水库土质坝体防渗墙计算

2016-08-18董永霞刘琳琳商丘市水利建筑勘测设计院

河南水利与南水北调 2016年6期

□董永霞　□刘琳琳（商丘市水利建筑勘测设计院）

水库土质坝体防渗墙计算

□董永霞□刘琳琳（商丘市水利建筑勘测设计院）

坝体防渗墙是在松散透水地基或土石坝坝体中连续造孔成槽，通过压力设备，浇筑塑性材料建成的、起到防渗作用的地下连续墙，是保证地基稳定和大坝安全的工程措施。文章在防渗墙计算的基础上，对土质坝体常见的3种防渗墙类型进行方案比选，叙述其优缺点及相关参数点，最终确定水库防渗墙类型。

水库防渗墙；材料选择；方案论证

1　工程概述

该水库位于豫东平原黄河故道上，是一座以城市供水为主，兼有防洪、灌溉和养殖等多种功能的中型水库。水库控制流域面积353 km2，于1958年建成蓄水，1961年停止运用，1974年恢复运用。2013年进行除险加固，需对副坝坝体进行防渗处理。

该水库由主坝、副坝、溢洪道、灌溉闸组成。主坝南北向，最大坝高6.80 m，坝长1050 m，坝顶宽度20 m，副坝为东西向，位于水库右岸，坝长2050 m，坝顶宽15 m。现状主副坝坝坡均为土质表面，没有防护。该水库死水位60.40 m，死库容为40万m3，兴利水位及汛限水位均为64.80 m，相应库容3400万m3。

2　主要设计参数

程等别及建筑物级别：根据相关规范规定，该水库工程等级为Ⅲ等，相应主要建筑物级别为3级。防洪标准重现期，设计为50 a，校核为200 a。主要设计参数：设计最高洪水位65.31 m，相应库容4130万m3；校核最高洪水位65.69 m，总库容5136万m3；副坝上游设计坡比为1：3～1：3.50，下游坝坡坡比为1：2.50～1：3；地震动峰值加速度0.05 g。

3　坝体存在主要问题

该水库副坝为原黄河故道大堤，为均质土坝，无防渗体，下游无反滤设施。由于该大堤是由前人逐渐加高而成，其填土成份及密实度变化均较大。坝体填土主要为砂壤土，重粉质壤土，局部为粉质粘土及粘土，坝体已达到中等～密实状态。坝基土主要为重粉质壤土、土质均匀，中密状。坝体渗透系数范围值为3.20×10-5～2.60×10-4cm/s，平均值4.56×10-5cm/s，属弱～中等透水性，抗渗性能稍差，不存在渗透稳定问题。坝基渗透系数范围值5.89×10-8～8.44×10-5cm/s，平均值1.53×10-5cm/s，属微～弱透水性，迎水坡硬化护坡有损坏，背水坡下游无反滤排水设施，无防护措施，坝坡冲刷损坏严重。

4　工程地质条件

水库副坝区勘探深度范围内，钻孔揭示地层共划分为两个工程地质单元，自上而下分别描述如下：第一层，重粉质壤土（Q4al）：为副坝坝基持力层，厚度2.70～6.80 m，。棕黄～灰黄色，软塑～可塑状，层状构造，层理清晰，无摇振反应，干强度中等，韧性中等，夹薄层状砂壤土。干密度平均值1.41 g/cm3，天然含水量平均值29.50%，压缩模量6.30 Mpa，压缩系数0.31MPa-1，中压缩性，渗透系数范围值5.89×10-8～8.44×10-5cm/s，平均值1.53×10-5cm/s，弱透水性，粘聚力29.60 Kpa，内摩擦角5.10°。第二层，砂壤土（Q4al）：为副坝坝基受力层。棕黄～灰黄色，湿，中密状，斜交层理发育，摇震反应中等，干强度低，韧性差，局部夹重粉质壤土。干密度平均值1.50 g/cm3，天然含水量平均值27.30%，压缩模量14.90 Mpa，压缩系数0.12 MPa-1，具中压缩性，渗透系数范围值3.25×10-5～5.35×10-4cm/s，平均值2.27×10-4cm/s，中等透水性，粘聚力5.90 kpa，内摩擦角18.30°，地基承载力允许值为130 kPa。该层没有揭穿，最大揭露厚度9.50 m。

5　坝体防渗墙设计

5.1防渗墙施工特点

①防渗墙工程一般都是隐蔽工程，其工程质量在施工过程中和施工完成后，不能用肉眼直接观察，也难以用仪器做普通和准确的检测，其工程缺陷常常要在使用过程中才能发现。防渗墙工程一旦发生和发现质量事故，返工处理比较困难，有事甚至无法弥补。②防渗墙施工工期要满足防洪、防汛的要求，不允许推延工期。防渗墙工程的设计和施工在很大程度上受水文地质和工程地质条件的影响。在施工过程中发现的不良地质情况可能给工作造成被动。③防渗墙施工，特别是大型防渗墙施工使用的机械较多，施工中要使用大量泥浆。因此机械进场、施工用电、用水、排渣等条件，都必须同时具备。④防渗墙施工的现场管理及其重要工程开工以后，必须保持连续作业，任何较长时间的中途停顿都会带来较大的损失。

5.2防渗墙位置及范围

根据副坝水文地质纵剖面图，整个副坝坝体、坝基均处于中透水层，因此防渗墙的长度应为副坝长度，其位置设在上游坝肩，平行坝轴线布置。

5.3防渗墙的深度

根据钻探资料，坝体填土主要为砂壤土、重粉质壤土，局部为粉质粘土及粘土，属弱～中等透水性。坝基第一层地质单元为重粉质壤土夹薄层砂壤土，属微～弱透水层。防渗墙的深度穿透坝体进入第一层土体，平均深度约7.10 m，根据规范要求，防渗墙底部深入相对不透水层≥1 m，因此确定防渗墙平均深度为8.10 m。

5.4防渗墙的厚度

由于国内防渗墙设计无规范，防渗墙的渗透计算和渗透稳定分析以及强度、变形计算尚无规范的计算方法和理论。在设计时，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：ΔHmax—作用在防渗墙上的最大水头差，m；ΔHmax= 65.69-60.40=5.29 m；K—抗渗坡降安全系数，取5；Jmax—防渗墙渗透破坏坡降，塑性混凝土防渗墙取Jmax=80，多头小直径水泥土深层搅拌桩取Jmax=200。

经计算，塑性混凝土防渗墙d=0.33 m，取防渗墙厚度d= 0.40 m；多头小直径水泥土深层搅拌桩d=0.13 m，考虑到施工要求，取防渗墙厚度最薄处d=0.22 m；聚氨酯防渗墙根据坝体土质、成墙深度，取防渗墙厚度最薄处d=0.02 m。

5.5设计方案比较

5.5.1方案1：塑性混凝土防渗墙

参考国内已建工程经验，塑性混凝土防渗墙设计指标为：塑性混凝土的密度2～2.20 t/m3；无侧限抗压强度1.50～5 MPa，抗拉强度为抗压强度的1/7～/12；抗剪强度c=0.20～0.30 MPa，φ≥30°；变形模量100～600 MPa，弹性模量800～1000 MPa；渗透系数K≤（1～9）×10-8cm/s；破坏渗透比降≥80.00；抗渗标号W6～W8；破坏应变无侧限时为0.33%～0.70%。塑性混凝土强度增长较为缓慢，后期强度增长较大，强度一般采用90d强度较为合理。

5.5.2方案2：多头小直径水泥土深层搅拌桩

深层搅拌桩是利用水泥类浆液与原土通过叶片强制搅拌形成墙体的技术，适用于粘土、粉质粘土、淤泥质土以及密实度中等以下的砂层，且施工进度和质量不受地下水位的影响。其主要技术指标：渗透系数K≤1×10-6cm/s；抗压强度≥0.50 Mpa；渗透破坏比降≥100；水泥质量百分比12%。

5.5.3方案3：聚氨酯防渗墙

聚氨酯防渗墙是一种新型双组份高聚物防渗材料。它的技术原理是根据堤坝防渗设计要求，在需要防渗加固的堤坝段内，利用静力压入设备，将特制成孔钻具压入堤坝中，形成连续的超薄型孔模。按照一定高聚物浆液配比，通过注浆管向孔模内注射双组份高聚物材料。高聚物材料发生化学反应后体积迅速膨胀，填充满孔模并固化，高聚物材料与孔模周围土体紧密胶结在一起，将相邻孔模交叉搭接或连续搭接，注浆后形成连续超薄高聚物防渗帷幕或防渗墙，从而达到提高堤坝防渗性能的目的。

聚氨酯防渗材料的主要特点有以下几种。高膨胀：高聚物材料的自由膨胀比可达20：1，可以填充脱空和裂缝，同时可以进一步压密周围介质；轻质：反应后形成的固体材料自重轻，其密度不到水泥浆或沥青材料的10%；早强：高聚物材料能够迅速固化，可在15 min内达到其最终强度的90%。材料具有良好的弹性，并具有较高的抗拉强度；防水：固化后材料具有良好的防水性能，渗透系数K≤1×10-9cm/s；耐久：高聚物材料抵抗化学溶剂和油脂腐蚀的性能非常好，在地基环境下一般的含盐、酸或者洗涤剂的水溶液中，高聚物材料的稳定性良好，稳定耐久，在地下环境可达百年以上；安全：对环境无污染。

5.5.4方案比较

3种方案从投资、适用性、施工要求条件等进行比较，详见表1（造价以当地材料价格为准）。