槐树嘴水库大坝防渗措施及其防渗效果分析

陈宏臻　刘长武　王建有

(1.四川大学水利水电学院， 四川成都　610065； 2.郑州大学水利与环境学院， 河南 郑州　450001)



槐树嘴水库大坝防渗措施及其防渗效果分析

陈宏臻1刘长武1王建有2

(1.四川大学水利水电学院， 四川成都610065； 2.郑州大学水利与环境学院， 河南 郑州450001)

本文结合槐树嘴水库存在的渗漏问题，提出混凝土防渗墙的除险加固方案，对施工的主要工艺、技术参数和质量控制等进行介绍；同时利用有限元法分析大坝除险加固措施的防渗效果，并根据水库的当前运行状况，证实该防渗措施效果显著，混凝土防渗墙技术在土石坝加固中可靠实用。

混凝土防渗墙； 除险加固； 渗流； 土石坝

我国是世界上水库数量最多的国家，其中土石坝水库约占总数的93%。这些水库为防御洪水灾害和保障国民经济建设发挥了重要的作用。但由于经济技术条件限制，水文地质资料欠缺，早期的土石坝水库设计标准普遍偏低，加之水库管理落后以及设施老化，形成了大量的病险水库，不但工程本身无法发挥效益，还影响下游人民的生命财产安全[1]。不完全统计资料显示：全国发生的水库垮坝事故中，土坝占98.3%；在这些垮坝事故中约有31.7%是由于渗流引起的，说明由于渗流渗漏造成的溃坝问题相当严重[2]。在水利水电工程中，防渗措施主要有帷幕灌浆、高压喷射灌浆和混凝土防渗墙等。其中，混凝土防渗墙造价低、结构可靠、施工方便、防渗效果好、质量容易控制。在中小型土石坝水库的除险加固中，它的优点相对其他防渗措施尤为突出。本文以槐树嘴水库除险加固工程为例，阐述混凝土防渗墙在具体工程中的应用，并就其渗流问题进行系统分析，以期为其他中小型水库的除险加固提供参考。

1　工程概况

槐树嘴水库位于河南省新密市刘寨乡，水库总库容约146.66万m3，是一座以防洪、农业灌溉为主的水库。水库属于小(1)型水库，工程等别为Ⅳ等，水库设计防洪标准为30年一遇，校核洪水标准为1000年一遇，主要建筑物有主坝、副坝、溢洪道、放水管。大坝为均质土坝，坝顶高程164.48m，最大坝高18.75m，主坝长230m，副坝长150m，坝顶宽6m。溢洪道位于右岸，长268m，进口底宽15m，进口高程158.20m。

坝基河床段为低液限黏土，其上部为筑坝填土(素黏土)，坝体土虽经过碾压，但碾压不均，在库水长期浸泡下局部变得松散，坝体土具弱～中等透水性，导致库水在一定程度上向坝体入渗，在高库容水力作用下，低液限黏土与坝体土之间易形成渗漏通道。在现场检查时，大坝下游坡脚处发现有两处集中渗流，说明该大坝渗流极其严重。长此下去可能出现管涌或流土，导致坝体局部下沉，危及大坝安全。

2　防渗加固措施

根据坝体、坝基岩土和水库运行中出现的问题，大坝防渗应采用垂直防渗措施。混凝土防渗墙在土石坝除险加固中具有防渗效果好、造价低、施工方便、质量容易控制等优点[3]，因此确定采用混凝土防渗墙技术。

设计防渗墙厚度为0.5m，顶部高程为大坝顶部高程164.48m，底部深入坝基下2m，最大深度35.6m。防渗墙范围为0+000～0+195，总长195m，沿坝轴线布置。

在施工之前，要做好混凝土浇筑系统、泥浆系统和其他准备工作，然后布置施工平台和导向槽[4]。为了最大限度地提高防渗墙的整体性，同时结合槐树嘴水库除险加固工程的规模与坝址地层的特点，划分Ⅰ、Ⅱ序槽段，开挖长度同为8m，采用SG-40型液压式抓斗成槽机。Ⅰ、Ⅱ序孔槽间隔布置，墙间接缝采用接头管法[5]。

采用优质膨润土泥浆，泥浆配合比根据现场试验确定。新制泥浆经过24h膨化后才能使用，通过供浆泵输送至槽孔内[6]。施工中，回收的泥浆进行净化处理后可重复使用。泥浆的主要控制指标要满足《水电水利工程混凝土防渗墙施工技术规范》的要求。槽段终孔验收合格后进行清孔换浆，清孔采用抓斗抓取淤泥，利用下设潜水排污泵抽浆，并及时用新鲜泥浆补充[7]。

防渗墙塑性混凝土配合比试验由有相应资质的公司进行[8]，每立方米混凝土材料用量参考如下：水255kg，强度等级为C42.5的普通硅酸盐水泥130kg，膨润土130kg，外加剂2.1kg，砂788kg，碎石926kg。对混凝土的坍落和扩散程度进行监测分析，将坍落度控制在18～24cm，扩散度控制在34～40cm。

塑性混凝土通过混凝土输送泵，经直升式钢导管在泥浆下浇入槽体。导管布置与坝轴线重合，每个槽段设置3组导管，中心间距3m，两端导管与端面距离1m，开浇时导管口距孔底20cm。开浇前储备足够多的混凝土，保证一次封孔成功，并保持导管埋入混凝土深度大于1m且小于6m。槽孔浇筑应遵循先浅后深的顺序，待全槽混凝土面浇平后，再全槽均衡上升，上升速度7m/h，高程控制在0.50m范围内。槽孔内混凝土面上升至槽口时，采用泥浆泵抽出浓浆，并提升导管，直至混凝土顶面超出设计墙顶标高0.5m时，停止浇筑，拔出导管[9]。为确保防渗体质量，在墙顶清理过程中，采用人工清理，墙顶高程不足处进行人工打毛，现浇混凝土补足。混凝土浇筑过程中，在孔口随机取样检测混凝土性能，不合格者不得入槽，并按照混凝土施工规范采取试压模块，以备混凝土检测使用[10]。

3　防渗效果分析

水库运行工况一般分两种，即正常运行情况和非常运行情况。这里我们对非常运行情况，即上游为校核洪水位162.38m时进行渗流分析，如果在非常运用情况下大坝渗流满足稳定要求，那么在正常工况下肯定也能保证渗流稳定。防渗效果主要根据渗流量和渗透坡降等参数以及浸润线、溢出点三个方面进行评价[11]。

大坝渗流计算断面采用2007年3月槐树嘴水库实测坝体断面，桩号0+100处，如图1所示。

图1　大坝计算断面 (高程单位：m)

渗透坡降的允许值由《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》提供的公式求得，如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

式中J破坏——临界水力比降；

[J]——允许水力比降；

KB——安全系数，取为2.0；

rs——土颗粒的容重， N/m3；

rw——水的容重，N/m3；

n——土的孔隙率。

经计算，校核洪水位情况下下游坝坡溢出面和坝址附近渗透坡降允许值均为0.5。

利用有限元方法对大坝建立模型进行分析，同时给出准流网图。根据原设计和现场实测资料，选取图1所示的计算断面。坝体上下游坡脚均视为不透水边界。上游水位取校核洪水位162.38m，水库下游按无水考虑，取下游坝基高程145.73m。计算参数参考郑州市水利建筑勘测设计院提供的工程地质报告中的建议值，如右表所列。

应用“理正渗流分析软件”[12]进行计算，渗流有限元分析的基本方程为：

(3)

式中[K]——透水系数矩阵；

{H}——总水头向量；

[M]——单元储水量矩阵；

{Q}——流量向量；

t——时间。

各层土、岩体物理力学指标的建议值表

在校核洪水位条件下，分别对防渗加固前、后的大坝进行有限元渗流分析，稳定渗流浸润线及势能分布分别如图2和图3所示。由图可看出：ⓐ防渗加固前坝体浸润线在整个坝体内下降平缓，溢出点高程较高；ⓑ除险加固后坝体浸润线在防渗墙处骤降，溢出点高程明显降低，防渗墙内等势线密集，表明防渗墙承担了绝大部分的水头损失。

图2　原大坝准流网 (高程单位：m)

图3　除险加固后的大坝准流网 (高程单位：m)

此外，防渗加固前、后大坝渗流量分别为q=1.169m3/s和q=0.398m3/s，渗流量减少了约65%，说明防渗效果明显；防渗加固后坝体下游逸出点渗透比降最大值为0.2，坝基渗透比降最大值为0.36，防渗墙的最大坡降为18.74，均小于各自的允许渗透坡降，满足防渗要求。

综上所述，槐树咀水库除险加固工程的混凝土防渗墙措施经济可行、防渗效果显著，能够保证大坝的渗流稳定，不发生渗漏破坏。

4　结　语

a.大坝经过防渗加固处理后，水库蓄水至正常蓄水位时，下游坡面与坝址附近的渗透坡降均在允许范围之内，下游坝段没有渗漏逸出点，坡脚处不再发生集中渗流，防渗墙也不会发生破坏。该工程的防渗墙设计能够使大坝不发生渗流破坏，说明塑性混凝土防渗墙的处理方案合理有效。

b.小型水库大坝坝高一般在20m左右，甚至更低，而混凝土防渗墙允许水力坡降一般能达到60以上，30～40cm墙厚即可满足防渗要求，经济合理。同时，它的施工不影响水库运行，速度快，可靠性高，耐久性好，与其他防渗措施相比具有明显的优势。在中小型土石坝水库的除险加固工程中，混凝土防渗墙方案值得推广使用。

[1]周红.大型输配水工程水源保护措施的研究与应用[J].水资源开发与管理，2015(2)：38-40.

[2]韩文娟.库水位降落时均质土石坝非稳定渗流分析[D].扬州：扬州大学，2006.

[3]曾繁运.浅谈塑性混凝土防渗墙在水库除险加固中的运用[J].科技信息，2012(33)：825-826.

[4]宋四海，汪凌，黄玉涛.自嵌加筋式挡墙在水利工程中的应用与实例[J].水利建设与管理，2014(1)：1-4.

[5]刘少跃，莫志锋，潘健,等.地下连续墙接头管法施工技术[J].广东土木与建筑，2009(4)：29-31.

[6]姜婷.深层水泥搅拌桩防渗墙质量检测效果分析[J].水利建设与管理，2015(6)：15-18.

[7]刘翀，王太友.薄壁抓斗法混凝土防渗墙技术在滨田水库的应用[J].吉林水利，2005(6)：31-33.

[8]董永立.塑性混凝土防渗墙在大坝防渗工程中的应用研究[D].南京：南京理工大学，2012.

[9]雷毅.阿尔夏提水库浇筑式沥青混凝土心墙施工技术与质量控制[J].水利建设与管理，2013(12)：33-36.

[10]田伟权.混凝土防渗墙施工技术[J].西部探矿工程，2002(1)：36-37.

[11]程从急，马莹.大板水库大坝防渗加固措施及其效果评价[J].水电能源科学，2013,29(4)：56-59.

[12]侯俊平，郭炜.有限元计算方法在大坝渗流分析中的应用[J].武汉大学学报(工学版)，2005,38(5)：63-66.

Analysis of anti-seepage measures and anti-seepage effect of Huaishuzui Reservoir Dam

CHEN Hongzhen1, LIU Changwu1, WANG Jianyou2

(1.SichuanUniversityCollegeofWaterResourcesandHydropower,Chengdu610065,China;2.ZhengzhouUniversitySchoolofWaterConservancyandEnvironment,Zhengzhou450001,China)

In the paper, seepage problems in Huaishuzui Reservoir are combined for proposing risk removal and reinforcement plan of concrete cut-off wall. Main process of construction, technical parameters, quality control, etc. are introduced. Finite element method is utilized for analyzing anti-seepage effect of risk removal and reinforcement measures. It is proved that the anti-seepage measures have significant effect according to the current operation condition of the reservoir. Concrete cut-off wall technology is reliable and practical in earthwork dam reinforcement.

concrete cut-off wall; risk removal and reinforcement; seepage; earth and rockfill dam

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.017

TV698.2+5

B

1005-4774(2016)01-0055-04