马家沟水库沥青混凝土心墙坝防渗处理设计

马新平

（黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003）

1 工程概况

马家沟水库是重庆铜罐驿长江调水西部供水区的中转、囤蓄水库，位于九龙坡区石板镇附近的大溪河支流干河沟中游。水库集水面积11.85 km2，正常蓄水位250.80 m，总库容891万m3，为小（1）型Ⅳ等工程，由大坝、溢洪道、引水渠、进水泵站及灌溉取水塔等建筑物组成。

大坝为沥青混凝土心墙石渣坝，最大坝高38.0 m，坝顶高程252.0 m，坝顶宽度9.0 m，坝顶长267.60 m。沥青混凝土心墙厚50 cm，底部通过混凝土齿槽与基岩连接。坝基以砂质泥岩为主，采用单排帷幕防渗，向下深入相对不透水层（q＜3～5 Lu）3～5 m。心墙两侧设2.00 m厚过渡料，上、下游坝壳填筑料主要为砂质泥岩。

2 大坝渗漏情况

马家沟水库工程于2000年10月开工，2002年12月完成导流洞封堵试蓄水。水库蓄水伊始大坝即出现明显渗漏，渗漏量随库水位升高明显增大，库水位237.0 m时渗漏量达70 L/s左右，且下游坡大面积渗水。为此，先后于2003年11月和2004年12月进行了两次坝基和坝体防渗处理。

第一次坝基河床部位的基岩补充灌浆防渗处理效果不明显。第二次坝体上游反滤过渡料区旋喷防渗墙和沥青混凝土心墙间塑性灌浆处理未达到预期效果：实测2006年7月1日库水位241.02 m时，渗漏量为 30.4 L/s；2006年 12月 23日库水位235.11 m时，渗漏量为18.11 L/s；2007年4月14日库水位229.58 m时，渗漏量为5.09 L/s。近似推算正常蓄水位250.80 m时，水库年渗漏量可能达200万m3以上。

坝体的严重渗漏不仅影响工程效益的正常发挥，也直接影响工程安全运用。鉴于241 m水位高程以上坝体尚未经受蓄水检验，因此要求对大坝渗漏采取进一步的处理措施，达到降低渗漏量、满足工程安全运用的目的。

3 大坝防渗处理方案选择

3.1 拟定原则

分析大坝防渗处理有关检测、设计和施工资料，防渗处理方案拟定考虑以下主要因素：

（1）满足水库施工期运用要求，宜考虑从坝顶加固；

（2）沥青混凝土心墙本身不具有加固处理可行性；

（3）沥青混凝土心墙上游反滤过渡层已经旋喷和灌浆处理；

（4）混凝土齿槽强度较低，坝基以软岩和较软岩为主；

（5）现有资料表明，水库渗漏以坝体防渗体、混凝土齿槽和浅部基岩为主；

（6）大坝建成蓄水5年，最高水位241.02 m，坝体大部分沉降已完成。

3.2 大坝防渗处理方案

鉴于马家沟水库大坝防渗处理的可靠性要求，结合以往的防渗处理经验，本次大坝防渗除险拟定以下三种方案。

（1）方案一：坝体、混凝土齿槽和浅层基岩混凝土防渗墙

坝体、混凝土齿槽和浅层基岩均采用混凝土防渗墙防渗处理。混凝土防渗墙紧贴沥青心墙上游侧布置，墙厚0.6 m，墙底根据水头大小分别深入基岩4 m、3 m和2 m。

（2）方案二：坝体、混凝土齿槽混凝土防渗墙+基岩灌浆

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坝体、混凝土齿槽采用混凝土防渗墙，浅层基岩采用水泥灌浆防渗处理。混凝土防渗墙紧贴沥青心墙上游侧布置，墙厚0.6 m，墙底至混凝土齿槽底部；下部基岩水泥灌浆孔采用单排布置，孔距0.8 m，孔深根据水头大小分别深入基岩6 m、5 m和4 m。

（3）方案三：坝体双排旋喷墙+齿槽和基岩灌浆

坝体采用双排旋喷防渗墙，混凝土齿槽和浅层基岩采用水泥灌浆防渗处理。旋喷防渗墙紧贴沥青心墙下游侧布置，有效厚度0.6 m，墙底至混凝土齿槽顶部；下部混凝土齿槽和浅层基岩水泥灌浆单排布置，孔距0.8 m，孔深根据水头大小分别深至基岩6 m、5 m和4 m。

3.3 方案选择

上述三种方案技术上均可行，但可靠性及施工工艺等方面有一定差别。方案一混凝土防渗墙位于已处理的心墙上游反滤过渡层内，造孔成墙难度不大，主要问题是需要在混凝土齿槽和浅层基岩内造孔成墙；方案二、方案三则施工难度相对较小，但施工工艺相对复杂。

鉴于方案一混凝土防渗墙处理可靠性较高，避免了不同防渗体间连接可靠性差的问题，同时混凝土齿槽和浅层基岩强度较低、具备造孔成墙的条件，以及工程投资与其他方案差别不大，设计选择大坝防渗处理采用混凝土防渗墙方案。

4 防渗处理设计

4.1 防渗墙设计

马家沟水库大坝沥青混凝土心墙上、下游分别设有2.0 m宽的反滤过渡层，反滤过渡料为人工灰岩料，最大粒径80 mm，小于5 mm的占35%。上游反滤过渡区已经旋喷和水泥灌浆处理，凝结体渗透性降低、强度提高、刚度增加，适于布置防渗墙。

心墙垫座混凝土齿槽强度较低，施工期已出现裂缝；齿槽基础浅层基岩强度较低，未进行固结灌浆，混凝土齿槽及浅层基岩存在渗漏通道，因此设计考虑坝体、混凝土齿槽和浅层基岩的整体防渗要求，将混凝土防渗墙底部深入基岩一定深度。

图1 坝体渗漏计算材料划分Fig.1 The materials division in the dam seepage computation

4.2 防渗墙渗流分析

混凝土防渗墙可以有效减小坝体和坝基的渗漏量，为了解防渗墙不同入岩深度的防渗效果，采用理正软件进行防渗墙渗流分析。坝体及坝基的渗透参数如下：基岩弱风化带为1×10-3cm/s；基岩微风化带为5×10-4cm/s；基岩相对不透水层为5×10-5cm/s；坝基帷幕灌浆体为5×10-5cm/s；上游坝体石渣料为5×10-2cm/s；心墙反滤过渡料为5×10-3cm/s；沥青混凝土心墙体为1×10-7cm/s；下游坝体石渣料为5×10-3cm/s；下游坝脚堆石护坡为5×10-2cm/s；混凝土防渗墙为5×10-8cm/s。

渗流计算材料分区情况见图1，计算结果见表1。计算结果表明，混凝土防渗墙深入基岩2～6 m，与原设计情况相比，约可减少渗漏28%～43%；深入4 m时，可减少约36%。

表1 马家沟水库大坝渗流计算成果Table 1:Results of the seepage computation of Majiagou reser-voir dam

4.3 防渗墙应力应变分析

为了解混凝土防渗墙的应力应变状态，采用水工结构有限元分析系统（AutoBANKv4.5）软件进行了水库在正常蓄水位250.8 m和校核洪水位251.16 m两种工况下的应力应变分析。模拟的加载顺序为：增建混凝土防渗墙、分期蓄水至计算水位，计算采用的参数见表2和表3，应力和变形特征值的计算结果见表4。

表2 坝料的本构模型参数表Table 2:Parameters of the dam materials in constitutive model

表3 基岩及混凝土防渗墙的本构模型参数表Table 3:Parameters of the bedrock and the concrete cut-off wall in constitutive model

表4 混凝土防渗墙应力和变形特征值Table 4:Eigenvalues of the stress and deformation of the concrete cut-off wall

应力变形计算结果表明，防渗墙应力和变形符合其受力特征的一般规律。从表4可以看出，防渗墙垂直位移较小，最大水平位移位于墙顶部位；防渗墙上部向下游变形，上游面顶部、下游面底部产生压应力，最大主压应力位于下游面底部；上游面底部、下游面顶部产生拉应力，最大主拉应力位于上游面底部。

综合防渗墙应力特别是拉应力情况，防渗墙采用C15混凝土，同时考虑坝体过渡料区高喷灌浆凝结体强度提高、刚度增加对防渗墙应力、变形的有利影响，防渗墙本身结构安全。

5 防渗处理效果及结论

马家沟水库大坝防渗除险工程于2008年5月开工建设，同年12月底完工验收，混凝土防渗墙成墙面积7 712 m2。2009年实测水库蓄水位250.35 m时，折算坝体年渗漏量为16.5万m3，渗漏量明显减小，防渗处理取得预期效果，工程运用情况良好。

通过马家沟水库沥青混凝土心墙石渣坝防渗处理的研究，可以得到以下结论：

（1）沥青混凝土心墙施工技术要求高，墙体加固处理困难，因此提高沥青混凝土心墙施工质量对沥青混凝土心墙坝正常运用至关重要。

（2）沥青混凝土心墙坝不同防渗体间易形成渗漏通道，不同防渗体的防渗质量和连接质量直接影响沥青混凝土心墙坝的整体防渗质量。

（3）深入基岩一定深度的混凝土防渗墙，可以有效解决不同防渗体的防渗缺陷，减少渗漏，提高整体防渗效果。

（4）马家沟水库混凝土防渗墙利用坝体高喷凝结的过渡料区造孔成墙，墙体质量易于保证，墙体结构安全性能够得到有效保证。