某水库垂直防渗墙贯入度效果分析

周 鑫，羊海明

（1.广东珠荣工程设计有限公司,广东 广州 510000；2.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广东 广州 510000）

1 前言

水库渗流是影响水库正常运行最主要因素之一,不仅严重威胁水库大坝的稳定与安全,而且降低了工程效益。水库多建在地质条件复杂、透水性较强的冲洪积或海相沉积的地区,表层粘土、亚粘土较薄,下部为砂土、砂壤土、卵石且埋深较厚,渗漏问题突出。因此,水库防渗是保障工程效益的关键之一[1]。

目前对水库防渗措施效果研究较多。毛昶熙、段祥宝等人通过对悬挂式防渗墙在非稳定渗流状态下,计算分析中得知它有削减洪峰和延缓坝基渗流破坏时间的作用[2-4],悬挂式防渗墙对管涌通道、控制管涌的冲蚀发展具有决定性作用[5]；周晓杰、丁留谦等人认为渗流通道往往在强弱透水层之间,如果防渗墙能截断这一通道, 对控制渗流破坏具有极其重要的作用[6]。本文概述水库渗漏成因及其影响,对垂直渗控措施的结构及效果开展数值模拟和分析评价。

2 工程概况

狮子头水库地处罗定市东部位于罗定市金鸡镇大垌村,距金鸡圩镇5 km,距罗定市城区44 km,属西江流域二级支流白石河的支流。狮子头水库坝址以上控制集雨面积10.86 km2,是一座以灌溉为主,兼有防洪、养殖等综合效益的小（1）型水库,主要由大坝、溢洪道和输水涵管等组成。

狮子头水库于1979 年建成,由于建设时期特殊的历史年代,当时设计标准偏低,建设资金困难,施工管理不规范,施工方法主要靠土法上马,人工挑土上坝,土料质量和碾压质量控制不严,既有石滚碾压,又有水中倒土、还有部分坝体为干堆土,参与施工单位较多,质量较差而且不均匀。大坝基础基本上未作清基和防渗处理。水库经过多年运行,暴露出较多问题,渗漏问题尤为突出。

本次除险加固对坝体坝基做垂直防渗墙防渗处理。大坝为均质土坝,坝顶高程为201.42 m,最大坝高为22.60 m,坝顶长度为180.00 m,坝顶宽5.00 m。迎水坡分两级,由上至下分别为1∶2.5和1∶3,两级坝坡间不设平台,坡面为干砌石护坡,坝顶设置坝肩石。背水坡分两级,由上至下分别为1∶2.5和1∶2.5,两级坝坡间设平台宽1.50 m,平台设排水沟净宽0.30 m。排水棱体顶高程184.20 m,排水棱体以下坝坡1∶1.5,排水棱体顶宽1.00 m。背水坡设1道2.50 m宽浆砌石步级,步级采用M10 水泥砂浆批荡,从坝顶通至排水棱体顶；背水坡采用草皮护坡。

3 水库垂直防渗墙贯入度效果分析

防渗机理本质上是延长渗径或是截断渗流,从而达到降低坝体浸润线和渗透坡降,减少渗漏量的目的。目前防渗措施主要分为三大类：上游水平防渗、中间垂直防渗和下游排水。

本文主要研究垂直防渗墙贯入度。防渗墙是目前主要的垂直防渗措施,由于防渗墙适用范围广,条件宽泛,特别是混凝土防渗墙,是水库坝基防渗处理的有效措施之一。新中国成立以来的70 多年里,我国水利工程建设技术逐渐成熟,遇到的地质渗漏问题尤为突出,对防渗墙技术要求也越来越高[7-9]。

水库防渗效果评价指标主要是渗流量和渗流稳定两方面,这决定了水库工程能否正常运行,发挥工程效益。垂直防渗应考虑这两方面,选取单宽渗流量Q和防渗墙底部渗透坡降J作为防渗墙防渗效果评价指标,通过分析不同的覆盖层厚度及不同的贯入度S/T,找出影响防渗效果的影响规律,找出影响防渗效果的规律。结合水库浸没防治前后的效果对比,给出合理的防渗布置。

3.1 水库垂直防渗研究

1）垂直防渗数值模型

该模型在相同的水位条件下,采用对称布置二维渗流数值模型[10],渗流模型示意图见图1,模型中坝顶宽5.00 m,防渗墙厚度0.60 m,迎水侧边坡1∶2.5和1∶3,背水侧边坡1∶2.5,坝高22.60 m,上游水位18.00 m,下游水位0.00 m；防渗墙贯入度S/T取0%,10%,30%,50%,70%,90%,100%；覆盖层厚度T取20 m,50 m,80 m,100 m。模型中地基深度取100 m,长度沿坝脚处向外延伸300 m。

图1 垂直防渗数值模型示意图

防渗墙与贯入的覆盖层渗透系数相差越大,防渗效果越好,经研究表明当两者渗透系数相差100 倍以上时,防渗效果较好[11-12]。狮子头水库计算模型中坝体、覆盖层、基岩和防渗墙渗透系数取值相差都在100 倍以上,各渗透系数见表1。

表1 模型中土层渗透系数表

2）垂直防渗单宽渗流量Q分析

从图2中可知：（1）随着防渗墙贯入度S/T不断增加,渗流量Q不断减少,防渗效果逐渐增强,但防渗效果有限。（2）当贯入度S/T超过95%时,防渗效果有所提升,当贯入度S/T接近100%时,渗流量Q减少90%以上,防渗效果优越。（3）在相同的贯入度S/T下,覆盖层越厚即相对透水层越厚,渗流量Q越大。

图2 防渗墙单宽流量图

从防渗墙单宽流量Q分析,悬挂式防渗墙能减少渗流量,随着贯入度的增加而减少,但效果不明显。建议采用全截式防渗墙与基岩相连,形成密闭的防渗体系,才能有效减少渗流量Q,防渗效果此时最佳；但在实际工程中,随着防渗墙贯入深度的增加,施工难度及工程造价也会相应的挺高。

3）防渗墙底部渗透坡降JA-B分析

从图3中可知：（1）随着防渗墙贯入度S/T不断增加,防渗墙底部渗透坡降JA-B不断增大。（2）当贯入度S/T超过95%时,防渗墙底部渗透坡降JA-B增加趋势明显。（3）在相同的贯入度时,覆盖层越厚,防渗墙底部渗透坡降J越小。（4）当S/T等于100%时,覆盖层越厚,渗透坡降J越大。

图3 防渗墙底部渗透坡降JA-B

从防渗墙底部渗透坡降J分析,随着防渗墙贯入深度不断加大,防渗墙底部的水平渗透坡降将会逐渐增大,当贯入度超过95%时,可能会引起底部渗透变形,影响防渗墙防渗效果。因此,必须在满足防渗墙渗透稳定的前提下,防渗墙贯入度越大,防渗效果越好。

4）防渗墙两端渗透坡降JC-D分析

从图4中分析可知：（1）防渗墙贯入度S/T越大,防渗墙两端渗透坡降越大。（2）贯入度S/T>95%时,防渗墙两端渗透坡降JC-D增加趋势明显。（3）在相同的贯入度S/T下,覆盖层越厚,防渗墙两端渗透坡降越大。

图4 防渗墙两端渗透坡降JC-D

从防渗墙两端渗透坡降JC-D分析,随着防渗墙贯入深度不断加大,防渗墙两端的渗透坡降将会逐渐增大,不利于防渗墙的稳定与安全,容易造成防渗墙被击穿,影响防渗效果。因此,在实际运用时,在覆盖层较厚时,可适当加大防渗墙厚度。

3.2 水库浸没研究

水库渗漏常常伴有浸没问题,对浸没问题的深入了解,有助于对水库渗漏的认识,通过除险加固前后浸没问题的对比,能更直观的体现防渗措施的防渗效果。水库库区地下水位高于该区域对应临界地下水位埋深,则为浸没区,反之则为非浸没区。《水利水电工程地质勘察规范》中规定临界地下水埋深计算公式如下：

式中：hcr为临界地下水位埋深,m；hk为土壤毛细水上升高度,m,不同土壤,毛细水上升高度也不相同,考虑到水库土壤性质,毛细水上升高度取2 m；Δh为浸没影响对象的安全超高,m,一般农作物安全超过取50 cm。

模型中覆盖层厚度50 m,坝后距离300 m,其他布置与水平防渗计算模型类似。分别在无防渗措施和垂直防渗治理条件下,地下水等压线分布示意图见图5~图6。

图5 自由面及等势线（无防渗措施）

图6 自由面及等势线（垂直防渗墙措施）

从图5、图6中可知：防渗墙能有效降低坝后地下水水位,是整治水库浸没问题的有效途径,是治理水库渗漏的重要手段,能有效截断原有渗漏通道,保证水库渗流安全,发挥工程效益。

4 狮子头水库防渗墙应用效果

经除险加固完工后,防渗墙基本截断渗漏通道,经计算大坝渗流性态基本安全,坝体浸润线（面）和坝基扬压力为超过安全值,大坝渗流压力与渗流量基本可控,变化规律基本正常。

（1）物探资料分析

经物探资料显示大坝防渗墙良好,坝后坡草皮护坡完整,未见浸润、冲沟等情况。高密度电法检测显示,坝体中等透水性主要分布在坝体上部0 m~10 m范围内,坝体中下部主要为微~弱透水性。坝后坡大多表现为中-弱等透水性,大坝坝体渗漏问题基本得到解决。大坝高密度二维反演成果见图7。

图7 大坝高密度二维反演成果图

（2）测压管资料分析

水库在主坝设测压管3排共9孔,副坝3排6孔,采用压力式传感器测量测压管内的渗压水头。通过对主坝测压管历史观测资料的统计分析,各测压管地下水位基本与水库水位呈正相关性,水库水位高时,测压管水位高,水库水位低时,测压管水位低。此外坝体典型观断面图得到的实测浸润线均低于设计浸润线,坝体处于渗流安全运行状态。

综上所述,水库垂直防渗墙需嵌入不透水层（基岩）,贯入度达到100%时,能有效截断渗漏通道,同时当覆盖层（相对透水层）较厚时,应加大防渗墙厚度,防止其渗透变形,影响防渗效果。

5 结论

除有生态防渗的特殊要求外,水库应着重于渗流量的控制,封闭切断库水与地下水的联系。在选取防渗措施时,首选截断式防渗墙,如果存在不透水层缺失的情况时,可选择在整个库底铺设水平铺盖,同时结合下游排水措施,提高整体防渗效果。本文只针对大坝本身的渗控措施进行研究,对放水洞、闸等输水建筑物的接触渗漏还需要进一步研究。