水库大坝防渗设计分析

雷 臻

( 新疆水利电力建设总公司，乌鲁木齐830000)

1 项目概况

某水库自建成后随着农业生产规模的不断发展，同时鉴于引水渠冲断，泥沙带入水库而造成水库严重淤积，根据实测库区地形图，水库目前库容仅为45．1 万m3，对应正常蓄水位557．90 m，已淤积105 万m3。同时，由于水库坝顶超高不满足规范要求，无法按正常设计水位蓄水，使西泉灌区春灌难以保证，严重影响了农业生产。水库大坝坝后渗漏严重，同时由于筑坝施工时未清基，形成渗漏安全隐患，伴随有渗透破坏，直接威胁坝体安全，分析该大坝的渗流问题，从而采取相应防渗设计很有必要。

2 渗漏问题分析

通过结合该水库地质报告表明，坝基除夹砂层外，其余土为弱－微透水层，土体工程性质较好，存在的问题主要是库水通过砂层，产生坝下渗流问题。以粉细砂夹层厚度0． 5 ～0．8 m，属透镜状分布，分布范围为主坝0 +250 ～2 +100 段，最低处底高程为548．10 m，属中－强透水层，埋藏较浅且基本呈连续分布，形成了渗漏通道。同时坝后坡脚有渗水现象，坝后坡0 ～1．0 m 厚土体处于流塑状态，已基本丧失了强度。因此，应加强坝基的防渗处理，建议该段坝基防渗深度在坝基以下6 ～7 m。

坝基上部为青灰色低液限黏土，局部夹淤泥质黏土层;下部为土黄色低液限粉土夹粉细砂层，粉细砂夹层厚度0．5 ～0．8 m，呈透镜状分布。对坝基土在渗流作用下发生渗透变形破坏判别如下:

表1 坝基土渗透变形类型判别表

2) 临界水力比降的确定。流土型通过采取下式确定:Jcr=( Gs－1) (1 －n) ;管涌型采用下式确定:Jcr=2．2( Gs－1)式中:Jcr为土的临界水力比降; Gs为土的颗粒比重;n 为土的孔隙率;d5、d20为分别为占土重的5%、20%的土粒粒径，mm。

对于低液限粉土:Gs=2．69，n =36%，Jcr=1．08; 对于低液限黏土:Gs=2．70，n =40%，Jcr=1．02; 对于含细粒土砂:Gs=2．68，n=33．86%，d5=0．003 mm，、d20=0．025 mm，Jcr=0．29。对流土型取安全系数2．0，则坝基土产生渗透变形的允许比降: 低液限粉土为J允=0． 54，低液限黏土为J允=0．52;对管涌型取安全系数1．5，则粉细砂的允许比降为J允=0．19。

3 大坝防渗设计

该水库由土墩子农场自行建设，鉴于水库建设施工时对坝体碾压施工不到位，导致坝体欠密实，使其坝体存在裂缝。通过工程地质勘察结果表明，该水库坝体土干密度在1．50 ～1．58 g/cm3，水库坝基: 水库坝基以下分布有0．5 ～0．8 m 的粉细砂地层，分布范围为主坝0 +250 ～2 +100 段，最低处底高程为548．10 m，属中－强透水层，埋藏较浅且基本呈连续分布。在放水涵洞附近的1 +680 ～1 +850 段坝体填筑土中填筑有0．4 m 厚粉细砂。由于以上诸因素的存在，造成坝体渗漏严重。通过结合工程实践情况来看，提出两种防渗治理方案:①对坝体内采取垂直防渗方案;②通过与防浪护坡结合做上游坝坡防渗处理方案。

1) 方案一坝体内垂直防渗方案。由于本水库坝体质量较差，坝体存在裂缝以及坝体内存在粉细砂夹层的透水层等问题，再加上上游无防渗护坡等，所以方案一选择了在原坝内做垂直防渗墙措施。具体设计如下:自原坝顶开始向下做垂直防渗墙，深入到坝基砂层以下，与坝基防渗相结合，截断坝基透水层。垂直防渗墙位于坝顶中间。根据规范，防渗墙顶应高出设计水位0． 5 m，本除险加固确定的设计水位为559．00 m，因此防渗墙顶高程为559．5 m，较设计坝顶高程560．5 m 低1．0 m。按平均垂直防渗深度5．0 m，在桩号0 +650 ～2 +100 范围内，长度1 450 m，厚15 cm。其余主坝段2 +100 ～2 +370段只做坝坡防渗。

2) 方案二通过采取与防浪护坡结合做上游坝坡防渗处理方案。因大坝上游坝段结合防冻胀设计做了混凝土防浪护坡，对防止坝体的渗漏有一定的作用。但由于坝体施工质量较差，填筑不密实，坝内存在粉细砂夹层，坝体渗漏仍未解决，渗漏仍然严重，并对大坝的稳定造成威胁。因此，为做好坝体的防渗，本方案结合坝坡的防浪护坡，在护坡混凝土板防冻层下设塑膜防渗材料。该方案的坝体防渗主要依靠防渗塑膜。防渗塑膜铺设总长度1 735 m，在现状主坝段防浪护坡段布设。塑膜由混凝土护坡脚至设计坝顶560．50 m。

通过设计对比两种方案的防渗效果，防渗效果表明，该两种方案均有效地达到坝体防渗的效果;但从施工难易程度上看，对水库在坝体内进行垂直防渗，该防渗治理方案施工技术含量较高，施工难度相对较大，而且鉴于本水库大坝填筑不密实，如果采用坝内防渗墙施工，坝体在施工过程中会遭到更多的震动破坏，必然会进一步加剧对坝体结构的损害;对于方案二来说，该方案在施工过程中则不会出现此问题，而且其施工相对较易，但是方案一相对方案二来说，其投资较大。两方案的工程投资比较结果见表2。在工程施工技术条件相差无几的情况下，设计结合现状土坝避免震动破坏的具体情况考虑，选取方案二作为推荐方案。同时为了更好地对水库坝体做好防渗，本方案结合坝坡的防浪护坡，在护坡混凝土板防冻层下设塑膜防渗材料。该方案的坝体防渗主要依靠防渗塑膜。防渗塑膜铺设总长度1 735 m，在现状主坝段防浪护坡段布设。塑膜由混凝土护坡脚至设计坝顶560．50 m。

表2 方案一、方案二坝体防渗工程投资比较表

另外，对坝体防浪护坡设计，对主坝段0 +650 ～1 +400，此段坝前淤积层较厚，水库淤积后水位抬高，原坝体由于填筑质量问题，使坝体渗漏严重，坝后存在积水。此段坝体平均加高1．55 m。针对此段问题，在此段设置混凝土防浪护坡，既可防止风浪对坝坡进行淘刷，又可起到防渗作用。护坡顶与坝顶齐平，防浪护坡高度3． 1 m，底高程在设计水位以下1．6 m，高程为557．4 m，在此高程以下的部分，可以利用现有的淤积层形成的土缓坡防止对坝坡的风浪淘刷。加高的坝体土填筑时，要求其压实度≥0．97，内外边坡分别为1∶2．5 和1∶2．0。对主坝段1 +400 ～2 +370，此段坝前淤积层厚较前段偏小，但坝前水深较高，平均1．96 m，水库淤积后水位抬高，原坝体由于填筑质量问题，使坝体渗漏严重，坝后存在积水。针对此段问题，在此段设置混凝土防浪护坡，既可防止风浪对坝坡进行淘刷，又可起到防渗作用。护坡顶与坝顶齐平，防浪护坡高度5． 1 m，底高程在死水位以下1．62 m，高程为555．4 m。加高的坝体土填筑时，要求其压实度≥0．97，内外边坡分别为1∶2．5 和1∶2．0。

4 加固后效果分析

通过对坝基采取渗漏治理后，对其渗漏量采取复核计算。由于水库淤积严重，库盘淤积层平均厚2 m 左右，形成天然的铺盖层。如果从坝体开始做垂直防渗，如前所述，易对坝体造成震动破坏。如果与防浪混凝土护坡相接在坝前坡脚进行坝基防渗，需进行施工面的清淤，工程投资大，工期长。在现状水库淤积层较厚的情况下，也可减少坝基的渗漏量。所以，本次设计在以恢复库容和保证大坝坝体安全的前提下，暂不进行坝基的防渗处理。通过对坝后设排水棱体及排水渠以降低坝体浸润线，使坝后渗水及时排出坝后，保持坝后坡的干燥，从而保证大坝的安全。

对水库大坝采取渗漏分析及其防渗设计对水库除险加固工程的实施有很大的经济效益、社会效益及环境效益，工程完工后将恢复水库设计洪水标准，消除了垮坝的潜在危险，保证水库安全运行，保障了水库下游人民生命和财产的安全，给下游带来良好的生活环境;恢复已淤积的调节库容，提高水库的调蓄能力，减少水库渗漏，提高水资源的利用率，提高下游灌区的灌溉保证率，促进土墩子农场社会经济的发展和人民生活水平的提高。从国民经济评价可知，本工程多年平均情况下的经济效益费用比EBCR=1．12 ＞1．0( is=8%) ，且工程经济内部回收率EIRR=8．56 ＞8%( 社会折现率) ，经济净现值为18．77 万元( is =12%) ＞0。各项指标表明该工程在经济上是可行的。

5 结 语

通过结合某水库坝基存在的渗漏严重等病害问题，对其采取渗漏分析，通过分析结果采取两种渗漏治理方案比较，同时对不同的设计方案进行对比分析，选取经济合理的设计方案，提出相应的水库加固设计措施，可为同类工程提供参考借鉴。

［1］封国军．浅谈病险水库渗漏治理的措施及必要性［J］．城市建设理论研究，2007，28(10) :118 －119．

［2］张国宗．浅析水库渗漏治理除险加固措施［J］．科协论坛，2011，27(01) :31 －33．

［3］叶天是．水库渗漏加固设计应注意的几个问题［J］． 人民黄河，2012，32(11) :78 －79．