水库大坝防渗加固设计与复核计算

朱智元

（新疆阿勒泰地区青河县水利局，新疆 青河 836200）

1 工程概况

某水库位于新疆维吾尔自治区阿勒泰地区青河县境内，是一座以防洪为主，兼具灌溉、生态等功能的小型水库。水库的集雨面积1326.2km2，总库容21.34万m3。水库工程规模为小（2）型，工程等别Ⅴ等，主要水工建筑物级别5级。水库建成于20世纪70年代中期，主要水工建筑物为大坝、溢洪道和放水涵洞。其中，大坝为均质土坝，坝顶高程1260.15～1260.40m，最大坝高4.5m，大坝全长185.20m，坝顶宽3.5～5.0m，坝顶没有硬化；水库大坝的迎水坡坡度1∶1.5，背水坡坡度1∶2.5～1∶3.0。由于设计施工标准低，经过长期运行后病险问题较为突出，主要表现为大坝洪水设防标准较低，防洪能力不能满足要求；大坝的渗漏情况较严重，渗流量较大，不满足SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》要求［1］。大坝的坝坡土体裸露，没有护坡措施，溢洪道和引水渠年久失修，过流能力不足且存在较严重的漏水现象。针对水库的现状特征，依据SL258—2017《水库大坝安全评价导则》对水库大坝进行评价，确定为三类坝［2］。

2 大坝防渗加固方案设计与比选

2.1 防渗加固方案设计

由于水库大坝为均质土坝，同时建成年代较久远，因此不仅填筑质量不高，同时也存在老化问题，渗水情况较严重。针对大坝渗漏逸出点位置偏高的问题，参照国内外类似工程的设计经验，提出两种加固方案进行比选。

2.1.1 方案1（黏土斜墙）

该方案的基本思路是在坝体上游部位利用渗透系数低的黏土构筑斜墙防渗措施，达到大坝防渗加固的效果［3］。按照SL189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》关于斜墙技术要求［4］，其渗透系数值小于1×10-5cm/s，防渗黏土斜墙应自上而下逐层加厚，且顶部宽度在1.5m以上。

黏土斜墙方案设计如图1。

图1 黏土斜墙方案的设计

2.1.2 方案2（多头小直径防渗墙）

该方案是单头小直径深层搅拌技术和双头小直径深层搅拌技术相结合形成的一种防渗技术，其基本技术流程是，利用高压泥浆泵将拌制好的水泥浆输送进钻杆，经过钻头叶片上的孔洞喷入土体，经过与土体充分搅拌，形成具有一定强度和防渗效果的连续墙体，从而达到防渗加固的目的［5］。

多头小直径防渗墙方案设计如图2。

图2 多头小直径防渗墙方案设计

2.2 大坝防渗加固设计方案比选

两种大坝防渗设计方案的优缺点如表1。

表1 防渗加固方案的技术比较

通过表1可看出，黏土斜墙方案不仅可达到良好的防渗效果，还具有投资低、施工简单的优势，故本次工程设计中采用方案1。

结合水库大坝的具体参数和相关规范，黏土斜墙顶宽2.0m，截渗槽开挖深度1.5m。按照水库设计水位上0.5m设计斜墙顶高程1259.30m。

黏土斜墙的填筑材料为素黏土，其基本参数为：黏粒含量15%～40%，塑性指数10～20，有机质含量＜2%，含水量25%～28%，渗透系数K≤1.0×10-5cm/s，土料压实度≥0.96，干密度＞1.45t/m3不填筑材料可在下游取土场直接采挖，含水率不满足要求时采取洒水或晒干处理。

2.3 坝顶与坝坡加固设计

针对水库大坝坝坡现状，在大坝加固设计中，对土层裸露的大坝上游坡面新建现浇混凝土和植草护坡。首先按照加固设计要求进行地基清理，并将坝坡的坡度统一平整为1∶2.5，按照水库设计水位特征，高程1260.60m以下部分采用现浇混凝土护坡，以上部位则采用草皮护坡。

对于大坝的下游面，加固施工中需要进行整形和加培施工，将现存的不完整草皮护坡进行清理，清基和加固完毕后，重新利用草皮护坡。鉴于大坝下游坡面的排水沟断面较大，在遭遇短时强降雨时容易造成漫流和冲刷，因此进行排水沟重建，其设计断面为梯型断面，宽、深均为1.0m。排水沟与下游渠道连接并采用预制混凝土块防护，兼作灌溉渠道。

水库除险加固完成后正常蓄水位1259.70m，校核洪水位1260.50m。但大坝现状高程并不标准，一般在1260.15～1260.40m之间，不仅高程起伏较大，填筑质量也不高。对大坝的坝顶统一整平加高，达到1270.00m高程，对坝顶土体进行压实，且压实度不低于0.96，同时将宽度不一的坝顶统一加培修整至4.0m宽，并在坝顶新建宽度3.5m的水泥路面，提高坝顶的通行条件。路面采取外侧单向排水设计，坡度1.5%。

3 大坝渗流安全复核计算

3.1 典型断面

根据大坝的地质勘测报告及多年来的险情发生部位，选取桩号0+160.7断面作为典型计算断面。

3.2 构建模型

本文采用AutoBANK软件进行主坝典型断面的渗流稳定分析。AutoBANK软件模拟包括单孔和多孔材料模型，可用于岩土的内部孔隙水压力分布和水体运动问题的分析研究［6］。以典型断面为研究断面，利用AutoBANK软件分析水库主坝坝体进行除险加固工程前后的渗流特征［7］。应用软件单元体模型划分网格，在典型断面上进行小四边形单元划分，其中，加固前的模型划分18976个单元，24197个计算节点；加固后的模型划分25677个计算单元，32879个计算节点。稳定渗流场的计算采用二维有限元法，按各项同性介质模型，采用拉普拉斯方程式进行计算求解［8］。

3.3 计算参数

从除险加固工程的地质勘查报告中获取大坝计算断面各土层的主要计算指标，并将其作为大坝渗流安全复核计算的土体参数，如表2。

表2 大坝渗流复核参数值

3.4 计算工况

根据SL189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》的有关规定，渗流计算选择工况及相应水位组合如表3。

表3 计算工况及相应水位组合

3.5 计算结果与分析

利用构建的有限元模型对水库大坝防渗加固前后的渗流参数进行计算，结果如表4。

表4 加固前后大坝渗流计算成果

由表4相关数据得出，典型断面上坝体与坝基接触面上的最大水平比降0.09，小于粉质黏土临界比降0.4，其渗透稳定满足要求。校核水位工况下游坝坡渗出段的最大出逸比降0.493，小于粉质壤土的允许出逸比降粉质黏土最大值0.6。因此，在渗流安全方面，下游出逸点渗流段没有遭受破坏的可能。

4 结语

针对新疆维吾尔自治区阿勒泰地区青河县水库大坝渗漏问题，进行除险加固设计与复核计算，经过防渗加固方案的对比分析，水库大坝防渗加固采用黏土斜墙方案。在正常水位、设计水位和校核水位3种工况下的渗透稳定满足要求，下游坝脚渗出段没有产生渗流破坏的可能。