殷山水库大坝防渗加固方案优化合理性分析

罗志雄

（江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029）

0 前言

我国是世界上水库数量最多的国家，其中土石坝水库占总数的93%[1]。参照2012 年底水利普查数量[2]，我国已建成各类水库98002 座，总库容达9323.12 亿m3，其中大型水库756 座，中型水库3938 座，小型水库93308 座。我国水库大坝大多修建于二十世纪六、七十年代，大部分服役期已达到40 年～50 年，近年来，许多中小型水库陆续出现不同程度的安全问题，其中约有1/5 水库是由于大坝渗流渗漏问题引起的。在对病险水库进行防渗加固处理时，常用措施主要是粘土斜墙、粘土心墙、混凝土防渗墙和帷幕灌浆等。以往采取的防渗加固[3～6]措施一般是一种或两种结合处理，本文以殷山水库除险加固工程为例，阐述多种防渗加固措施相结合的优化方案，为类似土石坝除险加固提供工程参考依据。

1 工程概况

殷山水库位于湖口县东南部的付垅乡殷山村，大坝坐落在殷泉村，距湖口县城约20 km，有约10 km 的公路与九景高速公路和省级交通干道相连。水库所在河流为北港湖南支，属南北港水系。坝址以上控制流域面积8.55 km2，水库总库容1349.10×104m3，设计灌溉面积2.2×104亩，实际灌溉面积1.5×104亩，是一座以灌溉为主，兼防洪、养殖等效益的中型水库。水库枢纽工程主要包括大坝、溢洪道、坝下涵管、灌溉放空隧洞等。大坝为均质土坝，坝顶高程68.4 m，坝顶宽6.0 m，最大坝高24.0 m，坝顶长340 m。上游坝坡坡率1∶3.0，下游坡率从上而下分别为1∶2.45、1∶3.0，大坝坝脚高程46.10 m～46.50 m，有宽约12 m 的压重台。溢洪道位于大坝右端坝头，长121.78 m；坝下涵管有南北涵管两座，南涵管位于大坝左端山体内，长211 m；北涵管位于大坝右端坝体内，长83 m；灌溉放空隧洞位于右坝肩山体中，长233.8 m。经水库大坝安全鉴定发现，大坝坝体、坝肩和坝基出现多处渗漏问题，工程存在较严重的安全隐患，长此下去会危及大坝安全运行。

2 防渗加固方案

2.1 优化前加固方案

根据大坝的地质勘查资料及水库运行过程中出现的问题，大坝采取垂直防渗措施，为混凝土防渗墙加坝基帷幕灌浆。本方案设计混凝土防渗墙布置在坝轴线处，沿主坝纵向设置防渗墙，墙顶高程67.0 m，顶部采用粘土回填，防渗墙厚度60 cm，墙底深入强风化基岩0.5 m，最大墙深25 m。结合坝身防渗处理，局部坝基基岩及左、右坝肩采用帷幕灌浆处理，帷幕灌浆采用单排孔，孔距为2 m，深入相对不透水层5 m。帷幕灌浆范围为大坝河床坝基范围（0+085 m～0+180 m）、大坝右岸坝基范围（0+235 m～0+340 m）及右岸坝肩40 m 范围、大坝左岸坝基范围（0+000 m～0+005 m）及左岸坝肩35 m 范围。

2.2 优化后加固方案

优化加固方案为：大坝坝体防渗采取粘土斜墙加混凝土防渗墙处理措施，混凝土防渗墙位置由坝中心线移至上游坝坡，并在结合处设截水槽，槽底宽1.5 m，高1.5 m，边坡1∶0.75，防渗墙墙顶高程58.0 m，底宽6.3 m，顶宽3.5 m，墙体厚40 cm。坝基帷幕灌浆方案与优化前方案相同。两种防渗加固方案示意图见图1。

图1 大坝优化前、后防渗加固方案示意图

3 防渗加固方案优化分析

大坝防渗加固方案的不同主要在于坝体内的防渗体不同，为进一步确定加固方案优化前、后的优缺点，分别进行了以下几方面的分析比较。

3.1 防渗效果比较

（1）优化前后加固方案在坝基中都设置了帷幕灌浆，但在坝体中的防渗处理措施不同，优化前防渗加固方案主要采用混凝土防渗墙，利用防渗墙良好的抗渗性能，实现防渗目的，防渗效果显著；优化后方案采用粘土斜墙加混凝土防渗墙，两种防渗措相结合，防渗效果也很明显。但优化前方案比优化后方案，混凝土墙入土深度长9 m，优化后加固方案比优化前多采取了粘土斜墙措施。

为进一步了解两种方案的加固效果，对大坝进行渗流稳定计算分析，根据坝体、坝基的地质情况，同时考虑渗流监测设施的埋设情况，大坝各土层渗透系数及允许渗透坡降按地勘提供参数选取，见表1。

表1 大坝坝体及坝基土层地质参数取值表

（2）计算模型

坝体内的稳定渗流符合达西定律，对于非均各向异性二维渗流场，水头势函数满足微分方程：

式中：φ=φ（x,y）为待求水头势函数；kx，ky为轴方向的渗流系数；Q 为边界上渗流量。水头φ 还必须满足一定的边界条件，经常出现以下三种边界条件：

①在上游边界上水头已知：φ=φn

②在逸出边界水头和位置高程相等：φ=z

③在某边界上渗流量q 已知：

式中：lx，ly为边界表面向外法线在x，y 轴方向的余弦。

假定单元渗流场的水头函数φ 为多项式，由微分方程及边界条件确定其问题的变分形式，可导出线性方程组：

式中：[H]为渗流矩阵；{φ}为渗流场水头；{F}为节点渗流量。

求解渗流场的关键是确定浸润线位置，本次研究采用节点虚流量法通过多次迭代计算自动确定浸润线位置和出逸高度。求解出各点水头[φ]之后，利用公式：

求出各点的水力坡降。流速公式为：

（3）通过采用有限元法计算分析，对大坝两种加固方案分别在正常蓄水位、设计洪水位及校核洪水位三种情况下进行渗流计算，得到各工况下渗流量及渗透坡降计算结果。具体计算结果见表2，计算结果流网图以校核水位为例，见图2～图3。

表2 大坝稳定渗流计算值及渗流量表

图2 优化前校核洪水位66.36 m 下稳定渗流计算成果图

图3 优化后校核洪水位66.36 m 下稳定渗流计算成果图

由表2、图2～图3 可知，经过加固后，大坝的渗流量均比加固前的大幅度减小，防渗效果均很明显；两种方案下的渗流量均较小，但优化后方案要比优化前小一半左右。

3.2 施工难度比较

对于坝体防渗加固处理，两种方案的施工实施技术均很成熟，但优化后混凝土防渗墙的工程量比优化前减少了35%，虽然粘土斜墙需要开挖及回填，但是从施工操作性方面考虑，还是粘土斜墙施工更容易。采用液压抓斗造混凝土防渗墙时，在深度超过18 m 后，挖槽工效会有所降低，因此降低防渗墙高度，有利于加快工程进度。从施工操作性和工程进度两方面考虑，优化后方案比优化前施工难度小，可操作性强。

3.3 工程投资比较

大坝优化前、后防渗加固方案主要工程量与投资比较见表3。

表3 大坝稳定渗流计算值及渗流量表

由表3 可知，方案优化后，工程投资可减少32.06 万元。

4 结论

对于大坝出现的渗漏问题，通过优化前后方案的分析比较，得出以下结论：

（1）经防渗效果、施工难度及工程投资等综合比较分析，优化后方案比优化前更佳，合理性得到论证。

（2）在对水库大坝进行防渗处理时，采取多种方案相结合比单一方案要好很多，在进行设计方案选择时，尽可能进行优化处理。

（3）殷山水库自加固后运行至今，下游坝脚未出现渗漏点，说明工程措施采取合理有效。