茶园水库大坝防渗加固设计研究

廖益群

（吉水县水利局,江西 吉水 331600）

0 引言

大坝的渗漏若不及时进行加固处理,不仅会危害坝体结构的整体稳定性,也会为水库日后的运行埋下安全隐患。常见的大坝防渗加固方法有防渗墙法、水平防渗加固法、劈裂灌浆防渗加固法等,其中防渗墙法根据施工方式的不同又包括高压喷射注浆法、垂直铺塑防渗法、混凝土防渗墙法等,水平防渗加固中常用的施工技术有反滤沟导渗技术、透水压渗平台技术、临水截渗技术等。在实际工程中,结合工程特点,考虑经济和技术条件选取合适的加固方法尤为重要。

1 工程概况

茶园水库位于江西省吉水县尚贤乡茶园村,座落于赣江水系同江支流尚贤水上,距吉水县城30 km。大坝为均质土坝,坝顶高程为93.99 m～95.00 m,坝顶宽4.0 m～4.5 m,坝顶长192 m,最大坝高15.0 m,上游坝坡坡比1∶3.2～1∶3.9,下游坝坡坡比1∶3.0～1∶3.8。

根据茶园水库安全鉴定结论,大坝存在以下安全问题：

（1）坝顶高低不平,沉陷不均,上游坝面无任何衬护,高程90.5 m 以下风浪冲刷严重,高程90.5 m 以上灌木杂草丛生；下游坝坡未护坡,无坝面排水系统,无坝体排水设备。

（2）大坝清基不彻底,残留有第四系残坡积低液限粘土,具中等透水性。坝基上部强风化岩体节理裂隙发育,岩质破碎,具中等透水性,坝基（肩）存在浅层渗漏问题。

（3）大坝坝体填筑过程中,碾压施工不到位导致坝体填筑质量不符合整体工程项目标准,渗透系数大于1×10-4cm/s,不满足规范对坝体防渗性的相关要求。

2 防渗加固设计

大坝防渗处理的原则主要是“上截、下排”,“上截”就是在上游封堵渗漏入口,截断渗漏途径,防止渗入。结合本工程具体情况综合考虑,采用冲抓套井回填粘土防渗心墙的方法进行防渗加固设计。

2.1 坝体加固设计

自大坝坝顶顺坝轴线方向上游侧2 m 设置冲抓套井回填粘土防渗心墙,粘土防渗墙最大深度为14.2 m,防渗墙顶高程91.50 m,防渗墙厚度为1.5 m,冲抓粘土心墙布置2 排孔,造孔直径1.1 m,孔距为0.86 m,排距为0.9 m。设计指标如下所示：

（1）粘土防渗墙设计指标如下：k≤1×10-5cm/s,允许渗透坡降为6～8,压实度不小于0.95。

（2）冲抓粘土要求：粘粒含量为30%～50%,干密度大于1.5 g/cm3,含水量控制在20%～30%之间,水溶盐含水及有机质含量均不大于5%,土中不允许掺有草皮、树根等杂物,干密度和含水量均需通过现场试验,控制在设计要求范围内。

（3）套井回填粘土心墙填筑要求：冲抓粘土心墙施工前需将库水位降至最低水位,保证粘土心墙施工。粘土心墙分两序孔施工,先单序孔,再双序孔。回填铺土要均匀平整,分层填筑,每层厚度宜控制在0.3 m～0.5 m,粘土心墙回填夯实在落锤时要保持几秒钟的的稳定,以免造成夯锤碰撞孔壁。当距坝顶2 m 以内回填时,应减少冲量,夯距小于2 m,以防坝顶开裂及沿孔周壅起。

（4）造孔要求：造孔要保证平整垂直,孔位允许偏差+30 mm。单号井与双号井孔套接中心在任一深度的偏差,不得大于设计墙厚的1/3。

（5）坝体与两坝肩接触面存在接触渗漏,采用冲抓套井回填粘土心墙沿左、右坝肩向两侧延伸5.0 m,防渗墙底部截断坝基含砾低液限粘土层。

2.2 坝顶加固设计

（1）坝顶高程复核

茶园水库正常蓄水位90.50 m,根据库水位～流量关系曲线,经调洪计算水库校核洪水位（P=0.33%）为91.46 m,设计洪水位（P=3.33%）为91.16 m,库区多年平均最大风速为16 m/s,吹程0.8 km。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020）,坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：

式中：Y为坝顶超高,m；R为最大波浪在坝坡上的爬高,m；e为最大风壅水面高度,m；A为安全加高,m。大坝为4 级建筑物,正常运用情况取0.5 m,非常运用情况取0.3 m。

波浪平均波高和平均波周期采用莆田实验站公式：

式中：hm为平均波高,m；Tm为平均波周期；W为计算风速,m/s,取W=16 m/s（校核）、24 m/s（设计）；Hm为水域平均水深,m,Hm=10.76 m（校核）、Hm=10.46 m（设计）；g为重力加速度,取9.81 m/s2。

平均波长公式：

式中：Lm为平均波长,m；H为坝迎水面前水深,m。

计算点处的风壅水面高度公式：

式中：e为风壅水面高度,m；D为风区长度,m,取800 m；K为综合摩阻系数,取3.6×10-6；β为风向与水域中线夹角,°,本次复合取0°。

平均波高在单坡上的平均波浪爬高公式：

式中：Rm为平均波浪爬高,m；KΔ为斜坡的糙率及渗水性系数,查表取0.90；Kw为经验系数,由风速W、坡前水深H,重力加速度g所组成,由W/（gH）1/2确定,查规范得设计情况下Kw=1.01,校核情况下Kw=1.00。

根据式（1）～式（6）,计算结果见表1。

表1 坝顶高程计算结果

大坝所需坝顶高程为93.24 m,现状坝顶高程为94.50 m,高于所需坝顶高程,坝顶高程满足规范要求。根据大坝上、下游坡比、坝顶高程复核,坝顶设置砼路面,路面高程为94.50 m（含砼路面）,宽5 m。具体施工方法：在冲抓套井回填粘土心墙施工完成后,将坝顶宽5 m路面高程整平至94.1 m,在其上铺设20 cm 厚的5%水泥稳定碎石基层,再浇筑砼路面,路面砼强度为C20,厚度为20 cm,砼路面向下游设2%的横坡,并在坝顶上、下游侧设置C20 路肩梁,路肩梁尺寸25 cm×60 cm。

2.3 坝坡加固设计

本次坝坡加固设计对上、下游坝坡不平整部分进行削坡整平,完善上、下游坝坡护坡,下游坝坡按渗流出逸点高程设置贴坡排水,贴坡排水以上进行草皮护坡。

（1）上游坝坡加固设计

对大坝上游坝坡不平整部分进行削坡整平后坡比为1∶3.5,高程80.7 m～91.66 m 选择砼预制块进行护坡。

砼预制板采用六角形板,边长0.3 cm,采用C15 砼,其护坡厚度按《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020）推荐的公式计算：

式中：η为系数,对整体式大块护面板取1.0,对装配式护面板取1.1；hp为累计频率为1%的波高,m；Lm为平均波长,m；b为沿坡向板长,取0.6 m；ρc为板的密度,取2.4 t/m3；ρw为水的密度,取1.0 t/m3；m为坡度系数,取3.5。

经计算t=0.097 m。参考类似工程10 cm～20 cm,上游坝坡预制块护坡厚度取10 cm,下设砂石垫层厚10 cm。

（2）下游坝坡加固

本次设计进行平整坝坡处理,在高程83.0 m 以上坡比为1∶3.0,采用草皮护坡,高程83.0 m 以下新建贴坡排水,坡比为1∶2.5。

3 加固设计计算

3.1 坝体渗流计算

粘土防渗墙渗透系数取1×10-5cm/s,贴坡式排水体的渗透系数5×10-2cm/s,其余土层渗透系数同大坝加固前渗流稳定安全复核计算。下游水位取大坝下游地面高程79.30 m,大坝加固处理方案典型断面见图1。

图1 计算断面

由表2 可知,大坝进行套井粘土防渗心墙加固处理后,浸润线降低很多,渗透比降很小,单宽渗流量最大减小42%,大坝坡面最大降坡为0.20,小于大坝出逸允许坡降0.38,大坝不存在发生渗透破坏的可能,有利于坝体的稳定。

表2 大坝防渗加固前后渗流计算结果

3.2 坝坡稳定计算

（1）计算断面及参数选取

稳定计算选取渗流状态不利、安全隐患高、实测资料较为可靠的河床作为典型断面,与渗流计算相同,土体的主要物理力学参数见表3。

表3 土体主要物理力学参数

（2）计算方法

大坝静力稳定计算按刚体极限平衡理论采用瑞典圆弧法计算,稳定渗流期坝坡抗滑稳定计算抗剪强度指标采用有效应力指标,非稳定渗流期坝坡抗滑稳定计算抗剪强度指标采用总应力指标。坝坡抗滑稳定安全系数正常运用条件下取1.15,非常运用条件下取1.05。

坝坡抗滑稳定计算分析采用北京理正岩土边坡稳定分析计算软件,该软件可根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020）的要求,自动搜索并找出相应于瑞典圆弧法的最小安全系数及相应的滑裂弧位置。

（3）计算结果分析

大坝加固后,坝坡稳定计算结果见表4。

表4 坝坡稳定计算结果

由表4 可知,大坝经过防渗及坝坡加固后,大坝在各种工况下上下游坝坡抗滑稳定安全满足要求。

4 结论

通过在坝顶设置套井回填粘土防渗心墙,从坝体、坝顶、坝坡三个部位对大坝进行综合防渗加固设计,根据渗流计算和稳定计算可得如下结论：

（1）加固后,各工况下大坝单宽渗流量和坝面出逸坡降均大幅降低,大坝不存在发生渗透破坏的可能,有利于坝体的稳定。

（2）加固后,各工况下大坝坝坡抗滑稳定性满足规范要求。