水利工程施工中堤坝防渗加固技术探究

聂玉锋

（渑池县水利局,河南 渑池 472400）

1 工程概况

三门峡市渑池县吴窑头水库位于渑池县英豪镇吴窑头村西300 m处,涧河二级支流上,坝址以上控制流域面积6.8 km2,河道长度3.36 km,河道比降0.0324。现状总库容40.71 万m3,兴利库容11.58 万m3,死库容0.54 万m3。设计灌溉面积600亩。是一座以防洪为主,兼顾灌溉、水产养殖等综合利用的小（2）型水库。

该水库的大坝主要是均质土坝,当中的填土主要以低液限粘土为主,压实度相对较低,整体质量较差,而且在坝体上游具有大量不规则的边坡,边坡上的植被杂草丛生,而下游区域没有合理地进行排水系统的构建,在坝体的左侧有溢洪道,属于典型的敞开式溢洪道,没有对溢洪道进行衬砌。输水洞也主要由斜卧管和平洞组成,斜卧管已经由于年久失修,已无法使用。

相对于混凝土坝,土石坝工程经济性较高,但是在实际应用时也会出现一定的风险。当前我国出现的溃坝当中,有98%是土石坝,其病害问题会对大坝的正常运行产生严重影响,因此需要合理地对水库大坝安全鉴定方法进行应用,对大坝渗漏的具体原因进行分析,与实际情况相结合进行勘测和安全复核,并且采取合理的措施对大坝进行除险加固,以保证大坝具有正常的防洪能力和蓄水拦截能力。

2 问题分析

该水库存在主要问题如下：

（1）水库防洪能力无法达到国家《防洪标准》（GB 50201-94）要求,在应用过程中有很大的隐患。

（2）大坝抗滑稳定性不满足规范要求,尤其是上游位置,没有依照规范建立护坡,下游区域的坝坡没有形成排水设施；溢洪道无法形成完善的护砌,冲刷的情况非常严重,出口位置没有形成消能设施,不能实现安全泄洪；输水建筑物闸门缺失,斜卧管管壁裂缝,漏水严重,平管淤积堵塞。

（3）坝体填筑质量差,坝体、坝基渗透比降均大于允许值,坝后河槽有渗流,左坝基肩有明显散漫现象。大坝渗透系数不满足规范要求。

（4）大坝无监测、管理设施。为排除大坝险情,使水库充分发挥效益,渑池县水利局委托三门峡市水利勘测设计有限责任公司对该水库进行除险加固初步设计[1]。

3 加固处理前安全复核

3.1 计算指标

为能够了解不同载荷条件下坝体的稳定性,为该水库大坝除险加固提供数据,在此过程中通过Spencer法来全面对坝体的稳定性进行符合。在实践操作中依照河南省水利勘测总队提交的相关资料,并且与碾压式土石坝设计规范要求结合。本次选择的安全复合力学指标见表1。

表1 稳定计算采用指标表

3.2 计算方法

对二维滑坡问题进行分析,在土体当中,岩土参数是沿着滑裂线扰动的量,在设计方面可以对其进行模型化,使之成为沿曲线扰动的随机场。通过该理论进行推广,使随机场逐步推广到曲面,就可以快速的对各维度空间当中各向异性岩土参数的变化和分布问题进行了解,在实践当中设α（x,y）为二维连续平稳随机场,并且设定m和σ为均值和方差,在实践当中需要满足y=f（x）并且将α（x,y）等于离散为随机数值。局部平均随机场为：

式中：Li是单元i的长度。

任意两单元i、j间的协方差为：

当i=j时i单元的方差,i单元任意一点到j单元任意一点间的水平距离：

它们的垂直距离为：

ρ（r,z）是典型的随机数相关量,在随机数相关量计算过程中, ρ（r,z）随机场的互相关函数通过优化算法来对可靠性指标进行取值,在计算过程中各变量都需要符合正态分布。如果属于非正态分布,还需要注意将其当量正态化[2]。可靠度指标（安全系数）即为标准正态空间坐标系中,坐标原点到极限状态曲面上的最短距离,亦即原点到极限状态曲面上点切平面法线上的长度。

3.3 计算结果及分析

表2 水库安全复核结果

4 坝体防渗加固

坝基河槽处为第四系全新统含砾低液限粘土、低液限粘土,含砾层渗透系数为2.51×10-3cm/s,属中等透水性,低液限粘土渗透系数为3.87×10-5cm/s~8.74×10-5cm/s,具弱~微透水性。水库大坝初建时,虽然对坝基含砾层做了截水槽开挖处理,但是没有把整个含砾层挖透,仍有部分在具中等透水性的含砾低液限粘土上,没有切断渗漏通道,现场核查发现坝基中部有明显渗漏。

左坝肩553 m~537 m高程附近表层土质较疏松,具大孔隙,含砂量较高,粘粒含量偏低,渗透系数3.4×10-4cm/s,具中等透水性,整体上左坝肩工程地质性质较差,大坝左岸坡脚处及坝基中部有漏水点,坝下游河床湿软,有渗水现象,水位高时漏水量较大。卵石渗透变形破坏为管涌。根据现场实际情况及地质报告,本次设计对左坝肩防渗处理采用粘土换填的方式。

根据现场开挖实际情况及地质报告。粘土换填范围自大坝桩号0+075 沿坝顶路向西20 m,底部高程554 m,顶高程557 m,防渗槽底宽3 m,两侧边坡1∶1。防渗槽施工完毕后,恢复原坝坡,表层用质量比1∶10 的水泥土硬化30 cm厚,并与上游砼护坡连接。施工时应在渗漏通道上游侧设排水基坑,以方便施工[3]。

5 加固后结构稳定性分析

依照碾压式土石坝设计规范的具体要求对相关参数进行设定,与水坝坝型结构体型结合来进一步分析计算渗流量。水库均质土坝在防渗处理之后,渗流量为0. 53 m3/（d·m）,最大渗透比降为3. 55,符合设计要求。通过分析研究发现经防渗加固处理后,坝体具有较好的渗流效果,稳定性较高。

为确保土石坝的运行工况稳定,具有较强的抗滑稳定性,依照圆弧滑动法来计算大坝的整体抗滑稳定性。在此过程中,修复处理后,各工况组合条件下安全系数较高,符合规范标准要求。

在水库防渗加固竣工后,对试验数据进行分析,发现坝体防渗加固修复质量达到100%,而且粘土具有较好的防渗性,能够适应较大的应变,可以使大坝的防洪系数和整体防渗能力大幅度提高。在进行修复处理之后,各工况条件均符合安全系数要求[4]。

6 结语

总而言之,在水利工程建设和管理过程中,加强大坝防渗加固具有非常重要的意义,当前防渗加固技术多种多样,施工单位需要与实际情况相结合,合理的分析防渗加固技术,以此为基础逐步加强防渗体系的构建,确保水利工程防渗参数符合规范要求。