榨房沟水库大坝防渗设计研究

魏清顺，孙西欢，谢玲丽

(1.太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024； 2.山西农业大学 城乡建设学院,山西 太谷 030801； 3.武汉志宏水利水电设计院，武汉 430070)

0 引 言

土石坝是世界大坝工程建设中历史最为久远且应用最为广泛的一种坝型。在我国，土石坝水库约占水库总数的93%，为国民经济建设发挥着重要的作用[1]。然而，由于早期水库设计标准低、施工技术条件制约等不利因素的存在，形成大量的病险水库，严重影响水库下游安全及工程效益的发挥[2-3]。其中，渗漏是土石坝水库的常见病险形式之一[4]。目前，水库大坝的防渗设计方法主要有黏土防渗斜墙、帷幕灌浆和土工膜合成材料等。其中，土工膜造价低、施工方便、防渗效果较好，在工程中已有应用。在水库除险加固中，如何合理、有效的选择防渗措施，无疑会直接影响到工程的投资和施工。本工程针对榨房沟水库大坝现状，采用“上游坝坡土工膜+基础接触灌浆”的防渗设计方案，阐述复合土工膜在具体工程中的应用，并就其防渗效果进行分析，以期保证下游灌溉安全并为类似水库防渗设计提供借鉴和参考。

1 工程概况

榨房沟水库地处湖北省宣恩县晓关乡大山坪村，位于忠建河支流，总库容为27.46×104m3。工程于1977年8月动工兴建，1979年9月竣工投入运行，是一座以灌溉为主，兼有防洪、供水等综合利用效益水库。水库属于小(Ⅱ)型水库，工程等别为Ⅴ等，水库设计防洪标准为30年一遇，校核洪水标准为300年一遇，水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道、输水拱涵等建筑物组成。大坝为黏土斜墙坝，坝顶高程1 230.00 m，最大坝高13 m，坝顶长38 m，坝顶宽10 m，大坝上下游无护坡，在高程1 222 m处设贴坡反滤；溢洪道全长50.4 m，净宽1.5 m；输水拱涵为浆砌石结构，断面尺寸0.5 m×1.0 m。

水库大坝在30多年的运行过程中，暴露出来的主要问题有：大坝及斜墙欠高(大坝欠高0.35 m，斜墙欠高2.39 m)，水库防洪能力不满足规范要求；大坝坝顶凹凸不平，形状不规则，上下游无护坡，变形、垮塌严重；斜墙填筑土料渗透系数偏大，渗流性态不满足规范要求，坝基漏水严重；排水反滤设施损毁。

由于上述问题的存在，严重阻碍了水库大坝的安全运行与管理。经鉴定，被水利部列为“三类坝”。 为确保下游群众的生命财产安全和下游农田的灌溉以及养殖效益的正常发挥，对榨房沟水库大坝进行除险加固是十分必要的。

2 大坝加固设计

针对榨房沟水库大坝现状及存在的现实问题，大坝加固设计可从坝顶加固、大坝防渗、上游坝坡加固和下游坝坡加固4个方面加以实施。

根据水库调洪演算，可将现状坝顶高程1 230.00 m加高到1 230.50 m，解决坝顶欠高问题。由于原坝顶宽度为10 m，坝顶较宽，而且上下游坝坡较陡需要进行削坡，同时考虑到防汛交通和运行管理的需要，将坝顶宽设计为5.0 m，并铺设厚30 cm的泥结石路面。

大坝防渗处理选择两种方案进行比选：①新老黏土斜墙+基础接触灌浆方案；②老黏土斜墙+上游坝坡土工膜+基础接触灌浆方案。

根据工程实际情况，对上游坝坡进行削坡处理，并对上游坝坡整体采用混凝土格栅M7.5干砌块石护坡，格栅间距3.0 m，起护高程从1 223.00 m至坝顶。下游坝坡同样采用削坡处理，对坝坡滑塌部位进行培坡处理并对下游坝坡整体采用草皮护坡。在坝脚设300 mm×400 mm纵向排水沟，采用M7.5浆砌石结构，水泥砂浆抹面。采用重建排水棱体，解决原大坝排水反滤设施损毁的问题。

3 防渗方案比选

3.1 方案一(比较方案)：新老黏土斜墙+基础接触灌浆方案

此方案主要是对坝体和溢洪道前基础进行接触灌浆，在上游马道以上原坝坡代料土全部清除，新建黏土防渗斜墙。利用新建及原有的黏土斜墙和坝基接触灌浆来防渗。

3.1.1 坝基防渗处理

根据工程实际，需要对坝体基础和溢洪道进口前的基础进行接触灌浆。坝体基础接触灌浆分为坝基和坝肩两部分：坝基部分布置在黏土斜墙下方，与马道中心线同轴；坝肩部分要沿着上游马道以上坝坡与右岸坡的交线延伸布置，直到右坝肩。溢洪道进口基础接触灌浆要平行于进口布置，右侧与坝体充填灌浆下面帷幕相交闭合，左侧延伸至与天然岩体相交处。根据以上原则，确定灌浆轴线长58 m。坝基灌浆单排布孔，孔距1.5 m。与此同时，根据工程地质资料并参考有关工程实例，确定接触灌浆深入坝体0.5 m，深入基岩1.5 m，总深度为2.0 m。

接触灌浆单排布置，孔距1.5 m，钻孔孔径50 mm。灌注材料以水泥灌浆为主。为确保灌浆质量，要求使用强度等级不低于42.5 MPa的普通硅酸盐水泥，细度要求通过4 900孔/cm2标准筛的筛余量不超过2%。灌浆压力在0.1～0.2 MPa。

3.1.2 新建上游斜墙

由于大坝斜墙欠高，当水位超过斜墙顶高程1 228.50 m时，水仍然会渗入坝体，本方案拟在上游马道高程1 226.50 m至坝顶高程1 230.50 m新修黏土斜墙来防渗。将上游马道作为施工平台，待充填灌浆和接触灌浆施工结束后，对马道以上坝坡挖除代料，开挖坡度为1∶2，回填黏土至坝顶高程1 230.50 m，形成黏土斜墙，其斜墙应与原有的黏土斜墙充分衔接。黏土斜墙的底部最小厚度大于其承担水头的1/5，满足防渗要求。结合工程实际并考虑施工方便，确定其斜墙厚度均为2 m。回填后，上游坝坡在马道以下坡度为1∶2.2，马道以上坡度为1∶2。具体见图1。

图1 比较方案大坝加固横断面

3.2 方案二(推荐方案)：上游坝坡土工膜+基础接触灌浆方案

此方案主要是对坝体防渗采用上游坝坡铺设土工膜，对坝体基础和溢洪道前基础采用接触灌浆防渗处理。利用原黏土斜墙、新增的土工膜和接触灌浆形成的防渗体共同来防渗。见图2。

图2 推荐方案大坝加固横断面

3.2.1 接触灌浆设计

接触灌浆的布置、深度、灌浆孔排数、孔距和灌注材料等都与方案一相同。不同之处在于坝体段钻孔时，方案二直接从马道下面坝体开始钻孔，而方案一是通过预留孔从基岩开始钻孔。

3.2.2 复合土工膜防渗设计

由于接触灌浆只是对坝体和坝基结合部位进行处理，对于坝体的渗漏，采用在死水位以上的坝坡铺设复合土工膜来防渗。铺设范围主要是从死水位到坝顶段的坝坡，土工膜的型号采用复合土工膜(两布一膜)。

铺设土工膜前首先要清除上游坝坡代料土上的碎石、草皮、树根等杂物，然后在坝坡代料土表面铺一层厚10cm的粗砂，然后铺设复合土工膜，并做好与底端防渗斜墙、顶端坝顶、两端坝山结合部位的衔接处理，从而形成一道连续的防渗体系。

土工膜铺设时，将土工膜沿坝坡自下而上纵向铺设，回填保护层与铺设土工膜同步进行，先填防滑槽，再填坡面，边填边夯实。土工膜保护层分为3层：其下层为厚100 mm的中粗砂，上设厚200 mm的粗砂，粗砂上层为厚300 mm的混凝土格栅干砌石护坡。土工膜在坝坡与岸坡结合处开挖梯形槽，用C20W6FIO0素混凝土埋固好，土工膜底部埋入坝坡开挖的沟槽内，并与防渗斜墙形成连续的防渗体，土工膜顶部埋入坝顶部固定槽内。利用原黏土斜墙、新增的土工膜和坝基接触灌浆形成连续的防渗体共同来防渗。

复合土工膜防水抗渗能力强，结构简单，施工干扰小，工期较短[5]。但衔接部位是渗漏薄弱环节，经常在接头部位出现衔接问题。另一方面，在施工中复合土工膜稍不小心就会被破坏，从而破坏其整体防渗效果。然而就本地区目前应用情况来看，复合土工膜在用于坝体防渗的技术已相对成熟，采用复合土工膜进行防渗，其衔接质量在本地区能够保证。

3.3 防渗方案比较

榨房沟水库大坝防渗可从防渗的可靠性、施工难易程度、工程投资等3个方面进行比较[6]，具体见表1。

表1 防渗方案比较

方案一马道以上坝体部分采用黏土斜墙防渗，方案二采用复合土工膜防渗；黏土斜墙属于经过无数工程检验的行之有效的防渗措施，复合土工膜防渗能力也较强，并且接头的衔接质量在施工中也可以保证。方案二铺设土工膜比方案一建造黏土斜墙的施工工艺简单。工程造价方面，方案二的直接投资比方案一的直接投资要少。经以上综合比较及经济分析并结合榨房沟水库的实际工程条件，坝体的防渗处理采用方案二。

4 防渗效果分析

大坝防渗效果一般可从渗流量、渗透坡降值、浸润线和溢出点等几个方面进行评价[7]。榨房沟水库大坝渗流计算采用有限元二维稳定渗流计算方法，计算断面为河床最大断面。基岩渗流按多孔介质，土层渗透性按各向同性考虑[8]。

4.1 大坝渗流计算工况

大坝渗流计算工况见表2。

4.2 土层分区和渗透系数选取

除现状渗流分区外，需增加防渗处理区及坝脚反滤体，因土工膜渗透系数很小，除险加固后土工膜渗流计算参数可换算为渗透系数1×10-5cm/s的厚1 m黏土层进行计算。加固后大坝土层各区渗透系数见表3。

4.3 计算结果及分析

4.3.1 大坝加固前二维渗流计算

各种工况下，坝坡出逸坡降及渗透量见表4。

表4 大坝加固前二维渗流有限元计算成果

由计算结果可知，加固前斜墙与坝基接触面最大渗透坡降为0.51，下游坝坡最大水平渗透坡降为1.83。根据地勘资料可知，黏土斜墙与基岩接触的允许渗透坡降[J]=0.65,后坡代料的允许渗透坡降[J]=0.30，则上述工况下，黏土斜墙与岩基接触坡降均在此范围内，而下游坝坡渗透坡降较大，不满足要求。另外，由计算可知，大坝在设计、校核情况下，漫坝，在正常蓄水位情况下浸润线在坝坡出逸，且出逸点较高；渗漏量大，对水库效益影响大。

4.3.2 大坝加固后二维渗流计算

大坝加固后，渗流计算见表5。

表5 大坝加固后二维渗流有限元计算成果

由计算结果可知，加固后，在以上各种工况下，大坝单宽渗流量减小，浸润线均进入下游反滤体，表明防渗体阻水能力强。另外，斜墙与坝基接触面最大渗透坡降为0.41，下游坝坡最大水平渗透坡降为0.06。由地质资料可知，黏土斜墙与基岩接触的允许渗透坡降[J]=0.65，后坡代料的允许渗透坡降[J]=0.30，故渗流坡降均能满足要求，不存在渗透破坏现象。

综上所述，榨房沟水库大坝加固所采用“上游坝坡土工膜+基础接触灌浆”方案经济可行，防渗效果显著，能够保证大坝不发生渗漏破坏。

5 结 语

榨房沟水库大坝经过防渗加固处理后，在正常蓄水位情况下，坝址与下游坝坡的最大水平渗透坡降均在允许范围内，且大坝单宽渗流量减小，浸润线均进入下游反滤体，防渗效果显著，能够保证大坝不发生渗流破坏，大坝除险加固防渗设计方案切实可行。

大坝防渗采用的“上游坝坡土工膜+基础接触灌浆”设计方案，既能有效解决工程实际运行中坝体渗漏严重的问题，同时又满足除险加固设计需从原建筑物运用现状出发，综合考虑多种因素，满足技术和经济的设计要求。该设计方案已在工程中成功应用，保障了下游灌溉安全，为类似水库除险加固防渗设计提供借鉴和参考。