滚钟口水库渗漏问题的分析处理及思考

夏亚平 肖 俊 王荣鲁

(1.宁夏回族自治区西干渠管理处，宁夏 银川 750021；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

水库除险加固中，库区渗漏是常见的问题。为了选择合适的处理措施，需要在防渗排渗和反滤层三结合的基础上，全面查明渗漏性态与原因，以及库区的地质条件，特别是土壤压实度、新老土层处理、地下水位等因素，才能选择最为合适的防渗处理方案与相应的施工工艺[1-2]。

1 工程概况

滚钟口水库是银川市城市防洪体系的重要组成部分，位于银川市西夏区镇北堡镇西干渠西侧暴雨洪水多发区，有大口子沟、小口子沟等汇流沟道8条，集水面积227km2，为Ⅲ等水库工程，设防标准为50年一遇，校核洪水标准为100年一遇，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级。水库总库容1287万m3。水库建于1989年，1996年进行了扩建，2012年进行了坝坡砌护等除险加固，并对坡前迎水面采用多头小直径深层水泥搅拌防渗墙进行了防渗处理。水库主坝平行西干渠(南北走向)，主坝长4.36km，现坝顶高程为1129.00m，坝顶宽15m，内外坝坡分别为1∶4.0和1∶3.0。北端布置泄洪闸，南端布置西干渠进水闸。北副坝长0.92km，南副坝长1.08km。

水库安全鉴定表明：主副坝迎水面状态良好，存在少许混凝土剥蚀与开裂现象，但主坝与南副坝背水面坡脚处长有大量芦苇，且存在疑似洇湿、渗水现象。根据地质勘察资料分析，库区下部主要为细砂层，局部夹有中砂、粗砂及角砾层，属中等强透水层，虽然上部有壤土及粉质黏土覆盖，但厚度不大，难以形成相对隔水层。该库除险加固时进行了深层水泥搅拌桩防渗处理，设计桩长14m，范围包括南北副坝及主坝段，但下部均为中等—强透水层砂土层及砾石层，属悬挂式防渗结构，只是延长了渗径，以防止渗透变形破坏发生，并未形成完整的防渗结构。

2 大坝渗流分析

2.1 大坝土料物理力学指标

为查清坝体结构、地基地层情况及坝体土料的物理力学性质，在坝址区布设8个补充勘探钻孔，进行各项原位水文地质试验。根据大坝设计断面图和地质勘探试验结果，将坝体及坝基从上至下分为5层，分别为2005年人工填土、1991年人工填土、砂壤土、壤土、粉质黏土，各分区物理力学指标根据土壤取样实验结果取值(见表1)。

表1 坝体各分区物理力学指标

2.2 渗流计算

水库渗流计算取主坝存在疑似渗水现象的断面 3+700处，以正常蓄水位为例进行渗透比降计算、渗透稳定性分析及流速矢量分析。计算软件采用Geostudio渗流分析软件，所用方法为有限元法[3-4]。大坝由上至下分为五层。混凝土护坡与复合土工膜视为整体，根据工程经验，渗透系数取值为1×10-8cm/s，防渗墙渗透系数根据相关类似工程取值为1×10-6cm/s[5-6]。上游正常蓄水位取1125.00m，下游地下水位取1120.70m。渗流计算有限元模型共划分8906个节点、8684个单元(见图1、表2)。

图1 渗流计算有限元模型

表2 断面渗流计算结果

根据地勘相关数据可知，出逸点附近的壤土的允许水力比降为0.55，正常蓄水位下的主坝断面的水力坡降远小于0.55，故此坝渗流性态基本安全。但从流速矢量图可知，虽然坝前的防渗措施对于渗流起到了很好的限制作用，但是由于地下水位过高，反渗导致下游坡脚处出现渗水现象，若不采取相应措施，可能会影响大坝的安全运行。

3 大坝渗漏问题处理措施

最初的大坝渗流控制设计思路以防渗为主，至今，渗流控制理论开始将防渗、排渗和反滤层结合起来。反滤层有滤土和排水减压双重功能，滤土准则确定的是允许的最粗颗粒组成，排水减压准则确定的是允许的最细颗粒组成。二者共同构成反滤层颗粒组成允许的变化范围，工程实际采用的颗粒组成应在此变化范围内。

针对滚钟口水库高地下水位、低渗透量的特点，建议在主副坝下游坡脚处设置反滤层。根据太沙基反滤层设计准则，初步设计滚钟口水库反滤层以卵石层为主，粒径为100～200mm，由上至下分为三层，厚度分别为700mm、500mm、500mm，渗透系数取被保护土渗透系数的10倍左右[7-9]。

为了验证反滤层对滚钟口水库渗流性态的作用，在Geostudio有限元模型中加入反滤层，并进行渗流计算分析。此有限元模型共划分8913个节点、8698个单元(见图2、表3)。

图2 渗流计算有限元模型(添加反滤层)

表3 断面渗流计算结果(添加反滤层)

将添加反滤层后的渗流计算结果与原断面渗流计算结果相对比，根据计算结果表可以看出，添加反滤层后，坡脚处的单宽剖面渗流量增大，说明反滤层在坝后排水方面起到了一定的作用；从流速矢量图可以看出，添加反滤层后，渗流在坡脚处主要通过反滤层排出，起到了降低地下水位、减小渗透压力的作用，对大坝的渗流安全起到了一定的作用。

4 防渗效果分析与探讨

4.1 防渗方案的选择

防渗方案的选择需要在防渗排渗和反滤层相结合的基础上，根据工程实际情况来决定。例如，在滚钟口水库工程中，已采用了如下两种防渗措施：一是迎水面设置100mm厚的混凝土护坡，并在其下设置复合土工膜(两布一膜)；二是对坡前迎水面进行水泥搅拌桩防渗处理，设计桩长14m，有效厚度0.2m，范围包括南北副坝及主坝段。

根据现场安全检测与有限元计算结果可知，上述两种防渗措施很好地控制了渗流，使得下游出逸比降与单宽剖面渗透量都极小。但是，此工程地基下部为中等—强透水层砂土层及砾石层，且地下水位较高，导致下游坡脚处存在渗漏现象，影响大坝的安全运行。

所以，针对此类水库存在的渗漏问题，需要采用防渗与排水相结合的方式进行处理。除了迎水面的防渗措施，应在下游坡脚处设置反滤层，降低坡脚处的地下水位与渗透压力。同时也可以在下游几处渗漏较为明显的个别区域，对其进行挖空填补处理，用渗透系数更小的壤土进行替换，保证大坝的渗流安全。

4.2 关于防渗墙

大坝防渗墙施工是一项非常复杂的工作，需要考虑的因素比较多，比如孔口导墙施工、供电系统建设、混凝土配制和浇筑等，任何一道工序控制不当，都会影响总体施工质量。故为了取得较好的防渗效果，需要因地制宜，根据水库地质条件选择不同的防渗墙设计方案[10-12]。

滚钟口水库由于施工条件差、新老填土及分界线等处理不够彻底、部分土层压实度较低、地下水位较高等因素，宜选择防渗墙进行垂直防渗。实践经验证明，多头小直径深层搅拌桩防渗墙加固技术以水泥土为主要的防渗加固材料，对于黏土、粉土、淤泥质土、砂土以及砾石直径在0.05m以下的砂砾土等土层均具有普遍适用性；甚至对架空，存在渗漏通道、松散夹层等特殊结构土体也可施工，且施工过程并不干扰水库正常蓄水。多头小直径深层搅拌桩防渗墙成墙厚度可达到300cm以及上，且连续均匀，渗透系数通常可保持在10-6cm/s以下，抗压强度不小于1.0MPa，搅拌桩间及桩单元间搭接长度均至少为100cm，抗渗性能好。故此水库采用多头小直径深层水泥搅拌防渗墙，这也是宁夏首次采用此工艺的工程，且取得了良好的防渗效果。

4.3 关于反滤层

反滤层是水工建筑物渗流控制的关键措施之一，经过近一个世纪的广泛应用，设计准则不断完善，渗流控制理论从以防渗为主的理念发展为防渗排渗和反滤层三结合的原理。反滤层有滤土和排水减压双重功能，在土石坝的防渗处理中，防渗体主要起到减少渗透量的作用，而防止渗透破坏的功能则由反滤层来承担[13]。

滚钟口水库通过迎水面混凝土护坡、复合土工膜和多头小直径深层水泥搅拌防渗墙三种防渗措施相结合，很好地减少了渗透坡降与渗漏量。但是，由于自身地下水位较高、库区土质透水性较强等因素，导致坡脚处存在渗漏现象，影响大坝的长期安全运行，故应该在下游坡脚处设置反滤层，结合此工程地质条件，初步设计反滤层以卵石层为主，粒径为100～200mm，由上至下分为三层，厚度分别为700mm、500mm、500mm，渗透系数取被保护土渗透系数的10倍左右。并结合有限元模拟软件进行了渗流分析，结果表明此反滤层可以有效起到排水减压的功能，保证滚钟口水库的渗流安全。

5 结 论

滚钟口水库由于施工条件差、部分土层压实度较低、地下水位较高等因素，导致坝后坡脚处存在渗漏问题。根据防渗、排渗和反滤层相结合的渗流控制理论，应在水库下游设置反滤层，与迎水面的混凝土护坡、复合土工膜、深层水泥搅拌防渗墙共同构成一个完善的渗流控制体系。增设的反滤层可以有效降低坝后地下水位，起到排水减压的作用，保证了大坝渗流性态的安全。