后河沟水库大坝防渗方案浅析

赵小宁

（陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西 西安 710016）

1 工程概况

后河沟水库位于铜川市印台区红土镇西北6 km处，距离铜川市印台区24 km，后河沟系白水河右岸二级支流，发源于宜君县云梦乡南斗村北沟，由西北流向东南，经前河沟村，在太和寺村汇入上马河。流域面积25.4 km2，河道长9.7 km，河道平均比降14.8‰。后河沟水库以红土镇区生活用水和高效农业灌溉用水为主，具有常规水源和抗旱应急备用水源的双重任务。

后河沟水库枢纽由碾压式均质土坝、溢洪道、导流输水洞等建筑物组成，水库总库容291万m3。坝顶高程1021.5 m，最大坝高30 m，工程属于Ⅳ等小（1）工程，主要建筑物级别为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。水库防洪标准按30年一遇设计，300年一遇校核，相应的洪峰流量分别为129 m3/s和247 m3/s。水库死水位为1009.5 m，正常蓄水位为1015.7 m，设计洪水位1018.0 m，校核洪水位1019.3 m。

2 工程地质条件

（1）地形地貌与地层岩性

工程区地处鄂尔多斯台向斜东缘间歇性的缓慢抬升地区，是黄土高原与渭河平原的过渡地带，总的地势由北向南倾斜，沟壑纵横，构成了黄土丘陵沟壑地貌类型。地面标高994 m～1105 m左右，相对高差超过110 m。随渭北隆起掀斜作用，新生代以来在缓慢上升背景上大面积拱起，处于抬升剥蚀区，第四纪以来堆积了中上更新统黄土；在河谷阶地及漫滩区，堆积了第四系各类岩性的冲洪积层，详述如下：

1）全新统冲积砂卵砾石层(Q4al)：分布于河床及河漫滩、一级阶地。稍湿，分选差，次圆状，主要成分为砂岩及钙核，砂及粘性土充填，局部夹重粉质壤土薄层。河床上该套地层一般厚约3 m～5 m。

2）第四系上更新统萨拉乌苏组冲积层(Q31al)：分布于二级阶地下部，具二元结构，新鲜断面可见典型的姜黄色斑块，岩性以重粉质壤土为主，夹含细粒土砾（GF）。

3）第四系上更新统风积马兰黄土（Q3eol）：零星分布于二级以上阶地及黄土梁峁表层，黄土岩性为重粉质壤土，底部可见一层古土壤，具柱状节理。出露厚度一般在10 m～20 m。

4）第四系中更新统风积冲洪积层（Q2eol＋pal）：分布于三、四级阶地下部，具二元结构，岩性以重粉质壤土为主，夹含细粒土砾（GF）透镜体。

5）第四系中更新统风积离石组黄土（Q2eol）：零星分布于黄土梁峁下部，在黄土冲沟的沟底及侧壁出露，岩性为重粉质壤土，发育数层古土壤，成壤作用好，呈综红色。该套地层总体厚度可达50 m～60 m。

6）第三系上新统静乐组半胶结粘土岩（N2）：为一套深红色粉砂质粘土夹钙质结核层，粘土致密，坚硬，潮湿后粘性好，铁锰质薄膜及结核发育。钙质结核在粘土层中呈疙瘩状、葡萄状零星分布或集结成层。

7）三叠系（T）

总厚大于500 m，与下伏地层整合接触。分布于石千峰组北界至山前的广大地区。下部灰绿色，厚—巨厚层状，交错层理发育的砂岩为主，夹有棕红色、薄层粉砂岩、泥质砂岩，厚160 m；上部紫红、棕红、灰绿色粉砂岩、泥质砂岩与黄绿、灰绿、紫灰色薄层状砂岩互层，厚300 m～400 m。

（2）区域构造稳定性及地震

工程区内地质构造简单，构造变形较微弱，为相对稳定的地块。基岩呈单斜构造，岩层倾向北西，倾角1～3°，无构造断裂迹象，新构造运动以整体缓慢抬升为主。根据《中国地震动参数区划图》GB18306—20015，工程区地震动峰值加速度为0.10 g，地震动特征周期为0.45 s，相应地震基本烈度为Ⅶ度，工程抗震设防分类按标准设防类考虑。

（3）坝基及坝肩地质条件

坝址以上流域面积20.544 km2，谷底宽度95 m，设计坝顶高程1021.5 m处河谷宽度230.4 m。1018 m高程以下河谷两岸一级阶地对称分布，1018 m以上为高阶地及老黄土组成的谷坡。

B0+008.3～B0+062.7为后河沟左岸一级阶地，⑧1层含细粒土砾，母岩成份以钙结核及砂岩碎块为主，泥砂质充填，渗透系数 3.6×10-2cm/s，承载力 300 kPa，强度较高，渗透性较大，易发生管涌破坏，是导通上下游的主要渗漏通道，需采取工程措施进行截渗，具体见图1。

B0+062.7～B0+168.7为后河沟漫滩，2.3 m～6.7 m为含细粒土砾（GF），母岩成份以钙结核及砂岩碎块为主，泥砂质冲填，渗透系数3.6×10-2cm/s，承载力280 kPa，强度较高，渗透性较大，易发生管涌破坏，是主要渗漏通道，需采取工程措施进行截渗；16.2 m以下为强风化的岩土分界面，强风化厚度1 m～2 m，渗透系数2.50×10-1cm/s，是可能的渗漏通道，需要进行截渗处理，具体见图2。

B0+168.7～B0+238.8为后河沟右岸一级阶地，30.00 m～34.30 m岩性为含细粒土砾（GF），母岩成份以钙结核及砂岩碎块为主，泥砂质冲填，渗透系数3.6×10 cm/s，承载力 300kPa，强度较高，渗透性较大，是可能的渗漏通道。34.3 m以下为强风化的岩土分界面，渗透系数 2.50×10-1cm/s，强风化厚度 1 m～2 m，是可能的渗漏通道，需要进行截渗处理，具体见图3。

图1 左坝肩地质剖面

图2 坝基地质剖面

图3 右坝肩地质剖面

3 坝址渗漏工程地质问题

3.1 砂砾石地层的分布位置规律不明确，防渗处理范围不易确定

由地质条件论述及基地质剖面图可知，覆盖层中上部与下部均分布有⑧1砂砾石层，中间夹杂有⑧冲洪积重粉质壤土，⑧与⑧1的层位划分是按照含泥量或砂砾石量的百分率来确定，并且地质分层线在钻孔以外仅为推测，有何能上下两层砂砾石在上游坝基或库区存在连通，砂砾石地层的分布位置规律不明确，防渗处理范围不易确定。

3.2 坝基砂砾石层渗透系数大，渗透水量多

拟建坝基以弱透水的重粉质壤土为主，坝基下含细粒土砾（GF），坝基重粉质壤土层以下为强风化的岩土界面，为防止坝基渗漏及渗透坡坏，应对含细粒土砾（GF）层及下部岩土界面处强风化岩采取截渗工程措施，当在含细粒土砾（GF）层中及下部岩土界面处强风化岩层中采取截渗措施后，可将整个坝基概化为一均质弱透水的坝基，取其渗透系数为0.05 m/d（5.78×10-5cm/s），含水层厚度按16 m考虑，坝基渗漏量为21.3 m3/d，单侧绕坝渗漏量为4.85 m3/d。在不截渗的情况下，坝基渗漏量为1459 m3/d。

3.3 覆盖层厚度大，防渗处理难度大

拟建坝坝体顶高程为1021.5 m，大坝高30 m，坝体覆盖层厚度15.5 m～24.6 m，平均厚度约20 m，覆盖层厚度约为坝体高度的2/3，防渗工程量较大，特别是坝肩防渗处理难度大。

4 大坝防渗方案

4.1 规范要求大坝防渗方案

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，通过技术经济比较确定防渗方案。一般防渗方案分为：垂直防渗、上游防渗铺盖、下游排水设备及盖重四种形式。修筑水库是为利用雨洪资源，在保证生态基流的情况下，尽可能多的拦蓄水资源，尤其是在水资源较为缺乏的铜川地区，下游排水方案首先要被排除。上游防渗铺盖方案也不可取，是由于地基砂砾石层分布不规则，库盆及库尾均有砂砾石漏，该方案需要处理的上游铺盖面积极大，经济上不合理，并且在蓄水前无法验证处理效果，设计不采用该方案。

本次设计推荐采用垂直防渗方案。直防渗方案有明挖回填截水槽、混凝土防渗墙、灌浆帷幕、上述两种或两种以上形式的组合。垂直防渗措施的选择应符合下列原则：①砂砾石层深度在15 m以内，宜采用明挖回填粘土截水槽；②砂砾石层深度在80 m以内，可采用混凝土防渗墙；③砂砾石层很深时，可采用灌浆帷幕，或在深层采用灌浆帷幕，上层采用明挖回填粘土截水槽或混凝土防渗墙。

4.2 地质针对坝基渗漏处理建议

坝址有全新统冲积层厚度6.7 m，其中上部2.3 m为重粉质壤土，下部4.3 m为砾卵石，较为纯净，渗透系数大（3.6×10-2cm/s），必须进行截渗处理。全新统之下，为中更世堆积层，岩性为重粉质壤土，致密、坚硬，无孔隙，粘粒含量平均值为25.4%，渗透系数为3.38×10-5cm/s，可视作隔水层。在⑧层重粉质壤土底部，夹有⑧1层含细粒土砾石，渗透系数为3.6×10-2cm/s，为强透水层；在⑧层重粉质壤土层以下的强风化岩土界面处，有1 m～2 m的强风化砂岩。尽管从坝基中线纵断面来看，⑧1层含细粒土砾石及下部的强风化基岩均处在⑧层重粉质壤土底部，但从河流的沉积规律来说，并不能排除其与上下游不同深度的砾石层连通的可能性，这种可能性有时候是必然的。因此，建议对基岩上部强风化岩进行围幕灌浆截渗。对⑧1砾石层采用截渗墙截渗。

4.3 坝基渗漏处理措施

大坝防渗范围主要是坝基覆盖层内的砂砾石与基岩上部的强分化层，渗透系数大于3.6×10-2cm/s。后河沟水库覆盖层平均厚度在20 m，本次设计考虑针对坝基中上部砂砾石层采用明挖回填截水槽；针对左右坝肩及坝基下部强透水含细粒土砾层采用60 cm厚C10塑性混凝土防渗墙；针对基岩上部的强风化层采用帷幕灌浆进行截渗。

防渗方案采用：截水槽＋混凝土防渗墙＋灌浆帷幕方案。坝基段0＋75.58～0＋163.75段开挖截渗槽，开挖至含细粒土砾层以下1 m，截水槽底宽8 m，两侧边坡均为1∶1，槽深5 m。坝体防渗墙范围为 F0＋000～F0＋249.98(B0＋220.98)；溢洪道部分防渗墙范围为B0＋220.98～B0＋237.02。坝体防渗墙与溢洪道底板下部悬挂式防渗墙相结合，坝体混凝土防渗墙总长249.98 m。坝体混凝土防渗墙底部高程深入强风化基岩面以下不小于50 cm。B0＋075.58～B0＋163.75坝基段防渗墙顶部深入坝体内3 m。墙厚60 cm，墙体深度40 m～13 m。防渗墙底部结合帷幕灌浆处理，灌浆深度5 m，孔距1.5 m。

5 结语

通过该防渗方案的处理，基本解决了后河沟水库的坝基渗漏问题，确保水库蓄水与坝体安全，是大坝设计的重要工作之一。结合设计内容提几点建议：

1）根据基岩特性，合理确定防渗墙与灌浆帷幕衔接位置与形式，防止接触不良，产生新的渗透通道；

2）根据地层，合理选用防渗墙的混凝土与添加剂，通过试验确定墙体弹性模量，使之与地层特性相协调，防止墙体产生裂缝；

3）确定合理的设计施工方案，特别是成槽方式，防渗墙体的分缝与接头的处理工艺，以确保防渗墙的防渗效果。