皮沟水库大坝渗漏原因及防治对策

李梅华,邵 蔚

(1.黄河水利职业技术学院,河南 开封 475001;2.河南省南阳市水利勘测设计院,河南 南阳 473062)

1 工程概况

皮沟水库位于唐河县王集乡皮沟村以南,长江流域唐白河水系泌阳河支流上。控制流域面积2.5 km2,坝址以上干流长度1.4 km。水库于1968年10月动工兴建,1970年6月建成蓄水,是一座以防洪、灌溉为主,兼顾水产养殖的小(2)型水库。皮沟水库枢纽主要建筑物包括大坝、溢洪道、输水洞。工程为Ⅴ等,总库容 98×104m3,大坝为均质土坝,坝顶高程150.20 m,坝顶长520m,坝顶宽4.0m,最大坝高8.6m。

该水库自运行以来,险情不断,现有防洪能力不足10 a一遇。高水位运行时,坝体及两坝肩均有渗漏现象,坝后常年有渗水,致使坝下游大面积沼泽化,存在渗漏隐患。经过专项复核,皮沟水库为三类坝,存在严重安全隐患,属病险水库,亟待除险加固。

2 大坝渗漏形成的原因分析

2.1 坝体与坝基接触面处理不善

对坝基钻探,坝址区的地层较单一,主要为第四系上、中更新统粉质粘土。①第四系中更新统粉质粘土:分布于两坝肩,黄褐色,可塑～硬塑状态,含铁锰结核及钙质结核,裂隙发育,具弱膨胀性。土质物理力学指标为:含水率 w=20.12%,天然孔隙比 e=0.691,干密度 ρd=1.600 g/cm3,比重Gs=2.705,压缩系数 av1-2=0.12MPa-1,压缩模量 Es1-2=14.1MPa,饱 和快 剪 c=43 kPa,φ=12.5°,渗透 系数2.19×10-6cm/s。②第四系上更新统粉质粘土:分布于岗间洼地及河槽段,黄褐色,可塑～硬塑状态,含铁锰结核,具弱膨胀性。土体物理力学指标:含水率w=18.77%,天然孔隙比 e=0.701,干密度 ρd=1.590 g/cm3,比重 Gs=2.705,压缩系数av1-2=0.13MPa-1,压缩模量 Es1-2=13.1MPa,饱和快剪 c=40 kPa,φ=12°,渗透系数 3.48×10-6cm/s。

经钻探资料分析表明,左、右台地段(0+230～0+415及0+445～0+485):坝基岩性上部为第四系上更新统粉质粘土,弱透水;下部为第四系中更新统粉质粘土,微透水,工程地质条件较好。左台地段坝脚渗水呈明流,说明施工期清基不彻底,坝体与坝基的接触面存在接触渗漏问题。河槽段(0+415～0+445):坝基岩性为第四系上更新统粉质粘土,弱透水,坝体与坝基接触处无防渗处理,存在接触渗漏问题。

2.2 大坝坝体单薄,无排水设施

大坝坝型为均质土坝,原设计坝顶高程150.20 m,坝顶长520 m,坝顶宽4.0m,最大坝高8.6m。原上游坝坡1∶2.5,为混凝土护坡;下游坝坡为1∶3.0,为草皮护坡。大坝现状坝顶高程149.15 m～150.30 m,坝顶宽2.4 m～4.2m,迎水坡坡比为 1∶1.9～ 1∶3.1,背水坡坡比为 1∶2.3～ 1∶3.4。 无坡面排水系统,无坝后排水体。

大坝现状存在局部坝坡比较陡,坝体单薄,并且无坝后排水设施[1～2]。大坝在桩号0+050处有出水口渗水严重,导致背水坡150 m2塌陷。

2.3 管理不善

水库无正规管理机构,管理设施不完善,观测设施不完善。无管理房、防汛仓库、防汛公路等。

2.4 坝体施工质量差

对大坝坝体填筑材料取样,通过击实试验得知:最优含水率为17.60%,最大干密度为 1.732 g/cm3。根据土工试验资料,坝体填土物理力学指标平均值为:w=19.45%,ρd=1.480 g/cm3,e=0.833,Gs=2.713,WL=36.85%,WP=18.43%,IP=18.42,IL=0.055,压缩系数 av1-2=0.33MPa,压缩模量Es1-2=5.6MPa,饱和固结快剪平均值 c=18.8 kPa,φ=20°,小值平均值 c=15 kPa,φ=20°。 填料为粉质粘土,渗透系数9.77×10-6cm/s。

击实试验得出的坝体土料最优含水率为17.60%,最大干密度为1.732 g/cm3。当压实度为95%时,干密度为1.645 g/cm3,坝体填土干密度平均值1.480 g/cm3,所以坝体填筑质量差,不能满足要求。

经以上分析,造成皮沟水库大坝渗漏的主要原因是坝体与坝基接触处处理不善、坝体单薄、坝体施工质量差等方面。

3 大坝渗漏的防治对策

3.1 培厚坝体,增设排水设施

针对大坝的具体情况,使工程在满足规范要求的前提下,尽量减少工程量,培厚整修上、下游坝坡[3]。经稳定分析计算,大坝下游坡坡度采用 1∶2.5,上游坡坡度采用 1∶2.8。根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》SL189-96的规定,坝顶宽度取3 m～6 m。综合考虑大坝抗滑稳定及运行要求,培厚坝体与坝体稳定统筹考虑。坝顶宽度取4.0 m,同时拆除上游已经塌陷的混凝土护坡,设置浆砌石护坡。下游坝坡设置15cm厚的碎石护坡,并在下游坡面上设置纵横向排水沟。在下游坡坡脚新建贴坡式排水体。排水体堆石粒径为18cm～30cm,反滤层采用碎石垫层30cm和粗砂垫层30cm。坝体除险加固处理设计图如图1。

图1 坝体防渗处理设计图

坝体培厚按照设计坝坡线分层回填夯实,回填时由下至上分层回填夯实,压实度不小于0.95～0.97。施工时要求彻底清除树根杂草,坡面修整平顺、密实,然后沿坝坡每隔5 m～10 m挖防滑沟一道,沟深1.0 m,沟底宽0.5m。回填时,应将开挖坑槽时的阶梯逐层削成斜坡,做好新老土的结合。

3.2 观测设施

在坝体上,增设变形观测设施。布置3排,共9个测点。工作基点和校核基点布置在坝右端稳定山坡上,共计2处。

增设坝体浸润线观测设施。在大坝桩号0+250断面、0+281断面、0+375断面处设置坝体浸润线观测管。每个断面设置3个观测管,共计9个。埋设上、下游水位观测标尺,渗流量及渗水混浊度观测采用量水堰,在坝脚排水沟出口处,设置三角形量水堰1座,配备YL型量水堰流量计。

3.3 防渗处理方案

3.3.1 方案选择

大坝坝基座于粉质粘土层上,由于施工时坝基清理不彻底,导致下游大面积沼泽化;坝体及两坝肩高水位时存在渗流问题。针对上述问题,初步考虑以下方案:

(1)混凝土防渗墙法:结合该工程的工程质量问题分析,该坝体系均质土坝,且安全鉴定认为坝基、坝体均有渗流异常现象,采用混凝土防渗墙处理渗漏,可以将坝体、坝基的渗漏进行统一治理,施工时可以一次开槽直至坝基相对不透水层,连续浇筑一次成墙,施工方便,治理效果好[4]。

(2)裂隙灌浆:适用于充填人工和天然孔洞、节理和孔隙,空隙系统结构有显著改变。本工程的坝体渗漏主要表现在高水位运行时,坝体及两坝肩均有渗流异常现象,渗漏部位较多,多有连续性[5～6]。充填灌浆可以解决坝体填筑质量差的问题,对提高坝体强度,处理坝体裂缝和散浸现象有较好的效果,但由于充填压力及土料的各向异性,会留下坝体形成二次裂缝的隐患,故本工程不考虑采用此处理方案。

(3)压密灌浆:适用于充填导管周围人工产生的孔洞,通过导管灌浆材料进入周围土体。压密灌浆可以明显提高土体的持力能力。工程中使用较多的是劈裂灌浆。劈裂灌浆适用于坝体质量普遍不好,坝后坡有大面积散浸或多处明漏的隐患,防渗效果较好,同时起到加固坝基的作用。劈裂灌浆具有设备简单,操作容易,能够就地取材,防渗效果好,工程造价低等优点。但本工程的坝体由粘壤土及风化料填筑,劈裂灌浆时坝体小主应力面难以控制,灌浆时浆液流动性大,施工质量难以保证[2]。另外,劈裂灌浆压力若控制不好,达不到预期效果,还可能对坝体某些结构,甚至对坝体造成破坏。因此,未采用劈裂灌浆的方案。

(4)旋喷灌浆:主要用于封闭和加固岩土。该方法使松散土体的基础局部受高达60MPa压力的喷射水或灌浆浆液的冲蚀作用。由此产生的空隙,随后由灌浆材料和被疏松土的混合物所充填。它并不是通常意义上的灌浆,而是一种土体原位混合改良方法[6]。工程中常用的是水泥土(灰土)搅拌桩处理方案,由于该方案造价高,本工程不考虑使用。

经过论证,决定采用混凝土防渗墙方案,既可以解决坝体与坝基的接触渗漏问题,又可以解决因坝体质量填筑不均匀引起的坝后渗流异常现象。

3.3.2 混凝土防渗墙方案实施[7]

本方案拟将防渗墙开槽设置在坝顶。混凝土防渗墙施工时,施工场地宽度应不小于8 m,防渗墙布置在坝顶,大坝坝顶宽度现状为2.4 m～4.2 m,需将坝顶宽度拓宽至8 m。本工程在坝顶临时搭建8 m宽施工平台,采用冲击钻和液压开槽机开槽,墙体应深入坝基相对不透水层以下1 m,墙厚0.3 m。

3.3.2.1 防渗墙厚度确定

防渗墙厚度应根据抗渗和抗溶蚀要求计算,经计算d=0.08 m,同时考虑施工机具因素以及孔斜因素,孔斜率不大于 0.4%,取 d=0.3 m。

3.3.2.2 混凝土防渗墙施工场地

混凝土防渗墙施工,场地宽度应不小于8 m,因此需将坝顶削至149.60 m,其上建造施工临时平台宽8 m,边坡1∶1.5。为确保边坡稳定,外侧设置50cm厚的编织袋装土护坡进行混凝土防渗墙施工。

3.3.2.3 造槽及导墙

混凝土防渗墙施工采用液压抓斗机造槽,造槽前应先修导墙,设计导墙高度为1.2 m,厚0.2 m,导墙的内间距0.35 m,高出地面0.1 m,采用C20钢筋混凝土结构。

3.3.2.4 混凝土防渗墙材料

混凝土防渗墙设计厚度0.3 m,墙体材料采用C20混凝土,混凝土防渗标号均采用S4。

3.3.2.5 其他要求

为满足渗透稳定需求,混凝土防渗墙底部应插入下部相对不透水层1.0 m。混凝土防渗墙浇筑后,应及时恢复坝坡原貌,拆除临时施工道路及其他设施,恢复150.00 m坝顶设施等。

3.4 防渗处理效果

皮沟水库大坝的渗漏采用混凝土防渗墙处理,防渗墙厚0.30m,混凝土防渗墙底部插入相对不透水层1.0 m。大坝经过处理以后,消除了坝下游的沼泽现象,渗漏量减少90%,防渗效果达到了预期的目的。

4 结 语

皮沟水库大坝经过培厚坝体、增设坝体渗流观测设施、采用混凝土防渗墙等几种方法联合处理,坝体渗漏量得到了有效控制,从根本上消除了坝后的沼泽现象。由于观测设施的布设,为以后大坝的渗流观测提供方便。可以时时观测、分析大坝的渗流情况,掌控大坝的运行,进而从根本上消除渗透破坏。

[1]康迎宾,李 琳,李 博.张庄大坝的渗流稳定、结构稳定分析及其影响因素[J].水利与建筑工程学报,2008,6(1):26-29.

[2]段祥宝,谢兴华,速宝玉.水工渗流研究与应用进展[M].郑州:黄河水利出版社,2006:345.

[3]刘洪辉,朱尊亮,刘祥高.均质土坝除险加固防渗设计研究[J].水利与建筑工程学报,2003,1(1):18-21.

[4]白永年,等.中国堤坝防渗加固新技术[M].北京:中国水利水电出版社,2001.

[5]刘川顺,韩东平.土石坝渗漏原因的相关分析[J].大坝与安全,2003,(5):21-23.

[6]王万林,袁俊光.土石坝渗漏原因的相关分析法[J].中国农村水利水电,2003,(6):69-70.

[7]詹丹燕,陈慧景.水库除险加固土石坝渗漏控制措施探讨[J].中国水运(理论版),2008,6(1):94-95.