马头水库坝体防渗加固处理方案研究

黄耀强

（九江市柴桑区水利事务中心,江西 九江 332100）

0 引言

水库防渗加固的质量直接关系到大坝的安全运行和生命周期［1］。通过防渗加固解决土石渗漏问题是普遍方法,但是如何选择经济、安全且适用的防渗加固方案是复杂的系统问题。本文通过设计马头水库坝体防渗加固方案,全面梳理了制定防渗措施的步骤和方法值得参考和进一步深入研究。

1 工程概况

马头水库位于江西九江,主坝为土石混合坝,坝体主要为粉质粘土,表层为碎石土,坝轴线处冲抓套井回填粘土心墙处理。坝址以上控制流域面积32.9 km2,水库正常蓄水位94.40 m,总库容1469.2×104m3,设计灌溉面积2.5 万亩,是一座以灌溉、防洪、供水为主的重点中型水利枢纽工程。由于建设年代久远,目前主要存在坝基、坝肩渗漏,坝体填土质量不满足要求,排水反滤设施局部踏坑,排水棱体淤堵失效等问题。

2 渗流评价

根据主坝的现场安全检查结果,结合坝体和坝基的地质情况及地质勘察成果,渗流计算选取的计算断面为0+100断面。见图1。

图1 渗流计算断面

2.1 渗流安全评价

2.1.1计算工况

按照水库运行的最不利条件考虑土坝渗流工况,结合工程实际,选择以下水位组合：

（1）上游正常蓄水位与下游相应水位；

（2）上游设计洪水位与下游相应水位；

（3）上游校核洪水位与下游相应水位。

2.1.2计算结果各工况的计算流网见图2~图4,计算成果见表1。

表1 主坝稳定渗流计算值及渗流量表

图2 正常蓄水位稳定渗流期流网图

图3 设计洪水位稳定渗流期流网图

图4 校核洪水位稳定渗流期流网图

2.1.3渗流分析结论

通过对马头水库主坝的渗流观测资料分析和渗流场有限元计算,得出主要结论如下：

①主坝坝基覆盖层砂卵砾石层,具强透水性,存在渗漏问题。

②主坝坝基砂卵石层渗透坡降均超过允许值,高水位下容易发生渗透破坏。各种工况下,浸润线出逸点均高于L型排水棱体,渗流量均较大,且现状暗管排水淤堵失效,排水管下部渗漏量较大,主坝防渗性能不满足要求。

2.2 坝坡渗流稳定分析

计算工况如下：

a.库水位为正常蓄水位94.40 m时形成稳定渗流期的下游坡；

b.库水位为设计洪水位97.10 m时形成稳定渗流期的下游坡；

c.正常蓄水位94.40 m骤降至死水位水位78.5 m时形成非稳定渗流期的上游坡。

计算简图见图5~图7,计算成果见表2。

图5 正常蓄水位下游坡最不利滑弧

图6 设计洪水位下游坡最不利滑弧

图7 校核洪水位下游坡最不利滑弧

表2 现状坝坡稳定安全系数计算成果表

由计算表可知,正常蓄水位稳定渗流期工况时下游坡抗滑稳定安全系数满足要求,其他工况坝坡抗滑稳定安全系数均无法达到要求。

3 防渗加固方案

考虑到大坝上游坡现有护坡、坝顶上游侧建有砼防浪墙及上游坡水位骤降时上游坝坡稳定,加固仅考虑砼心墙防渗方案。初步拟定加设砼心墙与高压旋喷心墙防渗处理措施进行比较。

3.1 砼心墙方案

3.1.1防渗范围

根据地勘资料及渗流稳定计算成果,须对大坝坝身全部进行防渗处理。为满足施工平台宽度要求,设计防渗墙顶高程97 m,墙顶高程以上采用粘土填筑,墙底伸入强风化基岩1.0 m,墙身最大高度为27.22 m。墙底下基岩采用水泥帷幕灌浆处理,伸入相对不透水层（q≤10 Lu）5 m。帷幕灌浆单排布置,孔距2.0 m。

3.1.2墙体材料及防渗墙厚度

防渗墙体材料为C20 混凝土,要求K≤1×10-6cm/s,抗渗标号不小于W6,允许渗透坡降小于60。根据地层条件和上下游作用水头,结合已有工程经验,选取墙厚50 m。根据渗流计算,防渗墙渗透坡降Jmax=55＜［J］=60,可知墙厚满足要求。

3.1.3混凝土防渗墙施工工艺选择

施工工艺受限于防渗墙的适用条件、成墙原理和成墙质量、施工成本等。马头水库大坝防渗墙最大墙深为27.22 m,墙体厚度为50 cm,根据目前国内成墙工艺和我省类似工程的经验,较常采用的成墙工艺有两钻一抓、液压抓斗、冲击钻三种,各工艺方案的主要技术参数和经济指标比较见表3。

表3 防渗墙施工工艺比较表

由表3可知,两钻一抓工艺既综合了液压抓斗及冲击钻的优点,又克服了液压抓斗的缺点,造价适中,从安全、可靠、经济的角度出发,推荐采用两钻一抓造砼防渗墙方案。

3.2 高喷心墙方案

鉴于本工程高土石坝特点,采用单排旋喷套接形式,防渗墙顶高程99.0 m,墙底伸入强风化基岩1.0 m,墙身最大高度为31.22 m。墙底下基岩采用水泥帷幕灌浆处理,伸入相对不透水层（q≤10 Lu）5 m。帷幕灌浆单排布置,孔距2.0 m。

3.2.1墙体材料及防渗墙厚度

高压旋喷材料使用黏土水泥浆,通常要求渗透系数不大于1×10-6cm/s,允许渗透坡降小于50。根据地层条件、上下游作用水头、喷嘴直径和高喷方式,结合已有工程经验,墙厚选取为60 cm。根据渗流计算结果,最大渗透坡降Jmax=37.5＜［J］=50,墙厚满足要求。

3.2.2主要技术参数

灌浆材料水泥选用抗侵蚀性,提高防渗墙的耐久性,水泥细度应保证比表面积不小于2400 cm2/g,粘土与水泥重量比为1∶1,水灰比小于1∶1,旋喷施工技术参数为输浆压力10 MPa~25 MPa,输浆率50 L/min~200 L/min,气压0.7 MPa~1.2 MPa,输气量1 L/min~3 L/min,坝体内提升速度为5 cm/min~10 cm/min,孔斜率≤1%,孔位偏差小于1 cm~2 cm,钻孔应深入坝基泥灰岩层1.0 m。

3.3 方案确定

两方案计算比选见表4。

表4 主坝防渗方案比较表

两钻一抓造砼心墙方案造价较低,且可结合主坝加高培厚,满足施工平台宽度要求,从安全、可靠、经济的角度出发,结合水库的工程地质条件,设计推荐主坝采用两钻一抓造砼防渗墙进行坝体防渗处理。

4 结论

紧扣设计方案的主要优缺点和工程造价,结合工程现状最终确定适宜的防渗加固方案。工程加固后经多年运行,未发现渗漏现象,证明设计方案较好地解决了坝体病害,且施工简单,效果良好,设计思路和方法值得推广。