兔子湖水库大坝渗流安全分析与治理措施探究

向广银（河南省信阳市水利勘测设计院 信阳 464000）

兔子湖水库大坝渗流安全分析与治理措施探究

向广银
（河南省信阳市水利勘测设计院 信阳 464000）

兔子湖水库兴建于20世纪70年代初期，水库大坝为均质土坝，填筑质量差，坝体渗漏严重。本文运用有限元法对信阳市兔子湖水库大坝渗流安全进行分析评价，并通过方案比选论证，提出水泥土搅拌桩的防渗处理方案。

水泥土搅拌桩 坝体防渗 渗透系数 渗流稳定

1 工程概况

兔子湖水库位于淮滨县城南7km张庄乡境内，淮河二级支流思河上，控制流域面积50.8km2。水库兴利水位31.60m，50年一遇设计水位33.10m，300年一遇校核水位33.55m，总库容2025万m3。主要建筑物包括大坝、溢洪道、灌溉输水洞及交通桥，水库大坝为均质土坝，坝长1062m，最大坝高7.7m。水库兴建时，正值十年浩劫末期，工程在边勘测、边设计、边施工的情况下仓促上马实施，施工质量较差，大坝渗漏严重，存在较大的渗流安全隐患。

2 坝体渗流安全分析

2.1 地质钻探与现场观测情况

通过地质钻探揭示：大坝坝体填筑质量普遍较差，土体碾压密实度不够，并有大量空隙，大坝桩号0+230、0+780附近填土干密度为1.45～1.56 g/cm3，渗透系数K为1.60× 10-5～4.99×10-4cm/s，渗透等级为弱～中等透水。

通过水库现场运行观察，当库水位高于31.60m时，大坝背水坡即出现大面积渗水，并伴有散浸现象，散浸段主要位于桩号0+175～0+320（右端与庄台接合处）、0+720～0+810（主河槽），逸出点高程位于28.40～28.90m之间。

2.2 坝体渗流安全分析

由于坝体未安装浸润线观测管，坝脚无量水堰，未积累相关的观测资料，所以仅对大坝渗流安全作理论分析。

2.2.1 计算断面选取

综合地勘资料选取桩号0+800处断面作为大坝渗流分析的典型剖面，该剖面为最大坝高剖面，见图1。

2.2.2 渗透系数选取

计算断面各区土层的渗透系数均采用该项目工程地质勘察报告的建议值，K=2.57×10-4cm/s。

2.2.3 允许抗渗坡降计算

低液限粘土发生渗透破坏的主要形式为流土，临界坡降按下式计算：

式中：GS—土粒比重，GS=2.72（由《勘察报告》查得）；

e—土的孔隙比，e=0.72（由《勘察报告》查得）。

经计算，Jcr=0.999

根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99），结合该水库大坝的重要性，安全系数取2.0。则允许抗渗坡降[Jcr]=0.999/2=0.5。

2.2.4计算方法及工况

计算采用理正渗流计算软件程序，用有限元法求解渗流水头并计算渗漏流量。渗流有限元分析基本方程为：

式中：[K]—透水系数矩阵；

{H}—总水头向量；

[M]—单元储水量矩阵；

{Q}—边界流量对节点水头的贡献；

t—时间。

表1 大坝坝体注水试验成果表

图1 大坝典型剖面渗流分析计算图

计算工况：（1）正常蓄水位31.60m，下游无水；（2）设计洪水位33.10m，下游无水；（3）校核洪水位33.55m，下游无水；（4）校核洪水位33.55m骤降至正常水位31.60m，下游无水。

2.2.5 计算成果及分析

各特征库水位下的渗流计算成果见表2。

从计算结果可以看出：（1）设计水位、校核水位工况下，下游坝体的浸润线均较高，出逸点位置高；（2）当库水位从正常蓄水位31.60m上升到校核洪水位33.55m时，渗漏量由0.61m3/d/m增至1.27m3/d/m。水库运行中出现在主河槽和右岸台地段多处散浸现象比较明显，坝体渗流存在安全隐患。

3 坝体防渗加固方案选择设计

针对坝体填筑质量差、清基不彻底，主河槽坝段、右坝肩台地段严重渗漏问题，需对坝体进行防渗加固处理。3.1防渗处理方案比选

拟定三种方案进行比较：方案Ⅰ，多头小直径深层搅拌水泥土防渗墙；方案Ⅱ，大坝劈裂粘土灌浆；方案Ⅲ，浇筑塑性混凝土防渗墙。

方案Ⅰ：多头小直径深层搅拌水泥土防渗墙

深层搅拌水泥土防渗墙一般采用单轴、多轴深搅拌桩机施工。其原理是用深搅拌桩机钻孔至预定深度，向孔中注入水泥浆液，用螺旋型钻头进行搅拌，尽量使土体与水泥浆强制拌合均匀而凝结，形成水泥土柱，互相搭接成墙，起到防渗作用。技术要点：（1）施工工艺较简单，施工工效高，与塑性混凝土防渗墙施工相比，不需开槽，无塌孔、护壁等问题；（2）成墙造价低，折算85.26元/m2；（3）成墙效果好，墙体厚度均匀、连续，墙体厚度满足防渗要求。

方案Ⅱ：大坝劈裂粘土灌浆

土坝劈裂灌浆是运用坝体应力分布规律，用一定的灌浆压力，将坝体沿坝轴线方向劈裂，同时灌注合适的泥浆，形成铅直连续的防渗帷幕，并堵塞漏洞裂缝或切断软弱层，以提高坝体的防渗能力；同时，通过浆坝互压和湿陷，使坝体内部应力重分布，提高坝体变形的稳定性。劈裂灌浆具有机理明确、工艺简单、施工工期短等优点。但它也有一定的局限性：（1）对于粗砂及卵砾石坝基，因其土层结构性差，形不成连续劈裂，不宜于采用劈裂灌浆；（2）影响坝体整体强度，持久性差；（3）防渗效果没有防渗墙显著。

表2 加固前大坝典型剖面渗流计算成果表

表3 加固后大坝典型剖面渗流计算成果表

方案Ⅲ：塑性混凝土防渗墙

在坝顶上开深槽，采用锯槽法施工，塑性混凝土材料具有抗渗性能好，变形模量低，极限应变值大，适应变形能力强等特点，对坝体和坝基渗漏处理效果好。但工程造价高，折合348.35元/m2，约为方案Ⅰ投资的4倍。

该工程大坝为均质土坝，最大坝高只有7.7m，经防渗性、安全性、经济性等方面综合比较，采用方案Ⅰ。

3.2 防渗处理设计

本工程拟对大坝0+630～0+870、0+175～0+370段采用多头小直径深层搅拌水泥土防渗墙进行防渗处理，沿坝轴线布置，采用单排桩布设，一机3个钻头，直径为400mm，桩搭接宽度为100mm以上，水泥土防渗墙进入坝基低液限粘土层1.0m。

3.2.1 墙体厚度

防渗墙厚度是根据破坏时的水力梯度来确定的，其计算公式为：

δ=H/J允

式中：δ—防渗墙厚度，m；

H—作用在墙体上的水头，m；

J允—防渗墙的允许水力梯度，设计采用J允=40。

经计算，墙体厚度取0.3m。

3.2.2 墙体深度

防渗墙底部高程至坝基低液限粘土1.0m，搅拌桩距输水洞洞壁1m范围内不做防渗。

4 加固后坝体渗流稳定验算

加固后坝体渗流稳定验算典型断面、计算参数、计算方法和计算工况同加固前坝体渗流安全分析。各种工况下的渗流计算成果见表3。

从计算结果可以看出：防渗处理后各种工况下，下游坝体的浸润线溢出点均较低，渗漏量也大幅降低，坝体渗流形态趋于安全，下游坡不会发生渗透破坏。

5 结论

确定水库大坝防渗加固方案时，经过深层搅拌桩水泥土防渗墙、坝体劈裂粘土灌浆、塑性混凝土防渗墙多种方案比较，最终确定采用深层搅拌桩水泥土防渗墙方案。为使坝体渗水能安全排出，在背水坡坝趾处设置贴坡排水。通过上堵下排的防渗处理方案，较为彻底地解决了大坝渗透稳定问题