探讨峡谷型水库坝体渗流原因及防护措施设计
2020-11-27李仲媛
李仲媛
（铁岭市南城子水库有限公司，辽宁 开原 112304）
1 工程概况
水库大坝运行过程中易发生稳定性差、坝体渗漏、泄洪能力不足等问题，如若未对其进行有效处理将会严重影响水库大坝的安全运行[1，2]。本文以某流域中峡谷水库工程为研究对象。经注水、压水等实验发现，该水库的坝体建筑基体不均匀、坝体建筑质量较差，且坝基和坝体的防渗性能不理想。参考案例工程的渗透情况，本文根据水库周围环境等因素制定合理的加固方案，用以保证水坝的安全运行。
实验对象所处地理环境较为复杂，勘探结果显示：此区域的地质构造复杂度较高，且有较大程度的不稳定性。水库所处地区全年降水量约为495 mm，降水主要集中在7～9月份之间。因降水量较大经常发生水涝灾害甚至洪灾。该地区年蒸发量及分配比如图1所示，年平均降雨量分布情况如图2所示。
图1 年蒸发量及分配比示意图
图2 年平均降雨量分配示意图
2 水库坝体渗流分析
一般来说，导致水库出现渗流的原因有两种：一是水库所处位置的地基中砂石颗粒分布不均，较细的沙石向较大的孔隙移动，导致上游的渗透系数增加，渗流的损失却减少，最终导致下游的水压增加，产生渗流；二是河流的下游粘土薄层的流网位势较高，细沙层与粘土相互作用下将产生渗流现象。
为此，本文使用有限元模型对水库坝体的渗流进行模拟分析，根据坝体的断面数据计算河流下游流量、坝体的渗流数值，过程如下：
公式（1）和公式（2）中：
q1、q2—分别表示河流下游流量、坝体的渗流数值；
K—表示坝体的渗透率；
H—表示河流上游的水域深度；
h—表示水库的水域深度；
m—表示边坡比值数据；
α0—表示初始渗流深度；
L—表示坝体渗流过程的距离。
水库坝体的浸润线计算公式为：
公式（3）中，Y表示浸润线长度。根据以上公式的计算结果，计算坝体的主要渗流处的坡降比值如下：
公式（4）中：
J—表示坝体渗流处的坡降比值；
ΔH—表示河流上游的水域深度变化产生的能量差值；
L—表示坝体渗流过程的距离。
在此基础上，对水坝展开勘探和数据分析后发现，水库坝后下游泄洪口的渗流主要原因有以下几种：①水库坝体表面附着约7m厚的松散堆积物，砂质泥岩与群砂岩构成的下伏基岩不易风化，特别是岩体的强风化厚度达到5 ～15 m；②水库坝体的坡度在40°～47°之间，不具备机械施工条件，帷幕灌浆作业施工困难。加之在坝体建设初期，坝轴线0+175～0+125 m段未使用灌浆作业、0+175～0+220 m段灌浆作业效果较差，从而未达到堵塞效果。
3 防渗透措施设计
3.1 确定加固方案
3.1.1 固结灌浆加固
固结灌浆加固的目的是对坝体的进一步完善，并加强岩石的力学指标。目前，水库坝体的渗流防护主要使用的是帷幕灌浆，该方法可以有效减少坝体的透水性。帷幕灌浆的工作原理是根据坝体的透水率，采用特制的固化材料在坝体渗流处使用三排浆孔进行灌浆作业。
3.1.2 高压喷射灌浆
本方案使用多种喷射方式用高压将浆液进行高速喷射，进而提升水库坝体的防护渗透的能力。
3.2 泄洪洞、溢流堰改造方案
在建设时考虑到周围环境及气候天气等方面的影响，本工程对泄洪溢流设施非常地重视。泄洪洞、泄洪道、水工隧洞等均是按照规范标准建设，且各自配有独立的控制室。
本水库的水工隧道的泄洪能力公式为：
公式（5）中：
μ—表示水流流量参数；
ω—表示水工隧洞的断面面积；t0—表示多方的水能总和；
p—表示水流势能。
溢流堰泄洪流量计算过程如下：
公式（6）中：
θc—表示泄洪水流量的收缩指数；
f—表示水流溢流指数；
n—表示泄洪闸附带孔数；
b—表示溢流孔宽度；
V—表示溢流堰水能流速。
此外，本方案还在工程的泄洪洞进出口处增设岸边检修控制室，建造时采用钢筋砼构造。河流的下游在坝体改建处增加长度为32 m、宽度为30 m、高度为28 m的WES实用型三孔溢洪堰。将水坝原有洞口拆除，并在左侧的山体上使用锚喷支护，将高程降低1 m后进行扩挖。
4 结论
本文结合某流域中峡谷水库工程，在分析水库环境因素与工程施工情况的基础上，总结水库主要渗流原因，并根据案例工程中水坝渗透情况，结合水坝环境因素制定有针对性的防护渗流加固方案，从而确保水库安全运行。
