泼河水库主坝坝体渗水原因分析及除险加固防渗处理

□付明涛 □代 蔚（信阳市泼河水库管理局）

一、工程概况

泼河水库坐落在淮河流域潢河支流泼陂河上，位于光山县泼陂河镇南3km处，控制流域面积222km2，总库容2.35亿m3，保护着下游光山、潢川两县城近50万人口，2万hm2耕地及京九铁路、京九通讯光缆、国道312、沪陕高速公路、省道213、西宁铁路、大广高速公路等国家重要基础设施。是淮河上游一座以防洪、灌溉为主，兼顾水产养殖、水力发电等综合利用的大型水库。

泼河水库主坝为拦河大坝，位于潢河右支泼陂河镇南3km张湾与刘河之间的泼陂河河床上。坝长1050m，最大坝高27.5m，为粘土心墙砂壳坝，坝顶高程87.5m。

二、主坝地质情况

泼河水库主坝位于侵蚀低山丘陵区，地层为中元古界信阳群南湾组片岩系，燕山期大量中酸性小岩体和岩脉侵入于其中。坝基断层有4条，F1为最大，挤压破碎带宽达10～20m，F2、F3、F4破碎带宽仅1～2m。坝址及坝址附近以第四系覆盖层为主，主要有土层、淤泥层、砂及砾石层。主坝左岸台地较河床高5m，上部为中、重粉质壤土，一般厚2～4m，透水性小，平均渗透系数为1.95×10-4cm/s。淤泥层多介于土层与砂层之间，属粉质壤土和轻粉质壤土，一般厚达2m以上。

河槽段岩层以上为中砂及砾砂层，厚度为3～4m；右岸台地上部为1～2m，孔隙发育，透水性大；以下至岩层为中细砂及砾石层，颗粒均匀松散，局部地段夹淤泥凸透体，固结较好。砂砾层透水性近坝头处较弱，其他较强，渗透系数为9.75×10－2cm/s。

三、主坝右坝头渗水的勘探与分析

经对主坝勘查，发现主坝右坝头渗水异常，渗水位置在大坝桩号0+700～0+850距岸坡15m，高程在72m以上至74～75m以零星点、片状多处出露，顺坝呈条带状渗水。渗水处水草丛生坡面稀软，大片处可见细水明流，无细颗粒带出，无论库水位高低干旱多久，均未停渗、断流。

对此，1976年省勘探队专门进行了勘探、开挖，发现表层草植土多疏松不匀，中部有砂层，东段纯净含砾石，西段含泥多细砂，底部至72m平台壤土夹碎石，较紧密。水从夹层中渗出，刚开始时水量较大，随后减少，并多集中在0+720～0+790及0+800～0+850段渗出。壤土夹碎石无渗压水渗出，也不饱和，稍硬。稀软土仅表层草植土（即腐殖土）。

从竣工剖面图可以看出，心墙后及其下游坝基岸坡设有垂直及水平砂带，后坡坝体为代替料，即壤土夹碎石类。代替料中，在高程74～77m间夹一砂层，厚薄不等（约2.0～2.5m）宽窄不匀，约2～15m，其东至岸坡，西止合龙口南垂直砂带相连接，北出露于坝坡，厚约1.5m。这正好与渗水带位置高程及开挖情况吻合，可以肯定，水是从砂带中渗出。

经观测发现，由于粘土心墙下游设有完整的导渗排水系统，来自心墙和岸坡的水流，将顺坡排走，不会沿水平方向流动再进入夹砂层中。另外，大坝浸润线观测剖面，一个正好位于此渗水带内，3个观测孔地下水位3年来均在70m高程以下，低于渗水带高程，因此粘土心墙渗水从低处排走，不可能进入夹砂层中，在夹砂层与岸坡排水砂带交接处，雨后却有细水明流，且高于其交接处，但并不能在排水砂带形成水位或水流，更没有经排渗砂带进入夹砂层中，就渗水带开挖前后的渗水情况看，也没靠岸边的渗水点多，渗水量大，出渗点高的现象。这个渗水的大小与库水位升降无明显关系。

研究分析渗水原因是由于夹砂层本身有较大的透水性及储水能力且直临坝坡，而表层土又多疏松且坡面坑凹不平更易于入渗。入渗时为垂直渗透，当遇到下部壤土夹碎石相对隔水层时，则变为水平渗透，暂时储存在夹砂带中，又由于此地雨量充实，不断补给，因此总是日夜长流，即使盛夏久旱，虽渗水点面有所减少，但还没有断流情况。因此认为这种渗水现象，主要是由于大气降水的影响，至今未有恶化的趋势。

四、坝体防渗处理措施

根据主坝渗水情况，此次水库除险加固工程设计主坝在原坝轴线位置做一道塑性混凝土防渗墙，墙顶高程86.1m，底部进入基岩1m，墙厚0.4m；下游贴坡加固，坝体回填代替料至87.15m。加固后坝顶总宽由4.5m加宽至6.8m，其中坝顶路面宽为6m。

（一）防渗墙长度和深度

由于泼河水库主坝填筑料混乱，心墙后水位过高，故拟在全段做防渗墙。主坝防渗墙深度最大为32.5m。

（二）防渗墙采用的材料

根据泼河水库大坝坝体的情况，选用塑性混凝土作为防渗体的材料。塑性混凝土的特点是比普通混凝土具有较好的变形性能，此种材料在侧向压力为1kgf/cm2，可承受10%的变形而不变裂。塑性混凝土每m3混凝土水泥用量50～160kg，其他材料可以利用开挖出来的粉质壤土和粉质粘土，因而造价较省。塑性混凝土防渗墙的设计指标为：28d弹性模量800～1000MPa，抗压强度≥2.5MPa，渗透系数＜（1～9）10－8cm/s。

（三）防渗墙厚度

防渗墙的厚度应满足墙体抗渗性、耐久性、以及墙体应力和变形的要求，同时还应考虑到地质情况及施工设备等因素。根据防渗墙破坏时的水力坡降确定墙体厚度（d），计算公式如下：

式中：△Hmax—作用在防渗墙上的最大水头差（m）；K—抗渗坡降安全系数，一般取3～5；Jmax—防渗墙渗透破坏坡降，取300。

根据混凝土防渗墙设计经验，防渗墙允许承受的水力坡降Jp＝Jmax/K，可达到100，当K＝5时，Jp为60，假定防渗墙承受的最大水头差与坝前水深相同。平原区水库，由于河流水头较低，△Hmax一般在10～30m之间居多。计算得：δ＝0.15～0.5m即可满足要求。

为节约材料，降低成本，泼河水库大坝混凝土防渗墙可以做得薄一些，受造孔机具限制，参考国内工程经验，土坝混凝土防渗墙体厚度确定为0.4m。

（四）塑性混凝土防渗墙配合比设计

1.塑性混凝土防渗墙设计指标

参考工程建设经验，结合本工程的实际情况，塑性混凝土防渗墙设计指标为：塑性混凝土的密度2～2.2t/m3，无侧限抗压强度1.5～5MPa，抗拉强度为抗压强度的1/7～1/12，抗剪强度C=0.2～0.3MPa,φ≥30°，变形模量 100～600MPa，渗透系数：n×10-6～10-8cm/s，破坏渗透比降不小于300，抗渗标号W6～W8，破坏应变无侧限时为0.33%～0.70%。

2.塑性混凝土强度龄期确定

塑性混凝土强度增长较为缓慢，后期强度增长较大。根据以往塑性混凝土防渗墙试验结果统计，塑性混凝土强度一般采用90d强度较为合理。

3.配制强度

塑性混凝土的配制强度应根据混凝土的设计强度、强度保证率及离差系数等指标，依据《水工混凝土施工规范》（SDJ207－82）中的有关规定确定。《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》（SL174－96）中指出：一般认为泥浆下浇筑的混凝土强度只有陆地浇筑混凝土强度70%左右。综合以往塑性混凝土的使用情况，塑性混凝土的配制强度可采用下式计算：

式中：R配—塑性混凝土配制强度（MPa）；R90—塑性混凝土设计强度（MPa）；t—塑性混凝土强度保证率为95%时的概率度，取t＝1.645；Cv0—混凝土抗压强度离差系数。

塑性混凝土的弹性模量、强度、渗透系数主要取决于水泥用量。通过调整粘土和膨润土的用量能在一定程度上改善塑性混凝土的抗压强度、弹性模量及渗透系数。

五、加固后大坝计算复核

（一）渗透稳定计算

主坝的防渗措施是打一道防渗墙，坝体各部分计算参数仍为加固前的。

心墙：K1＝3.89×10－4cm/s；代替料：K2＝3×10－4cm/s；排水砂带：K3＝1×10－4cm/s。

防渗墙厚度0.4cm，渗透坡降为44.75，此值小于防渗墙允许渗透比降75，故大坝渗透稳定是满足要求的。计算结果显示，打过防渗墙之后坝体心墙内浸润线明显降低，浸润线只和上下游水位有关系。

（二）坝坡稳定计算

加固后坝坡稳定计算考虑为两种情况即稳定渗流期和库水位降落期。上游坡核算坝前危险水位（按三分之一坝高计）和水位从86.52m（5000年校核水位）降至78m（防洪起调水位）时的坝坡稳定；下游坡核算坝前为设计水位83.10m坝体内部形成稳定渗流时的坝坡稳定。

计算按比肖普（简化法）圆弧法电算，采用河海大学《土石坝稳定分析系统SLOPE》电算程序，计算成果列于下表。

泼河水库主坝坝坡稳定毕肖普法复核成果表

表中成果均大于规范中要求，坝坡是安全的。

六、结语

通过对主坝渗水原因的分析和防渗处理，从根本上解决了主坝渗水问题，清除了工程安全隐患，保障了水库的安全运行。