册田水库主坝塑性混凝土防渗墙防渗效果及其渗透稳定性分析

田生有 赫振平

（山西省大同市册田水库管理局 山西大同037300）

1 工程概况

册田水库位于山西省大同县境内，属海河流域永定河水系，是桑干河干流上山西省出境控制性工程，坝址以上控制流域面积1.67 万km2，占官厅水库以上总流域面积的38.5%，设计总库容5.8 亿m3，属大（2）型水库，工程等别为Ⅱ等，水库地震设防烈度7 度。水库任务以防洪为主，兼顾城市供水、农业灌溉，同时还承担“21世纪初期首都水资源可持续利用项目”实施后向北京市输水的任务。水库位于官厅水库和北京市上游，其地理位置十分重要，是山西省唯一一座全国重点防汛水库。

水库大坝为均质土坝，均质土坝施工为水中倒土和碾压法填筑，坝顶高程62 m（本文涉及的高程皆为相对高程），最大坝高42 m，正常蓄水位高程为56 m，设计标准洪水为100年一遇（P=1%），相应水位为57.07 m，校核洪水为2000年一遇（P=0.05%），相应水位为60.04 m。水库枢纽工程由大坝、正常溢洪道、非常溢洪道、浆砌石重力坝、左侧副坝等建筑物组成。水库坝体位于泥河湾湖相沉积顶部的玄武岩上，玄武岩厚约5～25 m 左右，表层柱状节理发育、渗透性大，其下为湖相沉积物，坝址有多条断层从大坝通过。

2 防渗加固设计与施工

水库于1958年建库，以后虽然经过了多次防渗处理，但主坝段和北副坝段坝防渗效果较差、不理想，坝体存在软弱层、大坝基础存在“界面”接触冲刷、坝基玄武岩层渗漏严重等问题，同时考虑坝坡可能存在未彻底处理的震后裂缝，在2009—2010年的除险加固工程中对主坝段和北副坝段坝基和坝体进行了防渗处理。

由于塑性混凝土防渗墙具有优良的力学性能，弹性模量低，极限应变大，能与周围土体协调变形，墙体受力状态好，不易产生裂缝，尤其是在地震区，优良的地震性能更显示出其优越性，渗流系数一般小于10-7cm/s，而且有便于施工、节约水泥、减少投资等优点。因此，决定防渗加固方案为坝体采用塑性混凝土防渗墙，坝基采用防渗帷幕，防渗墙与帷幕形成一道垂直防渗体，大坝经过防渗处理后，在正常蓄水位情况下，防渗墙后坝体浸润线可较大幅度下降，既可以解决“界面”接触冲刷问题，还可以减轻大坝在强地震时坝体裂缝产生渗漏通道。

2.1 设计指标

主坝和北副坝塑性混凝土防渗墙设计指标为:在主坝和北副坝0+150～0+629 m 段坝轴线上游2 m 处，作垂直防渗处理，塑性混凝土防渗墙成槽深度35～45 m，深入玄武岩4 m，防渗墙设计厚度0.8 m，混凝土强度等级为C15，抗压强度R28=1.0～2.5 MPa，弹性模量E28≤500 MPa，抗渗标号为W6，渗透系数Kx、Ky=8.64×10-6m/d，防渗墙顶高程60.5 m。

帷幕灌浆设计指标为:帷幕灌浆通过坝基玄武岩，深入玄武岩下部湖相沉积亚黏土层5 m，基岩灌浆从塑性混凝土防渗墙上、下游两侧，经坝体对大坝基础岩石进行帷幕灌浆，为双排帷幕。基础岩石灌浆排距2 m，孔距3 m，按梅花形布置，帷幕深入玄武岩下部湖相沉积层5 m，设计要求透水率q 值为3～5 Lu，其渗透系数取Kx、Ky=0.086 4 m/d。

2.2 防渗墙施工

防渗墙施工程序:构筑施工平台—铺设轨道—安装钻机—槽孔施工—泥浆固壁—下设混凝土导管—浇筑混凝土—质量检查。

防渗墙造孔采用冲击反循环钻机；泥浆固壁采用2 m3泥浆搅拌机搅拌，泥浆泵输送；混凝土采用0.8 m3搅拌机拌制，直升导管法浇筑。塑性混凝土墙施工配合比见表1。

表1 塑性混凝土墙施工配合比

帷幕灌浆采用自上而下循环灌浆法、按序逐渐加密的原则进行施工。初始水灰比采用5∶1，灌浆浆液的变换，遵循由稀到浓的原则，逐级改变，浆液的水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1 七个比级。

3 防渗效果及渗透稳定性分析

通过对主坝塑性混凝土防渗墙实体检查试验、加固前后防渗墙上下游水位、库水位与管水位相关分析、浸润线、渗流量、位势及渗流比降等多种方法对册田水库主坝塑性混凝土防渗墙防渗效果以及渗透稳定性进行比较分析。

3.1 塑性混凝土防渗墙施工质量检测结果

根据册田水库主坝塑性混凝防渗墙分部工程施工情况，防渗墙体质量检查采取现场压水试验检查和钻孔取芯到水工试验室送检的方法进行综合检验，对抗压强度、渗透系数、弹性模量等多项指标进行检查和评价。

通过现场实地注水试验对渗透系数检查，进行了4 个试验段的钻孔注水试验，检测结果为塑性混凝土防渗墙的渗透系数为8.46×10-8～9.75×10-8cm/s；通过水工试验室对8 组抗渗试块、40 组抗压试块、2 组弹性模量试验，经测定渗透系数达8.46×10-8～9.75×10-8cm/s、抗压强度为1.1～2.3 MPa、弹模值为470～480 MPa。由检测结果可知，主坝的防渗加固基本达到设计要求。

3.2 加固前后防渗墙上下游测压管水位分析

水库在主坝0+557 断面布置了4 排浸润线测压管，分别位于坝轴线上游11 m，下游4.1 m、21.5 m、45 m，见表2，塑性混凝土防渗墙位于坝轴线上游2 m。

主坝段防渗墙于2009年开始施工至2010年防渗墙水压试验检验结束，由于施工期防渗墙成槽时泥浆固壁以及水压试验的影响，造成坝体渗流场极不稳定，因此选用2009年5月底防渗墙施工前与2015年库水位较为稳定期的测压管观测资料进行分析。

由表2可以明显看出，在库水位相近时，防渗墙修建前后测压管水位变化非常明显，修筑防渗墙后上游测压管J5 的水位上升了3.91 m，与库水位接近，而防渗墙下游测压管J6 水位下降了3.56 m，下降幅度较大。J7、J8 水位从考证表中可知基本位于其沉淀管内已不能反映坝体渗流情况，故舍弃不用。加固前后J5、J6 水位差由4.77 m 增加到12.24 m，也说明了塑性混凝土防渗墙对渗流水头的消减作用较大防渗效果明显。

表2 主坝0+557 断面防渗墙上下游测压管水位分析

3.3 相关分析

由于J7、J8 水位位于测压管的沉淀管内，已不能反映坝体浸润线情况，因此只对J5 和J6 进行库水位与管水位的相关分析。首先采用逐步回归分析，通过计算相关系数并结合水位过程线确定出测压管的迟后时间，去除迟后时间影响后进行相关分析，见图1、图2（注:图中水位为相对高程）。

图1 J5 测压管水位与库水位相关图

图2 J6 测压管水位与库水位相关图

由图1、图2中可知，J5 测压管（位于防渗墙上游9 m）在防渗墙修筑后水位上升约3.9 m，斜率变化不大；J6 测压管（位于防渗墙下游6.1 m）在防渗墙修筑后水位下降约3.5 m，说明大坝渗流条件得到了有效改善，防渗效果明显。图2中J6 的相关线在修筑防渗墙后呈水平，分析原因认为，一种情况是上游水位经防渗墙削减后对其影响较弱，另一种情况可能是J6管安装位置偏高造成的，需补充测压管或渗压计进一步进行分析。

3.4 浸润线法[1]

根据主坝防渗处理实际情况，采用三种渗透系数对主坝0+555 断面浸润线计算。渗透系数见表3，分情况计算的浸润线见图3。三种渗透系数分别是:

1）2009年除险加固工程设计中采用的坝体与塑性混凝土防渗墙的渗透系数；

2）由塑性混凝土防渗墙原位钻芯与压水试验，坝体测压管注水试验得出的渗透系数；

3）由J5、J6 与防渗墙对坝体进行分区，把大坝分成防渗墙前区、防渗墙区以及防渗墙后区三个区间，通过J5、J6 水位反算求得防渗墙前后坝体渗透系数。

由图3对各种情况下的浸润线情况进行分析:

1）采用除险加固设计的K 值计算出的防渗墙后浸润线最低，同时在正常蓄水位56 m 与库水位为50.2 m 时防渗墙下游浸润线相比上升很小，说明防渗墙防渗效果显著。

2）采用由J5、J6 水位分区计算求出的K 值，浸润线虽然消减了较大的水头（E=40.5%），但依然比设计计算浸润线高出较多，结合J6 与库水位相关图、管水位过程线分析，认为J6 水位位于测压管沉淀段附近，由于测压管施工安装时的误差等原因，J6 可能已经不能真实反映坝体内实际渗流情况。

3）采用原位试验K 值数据计算的浸润线，与采用J5、J6 水位分区计算K 值的浸润线基本相同，这从两者的渗透系数接近可知。

图3 浸润线图

4）由J5、J6 水位分区计算求出的坝体K 值与原位测量的K 值相差不大，而原位测定的防渗墙K 值与规范推荐值K≤10-7cm/s 较为接近，由此渗透系数计算的浸润线与设计相差较大。鉴于这种情况，防渗墙后的渗流监测应以设计浸润线为参照，并按照SL551-2012 土石坝安全监测技术规范要求重新埋设渗压计或测压管，以便及时掌握主坝运行状态，确保水库安全。

3.5 位势与坡降分析[1]

位势是指流场中某一位置的测压管水头占全部水头的比例，通过位势分析可得出防渗墙在土石坝渗流中所起作用的大小；渗流坡降是防渗墙或某一坝段水头与渗径的比值，如果理论计算的渗透坡降大于允许坡降时，产生渗透破坏危险的可能性就比较大，两者的计算公式如下:

式中，Φ 为位势；hi为某测压管水头，m；H1为水库上游水位，m；H2为下游水位，m。

式中，J 为比降；h1、h2为防渗体前后或某一坝段上下游水头，m；L 为渗径，m。

通过四种不同情况，计算的位势与渗流坡降数据见表4、表5。由表4、表5可知，除由J5、J6 分区计算的防渗墙有效系数为40.5%外，另外几种情况计算的防渗墙有效系数均达到86%以上，说明塑性混凝土防渗墙的防渗效果明显，各种情况下渗流坡降均小于允许比降，这说明主坝塑性混凝土防渗墙与下游坝体的渗流稳定是安全的。

表4 位势分析

表5 坡降分析

3.6 坝后渗流量分析

为监测主坝的渗流量，在主坝下游设置了量4、量6 两处量水堰，在修筑塑性混凝土防渗墙前，库水位多年稳定在49～51 m 之间，量4、量6 的渗流量常年维持在12 l/s、6 l/s 左右，变化不大。在主坝修筑塑性混凝土防渗墙后，此两处量水堰的渗流量逐渐减小，至2011年已全部干枯，坝后水位下降明显，表明塑性混凝土防渗墙的防渗效果较为明显。

4 结语

通过多种方法对册田水库主坝塑性混凝土防渗墙防渗效果比较分析，以及工程多年的运行情况表明，除险加固工程对主坝坝体、坝基进行处理后，由于塑性混凝土防渗墙与帷幕灌浆的共同作用，册田水库主坝防渗墙后浸润线下降较低，坝体底部以及防渗墙的渗透坡降均小于允许坡降，坝体与玄武岩接触界面的渗流接触冲刷得到改善，下游渗流量明显减小，主坝的渗流稳定得到很大的改善，塑性混凝土防渗墙的防渗效果明显，有效地解决了水库主坝渗流不稳定的问题，达到了水库除险加固的预期目的。但在分析中也发现了的一些问题，故提出如下建议:

1）由于塑性混凝土防渗墙削减水头较大，防渗墙下游浸润线水位较低，防渗墙下游测压管已不能对坝体浸润线进行有效的监测，因此应在防渗墙下游重新布置埋设渗压计或测压管。

2）从观测数据分析，测压管监测数据的精度较低，今后应进一步加强管理提高数据精度，以便更加准确地掌握水库的运行状态。

3）由于防渗墙的修筑，防渗墙上游坝体的浸润面较防渗墙修筑前大幅度地提高，上游坝坡的稳定性相应变差。因此，在今后水库正常泄水时，应严格按照设计要求控制库水位降速，避免主坝上游滑坡的险情发生。