大石桥水库大坝渗漏成因及加固措施

2017-05-17

河南水利与南水北调 2017年4期

（信阳市水利勘测设计院）

大石桥水库大坝渗漏成因及加固措施

□王冰

（信阳市水利勘测设计院）

大石桥水库库兴建于动乱年代的特殊时期，大坝填筑质量差，又经过多年运行，大坝坝体、坝基渗漏严重，已危及水库安全。文章详细分析了大坝渗漏的原因，并制定了针对性的加固处理措施，即采用塑性混凝土防渗墙结合帷幕灌浆对坝体、坝基进行了防渗处理，有效的解决了大坝渗漏问题，使水库的防洪效益得以正常发挥，具有一定的推广价值。

水库大坝；渗漏成因；加固措施

1 工程概况

大石桥水库位于商城县观庙乡柳大湾村大石桥村民组，大坝座落在淮河右支白露河支流万象河上。是一座以防洪、灌溉为主，结合水产养殖、发电等综合利用的中型水库。水库于1970年11月动工兴建，1973年12月建成，控制流域面积7.40 km2（流域外的鲍楼小（1）型水库洪水由溢洪道泄到本水库，控制流域面积3.20 km2）。防洪标准采用50 a一遇洪水设计，1 000 a一遇洪水校核，总库容1 172万m3。主要建筑物有大坝、溢洪道、输水洞等。

大坝为粘土心墙砂壳坝，坝顶长200 m，坝顶高程128.14 m，最大坝高27.14 m，坝顶宽5 m，心墙顶部高程127 m，顶宽1 m，上、下游坡比均为1∶0.50，心墙下设有截渗槽，并在上游侧坝基表层铺筑有粘土铺盖，铺盖厚1～1.90 m。大坝上游坡122.14、112 m高程分别设有1.80、2 m宽平台一道；下游坡121.85、112.35 m高程分别设有2.20、2 m宽平台一道。大坝坡率：上游坡1∶2.05～1∶2.50、下游坡1∶1.78～1∶2.25。大坝上游坡为0.40 m厚的干砌石护坡；下游坡为草皮护坡，设有纵、横向排水沟，坝脚处设有堆石排水棱体，坝后设有2 m厚的压渗平台。

2 坝址区工程地质

坝址区内地层从上至下共分为五层：第①层，风化砂代替料：褐黄色、黄色，颗粒组成从坝顶向下以风化砂石为主，粘性土含量较少，填筑较松散～稍密；第②层：填土（心墙）：填筑中实，土呈可塑状，物质组成以低液限粘土为主，含少量低液限粉土，厚度在2.40～28.10 m之间；第③层：填土（心墙）：填筑稍密，土呈可塑状，含较多风化砂代替料，结构中密，呈透镜体状分布，厚度在0.70～4.70 m之间；第④层：片岩（强风化）：褐黄色，岩石呈强风化状态，干钻不易，清水钻进较快，但取不到岩芯，该层厚度6～8.30 m不等，承载力特征值fak= 300 kPa；第⑤层：片岩（中风化）：褐黄色、青灰色，裂隙发育，岩石硬度较高，勘察揭示最大厚度2.70 m，承载力特征值fak= 500 kPa。

3 大坝存在的渗漏问题

3.1 坝基渗漏

在压渗平台后可见多处渗漏点，压渗平台后可见一股明流。渗水量随库水位增减而变化，当库水位达到123 m时，坝基呈带状渗水，渗水量高达0.81 L/s；当库水位下降至118 m时，渗水量为0.52 L/s。

3.2 坝体渗漏

坝体渗漏严重，当库水位达到122 m时，在下游坡高程104.80 m附近可见明显的渗水明流现象。

4 渗漏原因分析

4.1 坝基裂隙发育

坝基表层为强风化片岩，裂隙较发育，该层厚度6～8.30 m不等，往下渐变为中风化片岩，岩石较为新鲜完整。经钻孔压水试验，强风化片岩透水率4＜q＜11Lu，为弱～中等透水，造成坝基渗漏。

4.2 坝体心墙填筑土料不满足要求

大坝心墙填土以低液限粘土为主，为就近采取的河床两岸阶地表层坡积、冲积形成的低液限粘土、低液限粉土，局部含有有机质及尚未腐烂的草根等，不满足筑坝要求。

4.3 坝体填筑质量差

勘探共取坝体原状土样17组，进行了常规试验与击实试验，按规范要求，中型水库设计压实度为0.96，由击实试验成果筑坝干密度设计值应为1.65 g/cm3。原状土样常规试验干密度结果表明：干密度最小值为1.50 g/cm3，最大值为1.67 g/cm3，平均值1.58 g/cm3。其中干密度＞1.65 g/cm3的1组，填筑质量合格率仅达6%，尤其在桩号0+051～0+105之间高程115.10～120.30m段，以低液限粉土为主含风化砂的心墙填筑碾压质量差，结构较疏松，渗水较严重，渗透系数为4.27×10-5～3.15×10-4cm/s，渗透级别为弱～中等透水。

5 加固措施

5.1 方案比选

具体内容见表1。

表1看出，方案b投资较省，但整体强度低、持久性差；方案a处理坝体渗流彻底，防渗效果好，但造价较高。为从根本上解决坝体渗漏问题，本设计采用方案a，即塑性混凝土防渗墙。

表1 坝体渗漏处理方案比较表

5.2 坝体防渗工程措施

5.2.1 工程布置

防渗墙中心线位于心墙轴线处，防渗墙底部深入坝基1 m，顶部高程127 m，最大深度32 m。

5.2.2 防渗墙技术参数

①塑性混凝土的密度：2～2.20 t/m3；②无侧限抗压强度：1.50～5 MPa；③抗拉强度：抗压强度的1/7～1/12；④抗剪强度：c=0.20～0.30 MPa，Ф≥30。；⑤变形模量：100～600 MPa；⑥渗透系数：n×10-6～10-8cm/s；⑦破坏渗透比降：不小于300；⑧抗渗标号：W6～W8；⑨破坏应变：无侧限时为0.33%～0.70%。强度龄期采用90 d。

5.2.3 防渗墙厚度

根据防渗墙破坏时的水力坡降确定墙体厚度（d），见公式（1）。

式中：ΔHmax—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。

通过计算δ=0.42～0.47 m之间，防渗墙墙体厚度确定为0.50 m。

5.2.4 塑性混凝土防渗墙配合比设计

5.2.4.1 塑性混凝土防渗墙设计指标

参考国内已建工程经验，结合本工程的实际情况，该工程塑性混凝土防渗墙设计指标为：①塑性混凝土的密度：2～2.20 t/m3；②无侧限抗压强度：1.50～5.00 MPa；③抗拉强度：抗压强度的1/7～1/12；④抗剪强度：c=0.20～0.3 0 MPa，Ф≥30。；⑤变形模量：100～600 MPa；⑥渗透系数：n×10-6～10-8cm/s；⑦破坏渗透比降：≥300；⑧抗渗标号：W6～W8；⑨破坏应变：无侧限时为0.33%～0.70%。

5.2.4.2 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，一般采用90 d强度较为合理。

5.3 坝基防渗工程措施

5.3.1 工程布置

坝基渗漏采用帷幕灌浆进行处理，施工时先做坝体塑性混凝土防渗墙，再进行坝基帷幕灌浆。帷幕采用在混凝土防渗墙内预埋管灌浆，埋管内径110 mm，灌浆终孔孔距2 m，三序孔施灌。

5.3.2 灌浆材料及灌浆方法

采用普通硅酸盐水泥浆液，水泥强度等级42.50级。水泥浆采用水灰比5∶1、3∶1、2∶1、1∶1和0.50∶1五个比级，开灌水灰比5∶1，然后逐渐变浓。灌浆采用自上而下分段阻塞法灌浆，自上而下灌浆段长为：第1段2 m，第2段3 m，以下各段5 m。钻孔采用150型地质钻机，硬质合金钻头或金刚石钻头钻进，孔径76 mm。

5.3.3 浆液扩散半径

浆液扩散半径按在有均匀分布裂隙的岩石中灌浆灌液扩散半径进行计算，见公式（2）。

式中：K-灌浆前岩层的渗透系数；t-灌浆的延续时间；μ1、μ2-水与浆液的粘滞系数；H-灌浆压力，以水柱高度计；r-输浆管半径；n-岩层的孔隙率。

根据上式及地质报告中参数计算得：R＝1.43 m。

5.3.4 帷幕厚度

由于坝基灌浆采用单排帷幕，故帷幕厚度T=R。

5.3.5 帷幕孔距确定

灌浆孔孔距根据《大坝基础灌浆》进行计算，见公式（3）。

式中：L-灌浆孔距；R-浆液扩散半径。

经计算，L＝2.47 m，取帷幕灌浆孔最终孔距为2 m。

5.3.6 灌浆压力初步确定

根据帷幕灌浆造孔深度（不含静压灌浆造孔深度）进行灌浆压力计算，见公式（4）。

式中：P-灌浆压力（kg/cm2）；D-灌浆段深度，m；α-系数；P1-灌浆泵上压力表指示的压力（kg/cm2）；P2-浆液自重的压力（kg/cm2）；Pf-压力损失，指浆液在流经全部的管路过程中的压力损失（kg/cm2）。由于孔内管中的浆液流速较低，压力损失较小，故此项可忽略不计。

经计算，P＝8.70 kg/cm2，即P＝0.87 MPa。由于灌浆孔造孔深度不一，故计算灌浆泵上压力表指示压力应介于0.38～0.67 MPa之间。实际灌浆压力先通过试验孔根据岩层的吸浆情况及对地表观察，视有无冒浆或抬动变形情况，再做压力调整，要求幕体单位吸水量W0降低到0.01～0.05 L/（min·m·m）。

5.3.7 帷幕结构验算

式中：ω—灌浆前岩层的单位吸水量，ω=0.20 L/（min·m·m）；ωc—灌浆后帷幕幕体的单位吸水量，ωc=0.02 L/（min·m·m）。

在设计规范中，规定了帷幕幕体内的水力坡降的最大允许值Ia与幕厚T的关系，当1.00＜T＜2.00m时，Ia=18，经计算I＜Ia，说明幕体安全。