幸福沟水库坝基防渗设计研究

宋国涛，王晓旭

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)



幸福沟水库坝基防渗设计研究

宋国涛，王晓旭

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

摘要：文章介绍了几种目前常用的坝基防渗处理方法及其适用条件。通过工程实例的坝基防渗处理设计计算对坝基防渗处理效果进行了验证，得出了一些实用性的结论，坝基渗流控制的措施，应根据坝高、坝型、水库的用途、坝基地质条件及允许的水库渗漏损失，选择一种或几种适合本水库工程的方案，经过技术经济比较最终确定坝基防渗处理措施。

关键词：渗流；坝基防渗；铺盖；截水槽；防渗墙；帷幕灌浆

1坝基防渗处理方法简介

1.1砂砾石坝基的渗流控制方法

砂砾石坝基渗流控制的措施，应根据坝高、坝型、水库的用途及坝基地质条件，选择上游防渗铺盖、明挖回填截水槽、混凝土防渗墙、灌浆帷幕中的一种或几种可能的方案，经过技术经济比较确定。

根据工程经验，上游水平铺盖防渗措施运行效果不如垂直防渗措施，工程造价也较高，铺盖所用黏土料常涉及征地问题，目前采用较少，更多采用垂直防渗措施来处理覆盖层渗漏问题。几种垂直防渗措施的选用原则和设计方法参照《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)[1]。

1.2岩石坝基的渗流控制方法

当岩石坝基有较大透水性、软弱夹层、风化破碎或有化学溶蚀以致通过地层的渗流量影响水库效益，影响坝体和坝基的稳定或渗透稳定时，应对坝基进行处理。重力坝常采用固结灌浆加帷幕灌浆的处理方法，土石坝常采用帷幕灌浆的处理方法[2]。

2幸福沟水库工程概况

2.1工程简介

幸福沟水库位于尚志市黑龙宫乡以西约1.5km，距尚志镇约24km，地处大亮子河支流幸福沟下游；地理坐标为E127°16＇、N44°28＇，控制流域面积为108 km2。该水库是一座以城镇供水为主，兼顾灌溉和防洪的中型水利枢纽工程。工程建设内容主要包括拦河坝、溢洪道、输水洞等[3]。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)规定，幸福沟水库总库容为0.31×108m3，<1×108m3，>0.1×108m3，为中型，属Ⅲ等工程，主要建筑物土石坝、溢洪道、输水隧洞进水口为3级，其相应的防洪标准采用50 a一遇洪水设计，1 000 a一遇洪水校核。消能防冲建筑物设计采用30 a一遇洪水标准[4]。

枢纽工程布置由土石坝、岸边溢洪道和输水隧洞组成。主坝体采用碎石混合土，黏土心墙防渗，坝基防渗采用塑性混凝土防渗墙加帷幕灌浆。溢洪道基础座落于大坝右岸基岩弱风化层，采取帷幕灌浆防渗，输水隧洞布置在大坝左岸山体中。

土石坝坝长536 m，坝顶高程264.45 m，钢筋混凝土防浪墙顶高程265.65 m，坝顶宽度7.0 m，最大坝高24.55 m，上游边坡1∶2.5，下游边坡1∶2.0。坝顶采用沥青混凝土路面，厚度为8 cm，下设12 cm砂砾石垫层；坝体防渗采用黏土心墙形式，基础防渗采用塑性混凝土防渗墙加帷幕灌浆，心墙顶宽3.0 m，靠近上游布置，心墙中心线与坝体中心线相距2.0 m，心墙上、下游边坡均为1∶0.25，心墙底宽约为最大水头的1/2，两侧各设3.0 m反滤过渡带，心墙顶高程为262.55 m。

2.2坝基地质资料

坝基上部为第四系松散层，岩性为卵石混合土、碎石混合土，最大厚度14 m，卵石混合土渗透系数K=100 m/d，属于强透水土体，碎石混合土渗透系数K=0.8 m/d，属于中等透水土体。允许水力比降卵石取J允=0.10，级配不良中砾取J允=0.15。

坝基第四系松散层下面岩体为闪长玢岩。左坝肩岩体为中等透水岩体；右坝肩岩体为弱透水岩体，河谷部位坝基岩体上部为中等透水岩体，中等透水以下岩体为弱透水岩体。

3渗流计算采用软件介绍

建堤防渗流计算采用理正岩土工程软件。《理正渗流分析软件》主要设计原理如下：

1)平衡方程：[K]{H}={F}。

2)单元刚度矩阵：

(1)

3)由节点水头求三角形单元内任意点水头：

(2)

式中：N1=(a1+b1x+c1y)2A；N2=(a2+b2x+c2y)2A；N3=(a3+b3x+c3y)2A；A为三角形面积。

4)由节点水头求三角形单元内任意点流速：

(3)

5)内源或蒸发所引起的力向量：

(4)

式中：Q为单元内源或蒸发造成的流量。

6)边界流量所引起的力向量：

(5)

7)已知水头边界的处理方法：

方法1：类似与结构力学处理强制位移的“乘大数”法，采用迭代法搜索浸润面，每次计算水头增量时，对应于已知水头节点的力增量项均为零。

方法2：将已知节点的水头项全部移到方程的右端，采用迭代法搜索浸润面，每次计算水头增量时，对应于已知水头节点的力增量项均为零。

8)剩余流量法计算浸润面：

a)自由面的求法：

找出满足“正负两端节点水头—正—负”的所有边线，通过线形插值分别求出各自由点，再根据位置关系生产一条等值线。

b)Vn的求法：

得到节点的H后，可求出每个单元的Vx、VY，再由Vn=IxVx+IYVy得到单元自由面上的Vn，在三角形单元的情况下，Vx、VY、Vn均为常数。

c)关于力增量的求法：

(6)

4坝基渗流控制设计

4.1坝基覆盖层渗流控制设计

幸福沟水库坝基覆盖层达到14m厚，上部卵石混合土属于强透水土体，下部碎石混合土属于中等透水土体。在正常蓄水位情况下，坝基覆盖层年渗漏量为7 300 万 m3，水库允许年渗漏量为65 万 m3，坝基覆盖层渗漏量远高于允许值，需对坝基覆盖层进行防渗处理。

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)6.2.13条款，铺盖应与下游排水设施联合作用，对高中坝、复杂地层、渗透系数较大和防渗要求较高的工程应慎重选用。所以，铺盖防渗不适用于本水库工程，故而不选铺盖防渗进行方案比较。

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)条文说明6.2.12，国内在砂砾石中做灌浆帷幕，1958年以来成功的只有密云、下马岭和岳城水库，近年来基本上没有用此方法进行砂砾石坝基处理。加之本工程覆盖层不是很厚，所以不选帷幕灌浆做为砂砾石坝基的防渗措施。

设计选用黏土截水槽防渗方案、混凝土防渗墙防渗方案两方案进行技术经济比较。

方案1：黏土截水槽方案，黏土截水槽底宽3m，入岩1m，边坡为1∶1.5，选用与坝体黏土心墙相同的防渗土料。

方案2：混凝土防渗墙方案，混凝土防渗墙厚度为0.8m，入岩1m，顶部插入黏土心墙3m。

两方案比较结果见表1。

表1　坝基覆盖层防渗方案比较表

通过计算分析可知，方案1与方案2坝基渗漏量相差不大，均能较好地控制坝基渗流量，但是均满足不了本工程对坝基渗漏损失的要求，需对坝基基岩进行防渗处理。从防渗措施投资方面分析，由于工程区黏土料不足，需要外购黏土料，使黏土单价较高，造成方案1投资高于方案2。覆盖层基础防渗形式选用方案2，即选用混凝土防渗墙方案防渗[5]。

4.2坝基基岩渗流控制设计

本工程对水库渗漏损失要求较高，根据4.1节计算分析，需要对坝基基岩进行防渗处理。初步拟定采用0.8m厚塑性混凝土防渗墙深入弱风化层上限1m，下设灌浆帷幕，灌浆孔距1.5m，单排布置。对于3级坝，相对不透水层透水率的标准宜为5～10Lu，而据地质各钻孔揭露，基岩透水率除左坝肩不能满足该要求外，其他坝段均可满足。现拟定4种不同的处理方案，分别计算各方案在正常蓄水位262.00m工况下的渗流情况及帷幕灌浆投资情况。

方案1：帷幕灌浆深度自塑性混凝土防渗墙底算起为5m。

方案2：帷幕灌浆深度自塑性混凝土防渗墙底算起为10m。

方案3：帷幕灌浆深度自塑性混凝土防渗墙底算起为15m。

方案4：帷幕灌浆深度自塑性混凝土防渗墙底算起为20m。

计算成果见表2。

表2　不同帷幕深度计算成果表

根据上表可知，随帷幕深度增加，渗流量呈减小趋势，方案3与方案4的渗流量相差不大，原因在于方案3帷幕15m深时，帷幕已基本进入微风化范围，帷幕下基岩透水率已相对较小；方案3帷幕15m深时坝基年渗漏量小于允许值，本次设计帷幕灌浆深度选为15m。

综上分析，幸福沟水库坝基防渗型式选为塑性混凝土防渗墙加帷幕灌浆组合式防渗，塑性混凝土防渗墙厚0.8m，伸入坝体黏土心墙3m，伸入坝基岩体弱风化层上限1m，下设灌浆帷幕，灌浆帷幕深15m，灌浆孔距1.5m，单排布置。

5结论

大坝基础防渗分为上游水平铺盖防渗和坝基垂直防渗，根据工程经验，上游水平铺盖防渗措施运行效果不如垂直防渗措施，工程造价也较高，铺盖所用黏土料常涉及征地问题；垂直防渗措施能可靠而有效地截断坝基渗透水流，在技术条件可能而又经济合理时应优先采用垂直防渗措施。对渗漏量损失要求较高的水库、坝基砂砾石层渗透稳定性差，采用铺盖及排水减压措施不能保证坝基的渗透稳定时、砂砾石坝基深厚，水平层次非常显著，具有强渗漏带时，对中、高坝应采用垂直防渗措施。坝基渗流控制的措施，应根据坝高、坝型、水库的用途、坝基地质条件及允许的水库渗漏损失，选择一种或几种适合本水库工程的方案，经过技术经济比较最终确定坝基防渗处理措施。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.SL 274—2001碾压式土石坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2001.

[2]卢延浩.土力学[M].南京：河海大学出版社，2005：21-24.

[3]祁庆和.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，2005：8-10.

[4]中华人民共和国水利部.SL 252—2000水利水电工程等级划分及洪水标准[S].北京：中国水利水电出版社，2000.

[5]宋国涛.基于理正软件的病险水库除险加固设计研究[J].东北水利水电，2013(03)：66-68.

中图分类号：TV223.4

文献标识码：B

[作者简介]宋国涛(1983-)，男，黑龙江拜泉人，工程师；王晓旭(1987-)，女，黑龙江佳木斯人，助理工程师。

[收稿日期]2015-11-28

文章编号：1007-7596(2016)01-0034-03