液压抓斗法塑性混凝土防渗墙对大坝结构稳定的影响研究

宋兵伟

（大连河海水利水电勘测设计有限公司，辽宁 大连 116021）

1 前言

截止到2005年底，辽宁省包括小型水库在内，全省共有三类病险水库265 座，占全省水库的28.5%，其中大型病险水库13 座，中型水库36 座，小型水库216 座，分别占大、中、小型水库的48%、51%和26%［1]。大规模病险水库的存在，已经严重威胁着下游工农业生产、公路、铁路等基础设施和人民生活财产的安全，加剧了水资源的供需矛盾，严重影响了区域的经济发展、城乡供水、环境效益的发挥，因此加快大、中、小型病险水库的除险加固［2-4]工作刻不容缓。

近年来，国家发展改革委、财政部共安排资金1553 亿元，对2800 多座大中型和6.9 万多座小型病险水库进行了除险加固，切实保障了水库安全，有效发挥了水库防洪、供水、灌溉等综合效益，但是随着时间的推移，许多水库接近或达到设计使用年限，或因超标洪水、地震等原因，工程老化、损毁，仍有部分水库陆续进入病险行列。按照中央要求，对现有病险水库，2025年底要全面完成除险加固，对新出来的病险水库，及时除险加固。而且2020年，我国遭遇了历史上较为严重的洪涝灾害，许多水库尤其是小型水库受到影响，因此加强病险水库除险加固已成当务之急。

2 新房水库工程概况

新房水库座落在庄河市大营镇新房村境内，系新房河流域。新房水库始建于1958年7月，坝址以上集雨面积6.4 km2，坝址以上河长5.56 km，河道平均比降21.56‰。水库总库容为190.03 万m3，是一座以防洪、灌溉为主的小（1）型水库。

根据现场安全检查并结合大坝建设时的原始资料，及建成后的运行情况，水库大坝为粉质粘土心墙坝，心墙顶高程为51.4 m，心墙顶至坝顶为均质坝。

新房水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水洞等工程组成。

大坝为粘土心墙坝，坝长186 m，最大坝高17.42 m，现状坝顶高程55.61 m，坝顶宽4 m，为混凝土路面，防浪墙高0.9 m。大坝上游为干砌石护坡，边坡比1∶2.4、1∶4.4；下游坡为草皮护坡，坡比1∶2.1、1∶2.3、1∶2.0，下游坡脚处有棱体排水体。

水库正常蓄水位为52.01 m，设计洪水标准为30年一遇，相应设计洪水位为54.02 m；校核洪水标准为300年一遇，相应校核洪水位54.83 m。

2019年5 月，新房水库被鉴定为三类坝，其主要问题为大坝的防渗体系不完善，原始资料记载的心墙顶高程低于正常蓄水位，且曾在正常运行工况时下游出现过大面积的渗水现象，因此认为新房水库存在严重的质量缺陷和问题，严重影响了工程安全，工程质量评为不合格。

安全鉴定后，新房水库被列为大连市、庄河市重点病险水库，引起了相关部门的关切和关注。2020年1月，大连市水务局成立专家组对新房水库进行安全鉴定核查，确认了安全鉴定的成果，进一步确认了大坝防渗体顶高程不足，大坝抗洪能力不满足规范要求，水库大坝工程防洪安全性评为C 级；由于防渗体顶高程低于正常蓄水位，且未与防浪墙紧密结合，工程的防渗设施不完善，存在严重质量缺陷，影响大坝安全，因此大坝渗流性态不安全，评为C 级。因此核查建议复核防渗体位置和尺寸后，对其进行除险加固。

3 水文和地质情况

3.1 水文情况

新房水库所在流域内无洪峰流量水文观测站和雨量观测资料，属于无资料地区。依据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44-2006）中规定：可以从经过审批的暴雨统计参数等值线图上查算工程所需历时的设计点暴雨量。

本次设计采用1998年辽宁省水文水资源勘测局编制的《辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法》（以下简称《计算方法》）中集水面积小于300 km2的设计洪水计算方法。

流域面积：F=6.4 km2；河长：L=5.56 km；河道比降：J=21.56‰；水文分区：属于Ⅲ2 区。

调洪计算后，所得到的不同频率时的洪水成果见表1。

表1 水库洪水调节计算成果表

3.2 地质情况

根据水库安全鉴定和核查结论，新房水库的粘土心墙防渗体在大坝内部的位置和尺寸成为除险加固防渗方案的关键。为此庄河宏伟地质勘察工程有限公司在2020年3月30对新房水库除险加固工程进行详细勘察，重点勘查防渗体的位置及连续状态，最终形成地质勘察报告，主要地质情况如下：

（1）新房水库为低山丘陵区，抗震设防烈度为6 度，设计基本地震加速度值为0.05g，地震动反应谱特征周期区划为0.40 s；

（2）坝体部分：砂土（坝壳土）整体碾压较好，质量好，渗透系数平均值k=8.10×10-4cm/s，为中等透水；局部粉质粘土（心墙土）物理力学性质较好，渗透系数平均值k=4.65×10-5cm/s，为弱透水，但其分布极不连续，大坝纵向和横向均未形成连续的防渗体。

（3）坝基部分：砾砂层，透水性好，是坝基的主要渗漏通道；全风化细粒黑云母二长花岗岩透水率7.0 Lu～8.2 Lu，透水性等级为弱透水；坝基岩石强度较大，工程性质良好，稳定性较好，中风化细粒黑云母二长花岗岩透水率为4.3 Lu～7.6 Lu，透水性等级为弱透水。

（4）大坝防渗心墙不连续，在空间上没有规律可循。

4 结构稳定分析

4.1 计算参数及方法

根据地勘报告的成果，结合既有的大坝标准断面资料，分析认为目前大坝无成型粘土心墙防渗体，基本为均质土坝，进而分析现状大坝的渗流和结构稳定性。除险加固方案拟定时，综合比较高喷灌浆、深层搅拌桩［5]、帷幕灌浆法［6]及液压抓斗法塑性混凝土防渗墙方案［7-9]，结合地区实际经验，认为后者具有较高的防渗保证率，防渗效果较好。

塑性混凝土防渗墙方案的坝型及结构示意见图1。由于新房水库位于山区、丘陵区，洪水历时较短，校核水位时不形成稳定渗流，因此计算时仅考虑设计工况（P=3.33%）和正常蓄水位工况，下游水位统一采用最低水位41.70 m。计算方法采用北京理正岩土的渗流及边坡稳定分析软件中的有限单元法。

新房水库校核洪水位为54.83 m，下游水位为41.70 m，最大水头差H=13.13 m，混凝土防渗墙采用C15 塑性混凝土，允许渗透比降J为50，故防渗墙厚应不小于0.26 m，考虑到施工效果和相关工程经验，新房水库的塑性混凝土防渗墙厚度取0.4 m，顶部与C30 素砼坝顶路面进行牢固连接，底部深度至中风化花岗岩以下0.5 m。

图1 新房水库大坝坝型结构示意图（尺寸单位：mm）

结构计算前，已经对大坝防渗加固处理前后大坝的渗流稳定情况进行了分析和计算，其主要结论可表述如下：

1）液压抓斗法混凝土防渗墙能够有效降低大坝的浸润线（见图2）和背水坡出逸点高度，能够减小大坝的渗漏量和出逸点比降。

2）液压抓斗法塑性混凝土防渗墙方案是抑制水库大坝渗漏、提高抗渗稳定性的直接有效方法。

本文的结构计算是基于渗流稳定的计算成果，结合坝体和坝基各岩土层的物理力学指标（见表2）利用有限单元法进行的分析和计算。限于篇幅，本研究仅对背水坡的稳定性进行分析。

表2 计算采用物理力学指标表

4.2 结果和讨论

根据大坝实际土层组成，建立简化的大坝渗流稳定计算有限元分析模型，将坝体和坝基进行有限元网格划分后，施加上游和下游边界条件，输入各土层参数后计算、分析，得到加固前后正常蓄水位和设计水位两种基本工况下结构稳定计算结果见表3 和图2。

表3 防渗加固前、后结构计算结果表

从表2 可看出，新房水库防渗处理［10]前，背水坡在正常和设计工况下抗滑稳定是不满足规范要求的；由于设计水位比正常水位高，设计水位时的浸润线比正常水位时高（见图2），致使设计工况时背水坡的抗滑安全系数较小，稳定性更差；防渗处理后，两种工况下抗滑稳定均满足规范要求，同样可以得出设计工况时，背水坡的抗滑安全系数比正常蓄水位工况偏小。

从图2 可看出，防渗加固前，由于设计洪水位时出逸点位于下游坝坡，正常工况时浸润线未出逸但距离背水坡表面较近，因此其圆弧滑动集中在出逸点以下的饱和土体附近。防渗加固后，由于浸润线的降低，背水坡坝壳料饱和土体减少，圆弧滑动半径增大，安全系数增大，大坝的安全性得到了提高。

图2 新房水库渗流、结构稳定圆弧滑动示意图

5 结语

本文根据新房水库的水文、工程地质条件，在对大坝防渗处理前后渗流计算和分析的基础上，对大坝的结构稳定性利用有限元法进行详细的计算分析，通过对不同工况下的计算成果的比较，得出：

1）液压抓斗法混凝土防渗墙能够有效降低大坝的浸润线，进而增大背水坡结构抗滑稳定安全系数，提高大坝的结构稳定性。

2）对于渗流和结构均不稳定的病险水库大坝，液压抓斗法塑性混凝土防渗墙方案是水库除险加固的直接有效方法。