曹家塘坝防渗加固及护坡方案比选

张 宇

(山东省水利勘测设计院，山东 济南 250000)

1 引言

水库渗漏问题是制约水库各项效益的一个重要因素[1-3]。针对这类型水库采取防渗加固治理是十分必要的[4-6]。以曹家塘坝为例，对大坝防渗加固工程进行分析。

曹家塘坝，位于邹平市西董镇任家峪村附近，拦河而建，始建于1977年，流域面积1.93 km2，干流长度1.799 km。曹家塘坝工程规模为小(2)型，水库死库容为0.34×104m3，兴利库容1.29×104m3。设计洪水标准为10 a一遇，相应库容2.82×104m3；校核洪水标准为50 a一遇，相应库容3.14×104m3。经过渗流复核，曹家塘坝目前主要存在以下问题：坝体、坝基渗透系数较高，出逸比降、大坝渗漏量较大，不满足相关规范要求。

2 防渗加固方案比选

2.1 地质条件

2.1.1 库区工程地质

坝址区地处河谷地貌，河谷底部高程一般在225.0 m～242.0 m，岩性以卵石、碎石土为主。由于地形坡降较大，河流源短流急，漫滩、阶地不发育，河谷地貌主要由河床组成，河床宽约30.0 m～40.0 m，河床岩性主要由冲积洪积的卵石及下伏的碎石土组成。

2.1.2 坝基工程地质

②-1层黄土状土(Q3alp)：黄褐色、硬塑，孔隙发育，含钙质结核，白色钙质条纹，含少量砂粒、砾石。根据室内试验，该层黄土状壤土湿陷系数δs为0.008～0.070，具轻微～中等湿陷性，湿陷起始压力为4 kPa～44 kPa，其湿陷系数、湿陷起始压力随深度变化无明显规律，为非自重湿陷性黄土。作为夹层分布于②层碎石土中。

②层碎石土(Q3alp)：杂色，中密，稍湿～饱和，直径一般6.0 cm～20.0 cm，磨圆度一般，局部碎石已风化。碎石含量一般30%～50%，局部高达70%。母岩岩性以安山岩、玄武岩为主。整个坝基均有分布，层厚14.9 m～26.90 m，层底高程209.09 m～214.09 m。动力触探击数16～20击。

坝基及库岸分布地层均为②层碎石土及②-1层黄土状土，根据现场注水试验资料其渗透系数为2.55×10-4cm/s～5.88×10-4cm/s，坝后河床抽水试验其渗透系数为1.65×10-4cm/s，平均值3.48×10-4cm/s，大致平均值为5.07×10-4cm/s，具中等透水性，塘坝坝基及库岸存在一定的渗漏问题。

2.2 截渗方案分析

通过前述地质分析，新建塘坝库区及坝基均存在渗漏问题，需采取经济合理的截渗方案处理。坝基防渗方案分两大类：一类是垂直截渗，一类是水平防渗。

2.2.1 方案一：垂直截渗方案

垂直截渗的方法较多，主要有垂直铺膜、深层搅拌桩、混凝土防渗墙、高压喷射灌浆防渗墙、振动切槽防渗板墙等。按防渗体形成原理不同，可分为防渗材料置换式和介入式。置换式是指利用防渗材料代替原状地基材料，如薄混凝土防渗墙、振动切槽防渗板墙、垂直铺塑等，一般需采取机械成槽后，再施工防渗体。介入式是指采用防渗材料对原状地基直接改良使之具备防渗功能，如高喷板墙、深层搅拌桩等。

垂直铺塑方案：适用于防渗深度一般不大于12 m，根据本工程的截渗深度及技术要求以及国内类似工程施工经验，垂直铺塑方案不适用本工程。

深层搅拌方案：深层搅拌法防渗墙属于介入式防渗技术，利用水泥做为固化剂，通过深层搅拌机械，在堤身内部将软土强制搅拌后，由水泥和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土改性硬化成具有整体性、低渗透性和一定强度的水泥土搅拌桩，由水泥土搅拌桩多桩切割搭接形成连续密实的墙体，即水泥土搅拌桩防渗墙。

高压喷射灌浆防渗墙方案，适用范围较广，但易出现开叉、搭接不严等现象，对不同土层的施工工艺参数难以把握，施工质量可控性差，无统一的设计、施工规范可遵循，本工程不宜采用。

混凝土防渗墙方案，成墙完整连续，质量有保证，防渗效果较好，有丰富成熟的施工经验，其渗透系数小于10-7cm/s，缺点是需要优质泥浆固壁，如遇流砂需加强施工管理，工程造价较高。

振动切槽防渗板墙浇筑砂浆时无导管，是在水中浇筑砂浆，浇筑过程中与水振动混合，在地上水库围坝中应用较少。

结合本工程情况，比选方案一设计如下：

坝坡采用复合土工膜(两布一膜)，自上而下分别为：混凝土预制块护坡厚0.12 m、碎石垫层厚0.1 m、复合土工膜(200 g/m2、PE膜厚0.5 mm、200 g/m2)、中粗砂垫层厚0.1 m。

坝基采用混凝土防渗墙(墙厚0.4 m)截渗，截渗深度为坝基以下24 m，深入基岩1 m。

2.2.2 方案二：水平防渗方案

近几年，由于库底铺土工织物防渗体工艺节省投资、施工方便，已在南水北调工程及其他平原水库防渗工程中大面积应用。

山区型水库，地下水位变幅较大，铺膜截渗，膜下排水排气问题难以解决，库区土工膜截渗体发生气胀、水胀破坏的几率大，不推荐采用；如库底采用针刺法钠基膨胀土防水毯(GCL-NP)，则可解决排水排气问题。

结合本工程情况，比选方案二设计如下：

坝坡采用复合土工膜(两布一膜)防渗，自上而下分别为：混凝土预制块护坡厚0.12 m、碎石垫层厚0.1 m、复合土工膜(200 g/m2、PE膜厚0.5 mm、200 g/m2)、中粗砂垫层厚0.1 m。

库底采用针刺法钠基膨胀土防水毯防渗，自上而下分别为：覆土厚0.4 m、4000 g/m2针刺法钠基膨胀土防水毯(GCL-NP)、库底土按要求碾压。

水库边坡采用针刺法钠基膨胀土防水毯防渗，自上而下分别为：混凝土预制块护坡厚0.12 m，碎石垫层厚0.1 m，4000 g/m2针刺法钠基膨胀土防水毯(GCL-NP)。

2.3 防渗加固方案比选

通过计算，两种防渗方案处理后水库渗漏量及投资对比见表1。

表1 不同防渗型式总渗流量计算成果对比表

经初步估算，水平防渗方案投资约133万元，垂直截渗方案投资约217万元。

经比较，水平防渗方案在防渗效果及节省投资上均优于垂直截渗方案。综合考虑工程成本及防渗效果，确定曹家塘坝采用的截渗方式为水平防渗方案。

坝坡采用复合土工膜(两布一膜)，自上而下分别为：混凝土预制块护坡厚0.12 m、碎石垫层厚0.1 m、复合土工膜(200 g/m2、PE膜厚0.5 mm、200 g/m2)、中粗砂垫层厚0.1 m。

库底采用针刺法钠基膨胀土防水毯防渗，自上而下分别为：覆土厚0.4 m、4000 g/m2针刺法钠基膨胀土防水毯(GCL-NP)、库底土按要求碾压。

水库边坡采用针刺法钠基膨胀土防水毯防渗，自上而下分别为：混凝土预制块护坡厚0.12 m，碎石垫层厚0.1 m，4000 g/m2针刺法钠基膨胀土防水毯(GCL-NP)。

3 护坡方案比选

3.1 护坡方式选择

现状上游坡为干砌石护坡，拟将上游拆除石块石料挑选利用。

根据以往工程经验和目前技术水平，初步拟定浆砌石护坡、预制混凝土联锁块护坡两种方案。

3.1.1 浆砌石护坡

采用《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)中的公式计算，由波浪压力大小及波浪等要素确定护坡块石的粒径和护坡厚度：

(1)

Q=0.85Q50=0.525ρkD3

(2)

当Lm/hp≤15时，采用：

(3)

当Lm/hp>15时，采用：

(4)

式中：D石块的换算球形直径，m；Q石块的质量，t；D50石块的平均粒径，m；Q50石块的平均质量，t；t护坡厚度，m；Kt随坡率变化的系数，取Kt=1.25；ρk块石密度，取ρk=2.4 t/m3；ρw水的密度，取ρw=1.00 t/m3；hp累积频率为5%的波高，m；Lm平均波长，m。

经计算，砌石厚度为t=0.13 m，考虑到原护坡拆除块石大小尽可能得到利用，采用浆砌块石厚度为0.25 m，砌石下面设300 g/m2的土工布垫层和0.15 m厚的碎石垫层。

3.1.2 混凝土联锁块

借鉴其他工程经验，采用混凝土联锁块护坡。联锁块护坡厚度计算，目前我国尚未出台相关技术规范，计算公式参考《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)中的混凝土护坡的公式计算：

(5)

式中：η为系数，装配式护坡取1.1；ρc护坡的密度(t/m3)，取ρk=2.3 t/m3；ρw水的密度(t/m3)，取ρw=1.0 t/m3；m坡率；hp累计频率1%的波高。

经计算，混凝土联锁块护坡的计算厚度为8.1 cm，为满足砌块制作工艺的要求，本次可取设计厚度为12 cm。

3.2 方案选定

根据计算结果，结合以往工程经验对浆砌块石护坡、预制砼联锁块护坡进行论证，并从中择优，分析比较见表2。

表2 护坡型式方案比选

块石是常规采用的护坡形式，考虑抗旱调蓄水源工程涉及水库众多，且多数水库坝轴线长，护坡量大，当地石材产地少，料源缺乏。

从保证供料、施工期长短、合理利用资源等多方面考虑，预制砼联锁块更适用小型水库护坡加固，因此在上游坝坡及库岸边坡采用预制联锁块护坡，对水库入库库底斜坡采用浆砌块石护砌。

4 结论

曹家塘坝在使用过程中出现了不同程度的损毁现象，通过安全复核，大坝现状渗流计算结果不满足相关规范要求。因此，亟需采取防渗加固措施。结合库区工程地质条件和邻近地区工程经验，选取水平、垂直两种截渗方案，通过对比，水平截渗方案具有投资低、地区适宜性强等优势，作为工程的截渗方案。库区及大坝边坡加固采取浆砌石护坡+预制混凝土联锁块护坡相结合的方式综合处理。可为类似工程提供参考。