常庄水库坝基渗漏处理研究

□屈艳红 □张文峰 □王长海（河南省水利勘测设计研究有限公司）

1.水库概况

常庄水库位于郑州市市区西南的贾鲁河支流贾峪河上，坝址位于郑州市中原区须水镇常庄村，水库控制流域面积82km2，水库下游为郑州市区，有京广、陇海两大铁路干线和连霍高速、310国道等，京广客运专线经过水库下游，水库地理位置非常重要，常庄水库按大型水库管理。

2.坝体采取防渗措施的必要性

主坝为均质土坝，坝基采用粘土截渗槽防渗。大坝于1959年12月开工兴建，坝体填筑较快，至1960年2月，仅3个月时间，大坝便完工蓄水。1961年4月，大坝左端与台地结合处出现弧形裂缝，缝宽1cm，深1m，长10m，并发现绕渗现象。1962年对裂缝进行了回填处理。1965年12月至1966年9月间，对左坝头绕渗进行了处理。2003年8月，大坝上游坝坡输水洞工作桥下有明显塌坑，坝顶下游坝肩墙发现有两道明显裂缝，相距5m左右。左岸坝肩与坝体结合处含水量较高呈软塑状，蓄水至今一直存在坝基渗漏问题。

主坝施工时坝基已开挖截水槽，槽底高程为108.5m，截水槽将主河槽段坝轴线下的粘土质砾层截断。槽底座落于第一层低液限粉土、低液限粘土上，该层渗透系数为1.34×10-4～1.53×10-5cm/s，属弱～中等透水地层，阶地及两岸坝肩下的粘土质砾层并未截断，库水可通过截水槽底之低液限粉土及阶地和两坝肩下粘土质砾石层向下游渗漏。

坝体填土压实度较差，压实也不均匀。从历次大坝质量检查结果看，坝体填土干密度虽有逐渐增大之趋势，但123～125m高程以上及上下游坝体仍存在较厚的低密度区及一些薄弱部位，低密度区分布有渗透系数>10-4cm/s的区域，渗透系数偏大。如左坝肩、坝体结合部曾出现裂缝及渗漏。

根据水文站1976年至今对常庄水库每年渗漏量损失统计情况，主坝实测坝基渗漏量大，两坝肩与坝体结合不好，坝体123～125m高程以上低密度较多且渗透系数偏大，坝体填筑不均一，而常庄水库作为郑州市的城市供水水库，水十分宝贵，故需进行防渗加固处理。

3.渗流安全分析

坝体各土层的工程地质条件如下：第一层低液限粉土（Q4）：该土质不均，夹有薄层含细粒土砂透镜体，在高程110m附近夹有厚一般0.2～3.5m、最厚达4.9m的粘土质砾透镜体；高程110m左右以上极软土，岩性多为低液限粉土；高程110m左右以上软土，岩性多为低液限粉土；高程110m左右以下中硬土，岩性以低液限粉土为主。第二层黄土状低液限粉土（Q3）：分布在两坝肩上部，高程124～127m以上。呈坚硬状。第三层黄土状低液限粉土（Q3）：分布于两坝肩中下部，由于该层所取土样均在左肩接触带附近，受库水影响，含水量增大，天然饱和度90%，呈软塑状。第四层粘土质砾（Q3）：分布在坝基下部，层顶高程107～110.7m，钻孔揭露厚度一般0.5～2.0m，最厚6.1m，层位不稳定，地表未出露，在坝基上游尖灭，属不均匀砾，属硬土。第五层低液限粘土（Q2）：分布在坝基下部，层顶高程104.6～109.0m，层位比较稳定，属中硬～较硬土。

下游坝脚外地基的工程地质条件如下：低液限粉土（Q4）：大多分布于高程110m以上，含较多的腐殖质，青灰～浅灰色，厚1～3m，属极软土～软土，呈流塑状。粘土质砾（Q4）：其岩性同坝基，该层在上游常以较小的透镜体夹于低液限粘土中，在下游戗台下游坝脚一带则连续分布，且厚度亦增大至2～3m，该层顶面高程为111～112m，其上部砾石直径较大。

截水槽槽底坐落于第一层低液限粉土上，该层渗透系数为1.34×10-4～1.53×10-5cm/s，属弱透水地层，库水可通过截水槽底之低液限粉土及含泥砂砾石层向下游渗漏。

采用相关过程线进行分析，由于资料系列较长，因此选取了库水位高程及维持时间都接近的年份1987年至1991年、2000年至2004年进行比较，测压管选择这几个年份资料均齐全0+171.1测压管，点绘库水位与测压管水位相关过程曲线，如图1。

图1 库水位与测压管水位相关过程曲线图

从图中可以看出，1987年至1991年，相关曲线形成一单圈套曲线；2000年至2004年管水位变化具有一定的规律性，每一年形成单圈套曲线，整体呈重复圈套现象，且在上包线与下包线包裹范围内，在相同库水位下，库水位上升过程对应的管水位低，下降过程对应的管水位高，该曲线反映了滞后时间的影响，库水位上升时，测压管水位相应上升，库水位上升至最高值开始下降，管水位由于时间滞后而继续上升，然后才下降。库水位下降至某一高程后又开始上升，管水位继续下降一段时间后才上升，并且从图中还可以看出，相关曲线圈套向左旋转，说明在当时，坝体的渗流条件是有良好发展趋势的。

4.防渗处理方案比选

方案1：高压喷射灌浆

施工设备选用单管法。工艺技术参数：水泥浆浆压30MPa，浆量50L/min，提升速度20cm/min，旋转速度20r/min，喷嘴直径2.5mm。采用双排孔柱板式连接，孔距1.5m。灌浆材料采用水泥浆。

方案2：塑性混凝土防渗墙

塑性混凝土防渗墙墙厚0.4m，轴线位于坝中轴线上游1.0m。采用封闭式防渗墙，墙顶高程135.64m，底部深入低液限粘土≥5.0m，最大墙深34.17m。

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。塑性混凝土每立方米混凝土中水泥用量50～160kg，其他材料可以利用开挖出来的低液限粉土和低液限粘土，因而造价较省。

设计指标为：28d弹性模量300～2000MPa，抗压强度1.5～4.5MPa，渗透系数<1×10-7cm/s，极限渗透坡降>300。两种方案优缺点比较见表1。

表1 两种防渗方案优缺点比较表

方案1过去许多工程已经应用，但从近几年的效果看，防渗体施工质量均匀性较差，防渗体耐久性较差，土颗粒被带走后防渗效果将降低；方案2处理坝体渗流彻底，但造价较高。综合比较，为彻底解决坝体坝基质量及渗流问题，推荐方案2，即在坝轴线上游1m位置做一道塑性混凝土防渗墙，墙顶高程135.64m，0+000～0+090、0+180～0+380两段防渗墙底部进入坝基5m，0+090～0+180段防渗墙底部进入第五层低液限粘土（Q2）5m，墙厚0.4m，防渗墙总长380m。

5.防渗处理后渗透稳定分析

常庄水库主坝为均质坝，根据地质勘测资料，对主坝各典型断面进行渗流计算。渗流计算采用的水位采用为新的加固选定方案下的水库调洪验算成果。计算断面为大坝最大坝高0+155断面。坝体渗透稳定分析《水工结构有限元分析系统Atobank5》，程序采用有限元分析法求解渗流场。对于土石坝的无压渗流情况，先假设一个大致的自由表面初始位置，程序通过反复迭代和修改自由表面位置，使其满足规定的边界条件，得到新的自由表面，此线即为第一条流线即浸润线。程序同时给出每个单元的渗流量、渗透坡降等信息。

经过分析计算表明，设计水位、兴利水位及死水位各工况下，渗透坡降最大处发生在下游渗透逸出点处，渗透坡降均小于允许渗透比降0.68，渗透稳定满足要求。