软弱坝基上平原水库坝体坝基渗漏分析及施工措施研究

聂亮亮

(江西省赣禹工程建设有限公司，江西 南昌 330000)

过去几十年，为了合理开发水资源，充分利用地表水资源，我国修建了诸多平原水库，随着水库投入运行，不断出现一系列问题，其中水库渗漏成为最致命的问题之一，根据统计结果显示，因渗漏破坏而导致大坝垮坝的，占30%以上[1]。我国水库除修建在岩基或硬土地基上，大部分修建在河道冲积层和滨海沉积层上，坝基地质条件通常以轻粉壤土为主，呈松散状态，渗透性强且土层分布厚度不均匀，夹有高压缩性、低强度的黏土层。在此类地基上修建坝基，如若防渗措施及工艺选择不合理，将会导致水库渗漏问题进一步加剧。因此，需要对软弱坝基上的水库坝体渗漏进行研究。

国内外许多专家均对水库渗漏问题开展了研究，计庆宝对泽城西安水电站大坝渗漏进行研究，发现坝基全新统洪积卵石混合层、强风化岩层为渗漏的主要部位[2]，顾正聪认为小浪底土石坝运行期间在坝基覆盖层和基岩断层处产生了较大的渗漏量[3]，吕百胜、庞琼、闫小兵、张先员等对水工坝基防渗技术进行了探讨，如采用混凝土和自凝灰浆制作防渗墙、以高压喷射为施工方式的防渗墙、帷幕灌浆、淤泥固堤防渗、水泥土搅拌桩防渗墙等各种新型且见效快的防渗措施[4- 7]。大坝渗漏主要有三种：坝体渗漏、坝基渗漏和坝肩渗漏，其中坝基渗漏是水库工程中普遍存在的问题[8]。本文在总结前人研究理论和技术的前提下，对软弱地基上平原水库坝基土渗透性进行试验研究，并提出防渗方案及施工工艺措施，可为类似地基上修建水库提供借鉴。

1 工程概况

该水库为中型平原水库，设计最高蓄水位为20.00m，最大库容为4732万m3，年入库水量为7657万m3，年供水量为6980m3，水库所在地土层为冲积平原新近沉积的粉土、黏土，坝基土深度30m范围内自上而下可分为八层：一层粉土，厚2.5～5m，中等压缩性，工程性质较好；二层黏土，软塑，厚度1～4m，承载力低，是较好的隔水层；三层粉土，中密，厚度0.5～2.3m，低压缩性；四层粉质黏土，软塑，厚度2.7～7.0m，中压缩性，工程性质较差；五层粉土，密实，厚度2.1～5.5m，低压缩性；六层粉质黏土，软塑，厚3.0～8.3m，中压缩性；七层细砂，中密，厚度1.0～4.9m，低压缩性，工程性质较好，八层黏土，可塑，厚度0.9～3.1m，中压缩性，工程性质良好，各土层渗透性及颗粒组成见表1。

2 渗漏分析及控制研究

2.1 渗透试验

因坝体填筑材料多为就地开挖土料，而开挖土料大多为地表第一层土料粉土，其渗透性大，抗渗稳定性较差，因此对坝体及坝基的渗透特性及抗渗稳定性进行分析，对控制软土地基上水库坝体坝基渗透极为重要。

表1 各土层渗透性及颗粒组

坝体渗透试验采用的试验土样是粉土75%、粉质黏土25%混合土样，两次试验干密度分别为1.53、1.56g/cm3，两次试验计算所得的渗透系数分别为1.99×10-4、1.72×10-4cm/s，由此可见，随着土样干密度的增加，渗透系数略有减少，但变化不明显，同样坝基土渗透试验结果与坝体差别不大。渗透破坏试验结果显示，当坝体干密度分别为1.53、1.56g/cm3时，临界坡降分别为0.94、0.98，取安全系数为3，其允许坡降i=0.31～0.33。参照有关资料，对坝体土干密度为1.53g/cm3时，得到允许坡降为0.07，由于粉土性质介于无黏性土与黏性土之间，为保证坝体的渗透稳定性，综合分析取粉土允许坡降为0.11[9]。

2.2 渗流分析

2.2.1断面设计

考虑到坝体长度不是很长且地面起伏较小，坝基土层分布基本一致，选择一个断面分析即可看出全坝的渗流情况。因坝基第二层黏土层渗透系数比第一层粉土层约小1/100，可以将坝基地下第二层黏土层看作水平隔水层，因此选择黏土层最薄、粉土层最厚渗流最不利的断面作为控制分析断面。为论证防渗措施的必要性，对选择的断面进行了三种防渗方案的渗流分析，且选择不做任何防渗措施的方案1作为对比参考[10- 15]，如图1所示。

方案1：坝体迎水面不设防渗土工膜，坝基不设垂直防渗铺塑。

方案2：坝体迎水面铺设防渗土工膜，坝基不设垂直防渗铺塑。

方案3：坝体迎水面铺设防渗土工膜，坝基设置垂直防渗铺塑并插入第二层黏土层。

图1 三种方案防渗简图

2.2.2渗流计算

进行渗流场分析时，坝体土的渗透系数采用干密度为1.53g/cm3的土样试验时所得到的渗透系数为1.99×10-4cm/s，土工膜的渗透系数取用1.0×10-10cm/s计算。

(1)方案1计算结果分析

该方案为对比试验，不采取任何防渗措施，因坝体填筑土料与坝基粉土的渗透系数十分相近，所以坝体内渗流出逸点比较高，渗流计算结果如图2(a)所示。由图2可知，渗流出逸点距坝脚位置约为4.12m，出逸点处的等势线已达45%，出逸坡降i=0.23>0.11，渗透稳定性不满足要求，工程渗透稳定性工程措施量大且比较复杂，该方案计算所得到的单宽渗漏量是2.98×10-6m3/s。

(2)方案2计算结果分析

该方案为上游迎水面坝坡防渗方案，在上游迎水面设置复合人工防渗土工膜，渗流计算结果如图2(b)所示，方案2和方案1相比，方案2坝体内水浸润面明显降低，出逸点高度大约为1.23m，出逸点位置的等势线为20%，出逸坡降i=0.141>0.11，渗透稳定性虽不能满足要求，但较方案1已明显增强，且计算所得的单宽渗漏量是1.18×10-6m3/s，也有明显地减少。

(3)方案3计算结果分析

方案3是在上游迎水面坝坡设置复合人工防渗土工膜、坝基设置垂直防渗铺塑与第二层黏土层隔水层相衔接构成完整的防渗体系，渗流计算结果如图2(c)所示，方案3与前两个方案相比，防渗效果特别显著，坝体内浸润线与坝基面基本一致，渗流出逸点与坝脚位置几乎持平，出逸坡降i=0.0342<0.11，满足渗透稳定性要求，计算所得的单宽渗漏量是1.11×10-7m3/s。

2.2.3计算结果分析

由计算结果可以看出，对比方案1因未采取任何防渗措施，其出逸点高度、等势线、出逸坡降及单宽渗流量均比方案2、3的指标高；方案2虽然在坝体迎水面设置了复合人工防渗土工膜，相关指标较方案1有所下降，但仍未满足渗透稳定性的要求；方案3因坝坡设置复合人工防渗土工膜、坝基设置垂直防渗铺塑与第二层黏土层隔水层相衔接构成完整的防渗体系，坝体内浸润面、出逸坡降均有明显减少，且满足渗透稳定性要求，单宽渗流量较方案1、2也减小1/20～1/10。因此，由试验研究分析可知，软弱坝基上平原水库通过采取方案3类似相关防渗体系后，水库坝体坝基渗透得到较好的控制。

图2 三种方案防渗计算结果

3 施工措施探讨

综合上述实验成果，该水库坝体坝基防渗工程施工时需要注意，将坝脚处的垂直防渗工程插入第二层黏土层中但不能穿透黏土层，其上端与水平防渗措施相连接，再与上游坝坡复合人工土工膜无缝连接，形成一个闭合的防渗体系，渗透系数将会大大减少。

(1)垂直铺塑即先采用施工机械对坝基基础进行清理、平整，在需要铺设的位置放好线并用开沟造槽机挖出较窄的深槽，采用泥浆护壁技术对槽壁进行固定，以防止泥土脱落，然后沿着槽壁铺设PE膜，相邻两块膜的结合处要相互搭接，铺设完后及时回填黏土，即形成一道完整的垂直防渗帷幕墙，其上端塑膜与水平铺塑连接在一起，构成了连续的防渗阻隔系统。但在施工时需特别注意：①泥浆护壁时，泥浆重度不能太小或太大，以免泥浆不粘合槽壁；②两块塑膜接合处，搭接长度不小于30m，以免增加渗流通道。

(2)坝体防渗即在上游迎水面坝坡砂垫层上铺设人工土工膜形成水平防渗层，铺设前需先清理、平整坡面，然后铺设土工膜材料，再在上面均匀铺设一层黏土进行保护，可以起到覆盖渗漏部位、保证坝基稳定的作用。但在施工时需注意：①可根据坝坡实际情况选择合适的复合土工膜，以减少焊接次数，且每隔10m预留褶皱，防止变形损坏土工膜；②膜与膜之间的焊接重合长度不少于20cm，边角不齐的地方要修剪平整，保证施工质量。

4 结论

试验分析结果显示，通过在上游迎水面坝坡设置复合人土工膜、坝基设置水平与垂直防渗铺塑，坝体人工土膜、坝基防渗铺塑与第二层黏土层隔水层即构成完整的防渗体系，能够起到很好的防渗效果，且能起到保证坝基稳定的作用；综合前人研究成果，结合现场工程经验，提出了坝体、坝基防渗施工措施及施工注意事项，研究成果可为类似软弱坝基上的水库防渗提供借鉴。