级变换。当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率保持不变而灌浆压力持续升高时，不得变更水灰比。当某一比级灌浆注入量已达300L以上，或灌注时间已达1h，而灌浆压力和注入率均无显著改变时，应换浓一级水灰比浆液灌注，当注入率大于30L/min时，根据现场施工情况可越级变浓。
帷幕灌浆施工时，在规定压力下，当注入率不大于0.4L/min时，持续灌注60min，或不大于1L/min时，继续灌注90min，灌浆即可结束。

3 主坝加固后渗流分析计算

渗流计算采用北京理正渗流计算软件，用有限元法求解渗流水头并计算渗漏流量，渗流有限元分析基本方程：
式中[K]——透水系数矩阵，渗透参数；
{H}——总水头向量；
[M]——单元储水量矩阵；
{Q}——流量向量；
t——时间。
根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》第8.1.2条规定并结合本次鉴定的要求，渗流计算应考虑水库运行中出现的各种不利组合，主坝各工况相应的水位如表2。
表2 主坝渗流计算水位组合表
主坝坝顶总长420m，结合地质钻探孔位和主坝结构特点，选取河床中间的断面高度最大，坝体填料复杂，是最不利断面,作为稳定分析计算的典型断面。各工况渗流计算等势线图见图2，渗流计算成果见表3。
由表3计算及等势线图2可知,坝体经过加固处理后,坝体在不同水位及工况时,下游坝体浸润线降落明显,浸润线高程大大低于加固前时的高程,下游逸出点均位于排水棱体内。坝体填土及混凝土防渗墙在各计算工况下的最大渗透比降均小于允许比降，坝体渗漏量减少明显,均满足规范要求。且主坝加固后各断面总渗流量均比加固前减少约89%，防渗效果明显。
图2 主坝加固前典型剖面稳定渗流分析结果图
表3 主坝加固后典型断面渗流稳定计算成果表
4 结语
水库均质土坝除险加固防渗设计是一项综合性的工作，对水库整体功能的发挥具有重要影响。因此，设计人员应综合考虑水库周围的地质条件及水文条件，选择合适的坝型，并制定出符合实际要求的设计方案。本工程坝体防渗采用塑性混凝土防渗墙与坝基帷幕灌浆相结合的方案取得了较好的防渗效果，同时加固及改建工程使水库功能和效益得到充分发挥，防渗加固效果得到了水利委员会的认可。
参考文献
马志雄.病险水库均质土坝除险加固设计[J].城市建设理论研究.2013年第37期
倪银虎；李涛；高大水.龙须湖水库均质土坝防渗加固设计[J].人民长江.2012年第17期