峡谷型水库坝体渗流原因及防渗方案设计

张玉仁

(甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

近年来，水库坝体稳定性不足、坝体渗漏、泄洪能力不达标等[1]这一系列问题，若不及时地进行有效处理，有可能酝酿成溃坝等重大事故[2]。以泾河中山峡谷水库为研究对象，对该水库的基本地质和工程情况通过注水、压水渗透等一些试验进行研究，并针对性地列出了四种坝体加固的常用方案，结合该水库坝体周围的地质具体条件对方案进行了对比，提出合理的治理方案，为区域发展战略提供水利保障。泾河中山峡谷水库区域地质复杂，包括褶皱、断层、不良物理地质等现象，稳定性较差。水库区为温带大陆性气候，降雨量486mm，且不均匀，集中在7～9月，占据了全年雨量的61%～66%，并且大多以洪水和暴雨为主。而地下水以孔隙水和基层岩的裂隙水为主。根据当地气象站1980～2015年记录资料统计，多年平均气温9℃，最高气温36℃，最低气温-24℃，多年平均蒸发量1440mm。年蒸发量及其分配比，如图1所示。多年平均降雨量485mm，以近三年的统计作为依据，如图2所示。

图1 年蒸发量及分配比

图2 年平均降雨量

2 水库坝体渗流分析

水库透水主要有两种[3- 4]：(1)地层的砂卵石和颗粒石分布都不匀，造成渗透的系数增大，导致了细颗粒向下面的粗空隙移动，上游渗透系数变得更大，水流的损失反而减小，下游的部位就承受更大的水头压力，流土发生造成破坏。(2)下游分布着黏土薄层，流网位势高，细沙层和黏性土发生渗流。两种接触面接触时，产生了接触性流土。

目前坝体渗流的分析评估一般采用的方法是渗流有限元法[5]，选择代表性的断面计算求解：

(1)

(2)

式中，t—坝后水深；H1—上游的水深；m—放坡系数；K—渗透系数；q1和q2—下游、坝体渗流量。

坝体浸润线的方程为[6]：

X=K(H12-Y2)/2q

(3)

绘制流网图，计算出渗透的坡降：

J=ΔH/L

(4)

式中，L—渗流的途径长度；ΔH—上下游的水头差；J—渗透坡降。

经实地勘察表明，坝后与坝体下游的泄洪洞出口的渗漏，通过分析其最主要原因包括：(1)存在着厚度7m左右的松散堆积物分布在坝体表层，下伏基岩分别为砂质泥岩和千峰群砂岩，不容易发生风化，岩体强风化厚度为6～16m，由于断层影响，导致结构面不够完整，所以渗透性特强。(2)坝体的坡度较陡，达到41～46°，机器施工难以实施，因此深入坝体的帷幕灌浆长度太短，仅为19m并且原来的坝轴线在0+172～0+124m段没有进行灌浆的操作。(3)原来在0+174～0+219m段处的坝轴线灌浆较差，没有实质性的堵塞，产生渗流通道，而在1515m以上的高程是中等的透水层，1505～1515m是较弱的透水层。

3 防渗方案设计

3.1 坝体加固方案选择

坝体加固的主要方案目前有以下几种[7- 8]：

(1)固结灌浆

固结灌浆主要是用来提高坝体地基的整体性，同时提高了岩石的整体力学指标[4]。帷幕灌浆是一种常用防渗手段，可以降低地层的透水性。帷幕灌浆是采用特种固化水泥灌浆并且布置三排浆孔，相对来说固结灌浆为大面积布孔，孔不深，压力较小。帷幕灌浆在检查指标方面主要是透水率，而固结灌浆主要方面是声波，以变形模量和压水为辅助。

(2)高压喷射灌浆

可用于砂砾石基和土基，也适用于坝体加固，一般具有混合喷、旋喷和摆喷等几种工艺。根据浆液的高压存在而形成喷射的高速流束，从而达成大幅度提高坝体的防渗能力[5]。

(3)土工膜防渗处理结合黏土斜墙填筑措施

国内外，用到的防渗薄膜主要是高分子化学聚乙烯和聚氯乙烯，主要优势包括：①轻巧，使用简单，便于施工；②土工布由于自身性质的存在，可以较大程度地提高土体的抗变形和抗拉扯能力，从而改善土体结构以增强坝体的稳定性[6]；③具备高透水性，在土水的重大压力下能够继续保持透水性，有效阻截沙土的同时保持回流，承担起了渗透膜的用处；④将聚集在一处的强力有效地分散并传递到别处，防止土体被破坏。

(4)回填防渗墙并进行帷幕灌浆

在坝体的松散地基处造孔，并灌注水泥、黏土，构筑成防渗透建筑，也称为地下连续墙，整面墙是由一个槽段和多个连续墙段建成的。而处在坝体顶部的墙体连接墙体两端和岸上或岸边的底板，从而彻底阻断了地下水，能够大幅度降低渗透量，起到防护坝体渗透的作用。

施工区滑坡体的下部，由于前部岩体的破裂，边坡比较陡峭，而且在前面的施工中，公路路基边坡和输水洞出口的边坡存在不合理开挖，滑塌越来越严重，逐渐形成了一个101～131m的严重滑塌体，状态特别松散，边坡的角度是23°，边坡的稳定系数φ取值24时Kc值为1，处于比较平衡的状态，需对其采取治理措施。结合水库坝体周围的地质具体条件，采用固结灌浆的方案。坝体的右岸破碎程度比较严重，完整性不好，需要对16～31m的岩体进行彻底的处理，滑坡体的下部也要采取固结灌浆的操作，进而保证大坝在施工后安全有效的运行，挖除掉坝顶11m左右的心墙以及砂砾石，坝顶的高度也要下降至1515m，以保证最大程度地降低内部坝体的浸润线。另外，在大坝上游坝坡的平台处，桩号0+131～0+231m内浇筑钢筋抗滑桩。再布置32与直径2.11m的抗滑桩在平台坡脚，中心距离分别为5.11m，顶部要与地平线持平，底部深入3.5m，抗滑桩的深度大约在36～46m。

3.2 渗流方案选择

图3 特种黏土和普通水泥浆液的压强对比

图4 特种黏土流变曲线

图5 特种黏土塑性强度

通过对该库区地质情况的实际勘察后，为了对坝体进行防渗处理，降低浸润线的高度，通过对各种加固方案的考虑，建议在0+170～0+250m桩号的坝段进行喷射高压防渗墙。孔距3m，墙厚0.4m，深度60～72m，不但能够有效缓解渗流问题，还能防止冲刷力破坏坝体，另外，固结灌浆技术使用了特种黏性土。同时在坝段0+009～0+090m处采取防护措施，也掺入较稳定的悬浊性特种黏土，其优于水泥和泥土浆液等。特种浆液和普通浆液的对比优势如图3～图5所示，可以看出该特种黏土防渗固化浆液与其他满足条件的材料相比，长时间保持流动性、均匀分散性、触变性等，并且较低的含水率实现了加固技术的突破。

3.3 泄洪洞和溢流堰设计

泄洪洞位于坝体左岸，由泄水渠和隧洞组成，进出口都建有控制室，灌浆的石护坡组成出口的边坡。表层为混凝土，上游为砾岩、砂岩，下游为最厚的三叠系砾岩，而砾石以石英岩和石灰岩为主，最大的粒径有26cm。隧洞的围岩以砂岩、粉砂岩、泥岩和紫红色、青灰色砾岩为主，同样呈现巨厚状，总体属于五类围岩。

泄洪洞水力通过隧洞的有压泄流能力计算[9]：

(5)

式中，hp—断面水流平均势能；T0—隧洞底部的高度差与上游水头流速的和，一般T0=T；ω—隧洞的断面面积；μ—流量的系数。

泄洪洞和溢流堰的泄流能力如图6所示。

图6 泄洪洞和溢流堰的泄流量

而溢流堰的水力通过堰流的公式求得[10]：

(6)

式中，θc—侧收缩系数；n—闸孔孔数；m—自由溢流的流量系数；H0—行进流速水头的堰前水头；b—每孔净宽。

其中坝底高程与洪峰流量关系如图7所示，下坝址水位-库容曲线与下坝址水位-库面曲线，分别如图8、图9所示。

图7 坝底高程-洪峰流量关系曲线

图8 水位-库容曲线

图9 水位-库面曲线

对泄洪洞出口和进口进行改建，重建岸塔式结构检修闸室，采用固结灌浆及内衬钢板进行加固，内衬钢板厚度0.01m，灌浆孔梅花形布置。在下游新坝轴线位置浇筑3孔溢洪堰，底宽30m，总长32m，高28m，堰型为WES堰。泄洪槽原衬砌彻底拆除，右侧山体进行喷锚支护，高程降低1m进行扩挖。

3.4 坝体的基本处理

根据《建筑边坡工程技术规范》中的要求，在边坡上的砂砾石和松散的堆积物开挖范围是1∶0.7～1∶0.55，较高的边坡在开挖的时候遵循原则，每挖15m就设置2m的马道。同时清除覆盖层，而其他建筑物处在比较弱的风化岩上。主要的建筑物坐落在基础岩体上，并且该位置体型较大，在泄洪洞的进出口、溢流段、泄槽填方处采用固结灌浆，以提高基础岩体的完整性和承载能力，深度灌浆6m，每排的孔距2.4m。根据坝肩渗漏和水位基础高的问题，采取了灌浆防渗的操作来处理坝后的坝肩和左坝肩的轴线，两个坝肩需进行平洞灌浆，而按照水头的0.8m来考虑洞长，各自按长度55m。平洞灌浆采取城门洞类型，洞底部高1515m，洞的宽度为3.55m，浇筑0.5m厚的钢筋混凝土，灌浆深度在较弱的透水层以下3m左右，孔的深度为3～64m，以单排方式布置，孔的距离为3m。

4 结论

以泾河中山峡谷水库为对象，对该水库的基本地质和工程情况进行注水、压水渗透等试验，证明了该坝体的填筑不够均匀，坝体质量比较差，坝基和坝体的防渗性能不好。结合该水库坝体周围的地质具体条件对方案进行了对比，最终采用了固结灌浆的方案，以确保大坝可以在施工及以后安全运行，将坝顶11m范围的心墙全部挖掉，坝顶降低到1515m，浸润线得到了最大程度的降低，该工程明显有效。并且固结灌浆采用了特种的黏土防渗技术，具有优于普通水泥浆液等很多良好性能，对于其他类似工程具有重要的借鉴意义。

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