细枣池水库防渗加固方案研究

符怡森

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

0 引言

防渗加固工程主要是控制渗流，使坝体坝基的渗流控制在一定范围内，不致因渗流破坏而影响整体工程的安全性[1]。控制原则是前堵后排，保护渗流通道安全。常见的渗流控制措施有防渗墙、灌浆、铺盖以及减压井、减压沟和滤层等。针对不同工程应结合渗漏情况和施工现场采用不同的防渗技术和措施，同时满足投资、工期和防渗效果的要求。细枣池水库防渗加固方案的选取及效果评价可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

细枣池水库位于德江县高山镇高桥村境内，地理位置为东经108°09′，北纬28°30′。主要任务为灌溉，兼人畜饮水和乡村防洪。水库枢纽包括大坝、放水设施、岸边溢洪道等建筑物，工程等别为Ⅳ等，大坝、溢洪道、放水设施等永久建筑物级别为4级。细枣池水库正常蓄水位为1 082 m，死水位为1 069.7 m，兴利库容107万 m3。水库防洪标准按50 a一遇(P=2%)洪水设计，500 a一遇(P=0.2%)洪水校核，设计洪水位(P=2%)1 083.40 m，校核洪水位(P=0.2%)1 083.80 m，总库容148万 m3。地理位置分布见图1。

图1 细枣池水库地理位置图

2 防渗加固措施

细枣池水库因年久失修，原导流涵管及放水涵洞存不同程度的渗漏，原导流涵管与坝体及基岩接触带渗漏较为严重，渗漏量较大。通过对水库基本情况的了解及对大坝渗漏原因的分析，经多方面考虑，本次除险加固拟提出以下方案。

2.1 防渗布置

(1)对坝体上部(死水位1 069.7 m以上)采取置换上游坝面复合土工膜、更换及加厚上游坝面砼预制块等坝面处理措施；(2)对下部坝体(死水位1 069.7 m以下)及坝体与基岩的接触带分别采取坝内充填灌浆和坝基帷幕灌浆相结合的处理措施；(3)对两岸坡坝基和左、右坝肩岩体采取帷幕灌浆防渗处理措施；(4)增设取水隧洞上游岸塔式取水口(含平门闸门、拦污栅及下游交通桥)。

(1)通过左岸放水隧洞将水库水位放至死水位1 069.7 m高程以下，依次拆除上游坝面1 069.7 m高程以上的上游护坡体：8 cm厚C15砼预制块、15 cm碎石垫层及10 cm粗砂垫层，拆除上游面老旧复合土工膜。之后重新更换复合土工膜，依次填回10 cm粗砂垫层、15 cm碎石垫层，最后采用10 cm厚C15砼预制块护坡压面(施工时通过深挖、调整土工布下部的粗砂垫层，使重建后坝面与1 069.7 m高程以下的原已建坝面保持坡比协调一致，恢复至原设计坝面坡度)。并在上游坝面1 069.7 m高程设置宽2.5 m、厚0.75 m的C25砼齿墙(此齿墙兼用作上游坝面下部的帷幕灌浆平台)，新换复合土工膜上部需埋入坝顶，拆除重建防浪墙，下部埋入新增C25砼齿墙内，两岸埋入拆除后恢复重建的岸坡段C25砼齿墙内(两侧齿墙分布高程为1 069.7～1 084 m，沿老齿墙拆除位置恢复重建，须在大坝与岸坡连接处设置排水沟，集水排入库内)。

(2)对上游坝面死水位1 069.7 m高程以下的坝体及坝基进行防渗，设计采用在1 069. 7m新建2.5 m宽齿墙平台上设置防渗帷幕的型式进行防渗(包括坝体内充填灌浆及坝基帷幕灌浆两部分)；对于死水位1 069.7 m高程以上的坝体两岸坡坝基及两坝肩，设计采用帷幕灌浆的型式进行防渗处理(沿坝体上游面两岸坡恢复重建齿墙布置)。

2.2 附加措施

为了提高水库运行效率，增设左岸放水隧洞进口取水及检修设施。拟新增的进水口井筒基础布置在已建放水隧洞进口位置，井筒下部基础采用C20砼回填，基础面设固结灌浆，间距3 m，孔深5 m，梅花形布置。进水口底板高程为1 067.28 m，与已建放水隧洞进口底板基础一致，低于死水位高程1 069.70 m，闸门井平面尺寸6.2×4.2 m(长×宽)。取水进口为喇叭型，顶板及两侧为椭圆曲线，进口设置1.6×1.3 m拦污栅，其后接1×1 m事故检修闸门一扇。闸门井顶部高程1 085 m与坝顶防浪墙墙顶高程一致。进水口拦污栅和平板事故闸门共用一个启闭机室，启闭机室置于取水口闸门井上部，为双层框架构件。启闭机室设置拦污栅和事故闸门启闭设备各一台，分别为CD1-100kN-5m的电动葫芦、QP250kN-18m的高扬程卷扬式启闭机。进水口井筒下游通过C25钢筋砼交通桥与下游运行便道连接，交通桥跨度11.5 m。

3 渗流稳定复核

细枣池水库大坝为土工膜防渗粘土斜墙土石混合坝，地基为不透水地基。本工程渗流计算分析采用河海大学工程力学研究所编写的渗流稳定分析软件Autobank7.4进行运算。拟定本工程渗流稳定计算为以下4种组合工况：

(1)库水位为正常蓄水位工况；

(2)库水位为设计洪水位工况；

(3)库水位为校核洪水工况；

(4)库水位由正常蓄水位降至1/3坝高水位时工况。

3.1 计算方法

对于稳定渗流，符合达西定律的非均各向异性二维渗流场，水头势函数满足微分以下方程：

(1)

式中：φ=φ(x,y)为待求水头势函数；x，y为平面坐标；Kx，Ky分别为x，y轴方向的渗透系数。

水头φ还必须满足一定的边界条件，经常出现以下几种边界条件：

(1)在上游边界上水头已知

φ=φn

(2)

(2)在逸出边界水头和位置高程相等

φ=z

(3)

(3)在某边界上渗流量q已知

(4)

其中lx，ly为边界表面向外法线在x，y方向的余弦。

将渗流场用有限元离散，假定单元渗流场的水头函数势φ为多项式，由微分方程及边界条件确定问题的变分形式，可导得出线性方程组：

[H]{φ}={F}

(5)

式中：[H]为渗透矩阵；{φ}为渗流场水头；{F}为节点渗流量。

求解以上方程组可以得到节点水头，据此求得单元的水力坡降、流速等物理量。求解渗流场的关键是确定浸润线位置，Autobank采用节点流量平衡法通过迭代计算，自动确定浸润线位置和渗流量。渗流计算简图见图2。

3.2 计算结果

(1)工况一：库水位为正常蓄水位时，稳定渗流计算结果见图3和表1。

计算结果表明，正常蓄水位稳定渗流期坝体单宽渗流量为0.115 m3/d，按坝体宽度140 m计算，坝体总渗流量约13.27 m3/d，即约0.15 L/s。浸润线溢出点为坝脚，浸润线较为合理。

(2)工况二：库水位为设计洪水位时，稳定渗流计算结果见图4和表2。

图2 渗流计算简图

图3 正常水位蓄水位稳定渗流期浸润线 图4 设计水位稳定渗流期浸润线

表1 正常蓄水位稳定渗流期计算成果表

表2 设计洪水位稳定渗流期计算成果表

计算结果表明，设计洪水位稳定渗流期坝体单宽渗流量为0.146 m3/d，按坝基宽度140 m计算，坝体总渗流量约16.8 m3/d，即约0.194 L/s。浸润线溢出点为坝脚，浸润线较为合理。

(3)工况三：库水位为校核洪水位时，稳定渗流计算结果见图5和表3。

计算结果表明，校核洪水位稳定渗流期坝体单宽渗流量0.092 m3/d，按坝基宽度140 m计算，坝体总渗流量约10.44 m3/d，即约0.121 L/s。浸润线溢出点接近坝脚，浸润线较为合理。

(4)工况四：库水位由正常蓄水位降至1/3坝高水位时，非稳定渗流计算结果见图6和表4。

图5 校核洪水为时稳定渗流浸润线 图6 水位降落渗流浸润线

计算结果表明，正常蓄水位降至1/3坝高水位时，非稳定渗流期坝体最大单宽渗流量0.215 m3/d，最小单宽渗流量0.000 1 m3/d，浸润线溢出点在坝脚，属于正常现象，浸润线较为合理。

表3 校核洪水位时稳定渗流计算成果表

表4 水位降落时稳定渗流计算成果表

4 结语

针对细枣池水库现状，通过对坝体、坝基和左、右坝肩岩体采取帷幕灌浆防渗处理措施，解决了坝体、坝基及两岸坡的渗漏问题。同时，增设左岸放水隧洞进口取水及检修设施、改善了水库的运行条件，提升了工程的运行品质和效益，渗流复核结果表明水库采取的措施是可行的。