新屋居水库防渗加固设计方案研究

2021-11-23邬建江

黑龙江水利科技 2021年11期

邬建江

(进贤县河道堤防安全保障中心，南昌 331799)

0 引言

防渗加固技术对消除水库安全隐患，提高防洪安全储备，发挥老旧水库综合效益，增强水资源调蓄保障能力具有重要意义[1]。渗透稳定是否达标关系到水库的安全运行。文章通过对新屋居水库渗流稳定除险加固设计，从渗流安全评价，加固方案设计、效果评价等方面进行了全过程分析总结，可以推广应用。

1 工程概况

新屋居水库位于江西省南昌市进贤县钟陵乡，归属军山湖水系，坝址以上控制流域面积为2.43km2，主河道长为2.25km，主河道坡降0.0744，是一座以灌溉为主，同时兼顾防洪、养殖等综合效益的小(1)型水库。水库下游有龙泉村的12个自然村，水库灌溉面积133.33hm2，保护区人口达0.3万人。

由于前期坝体填土未能碾压合格，土料均一性差，结构较松散，空隙发育，密实度差，渗透性为强透水。同时，建坝时清基不彻底，坝基下存在接触渗漏。水库蓄水期坝脚有明显渗水，水位稍高外坝脚便出现明显渗漏。多年来水库只能低水位运行，安全隐患仍未消除。

2 坝体渗流安全评价

2.1 计算断面

计算分析采取横剖面上的二维有限元渗流计算。综合考虑地形、地质、坝高等因素，选择最高坝段作为渗流计算的典型断面，并进行适当简化，其计算分区见图1。

图1 渗流计算断面及土层分区

坝体分为坝体填土层、坝其土层及坝基岩层等渗流计算分区，各分区渗透系数取值列于表1。

表1 新屋居水库大坝土料渗透系数取值表

坝体填土允许渗透坡降为：I允=0.39，坝壳耕植土填土允许渗透坡降为：I允=0.5，坝基粉质黏土填土允许渗透坡降为I允=0.5。

2.2 计算模型

对于符合达西定律的二向均质以及各向同性土体的渗流，当土体完全固结时，其水头函数符合拉普拉斯方程式：

(1)

与之相应的定解条件为：

初始条件：h1=0=h(x,z,0)。

边界条件:水头边界：h1=t1=h(x,z,t)

2.3 计算工况

土坝渗流计算应考虑水库运行期间出现的不利情况，选择以下水位组合：①上游正常蓄水位与下游相应水位；②上游设计洪水位与下游相应水位；③上游校核洪水位与下游相应水位。

2.4 计算结果

按不同的工况条件组合进行计算，绘制各种工况下的渗流流网图，其结果为：当上游水位为正常蓄水位32.80m、设计洪水位33.60m、校核洪水位33.97m时，大坝渗流浸润线及等势线图见图2-图4。

图2 正常水位大坝渗流浸润线及等势线图

图3 设计水位大坝渗流浸润线及等势线图

图4 校核洪水位大坝渗流浸润线及等势线图

2.4.1 整体安全分析

根据大坝渗流安全分析，在各种计算工况条件下稳定渗流期，大坝的浸润线位置偏高，浸润线从坝体填土中出逸。从水库实际运行情况来看，外坝坡渗流也从坝体填土中逸出，与渗流计算结果基本一致，在水库蓄水后，在大坝的左侧及外部，存在大面积集水现象，集水面积达10m2以上。大坝设置了均质，但均质厚度不满足要求，均质的渗透系数也>1×10-4cm/s，不满足规范要求，基础为弱透水，大坝总体上存在渗流安全隐患。

2.4.2 局部安全分析

在各种计算工况条件下的稳定渗流中，坝体均质的最大坡度、坝基最大坡度和出口最大坡度均大于允许的渗透坡度。因此，均质、坝基和坝体在无保护的情况下可能会受到因土体流动而造成的破坏。

2.4.3 出渗口安全问题

大坝的渗流出口不安全。水库上游正常蓄水位以下2.0m未进行护坡，对上游坡的水位降落期渗流稳定不利。

3 防渗加固方案

根据渗流计算结论，完善坝体的防渗体系是大坝除险加固处理的主要任务之一。根据本工程的实际情况和现阶段土坝加固处理方法、习惯，结合新屋居水库大坝上游坝坡的现状情况，大坝防渗加固措施方案考虑斜墙方案和冲挖套管井心墙方案。以下为两种加固方案的坝体防渗处理措施的对比。

3.1 斜墙方案

采用在大坝上游面清除淤泥和护坡砌体，加设防渗黏土斜墙。因斜墙底部砾质粉质壤土为中等透水层，需开挖该层，设置黏土截水槽。截水槽深约3-5m，底宽3m。上游面清除理至坝基表层砾质粉质壤土中等透水层底面以下1m，设置黏土截水槽后铺筑防渗黏土斜墙，斜墙与下游坝体接触位置设反滤过渡层，上游亦设置斜墙保护层。

3.1.1 墙体材料及防渗墙厚度

斜墙采用黏土填筑，其渗透系数要求比原坝土料渗透系数小两个数量级以上。原坝体渗透系数为1.24×10-3cm/s，设计要求新设斜墙渗透系数K≤1×10-5cm/s。黏土斜墙顶部的水平宽度取1.0m，斜墙底部厚度则根据土料允许渗透坡降而定。

3.1.2 施工工艺流程

先将上游坝坡的护坡拆除，清除原坝坡面20cm厚的表层土，并随着分层填土的同时，将原坡面分层耙松10-15cm，斜墙土料采用振动碾压实，使新筑斜墙与原坝填土接合良好，斜墙填筑到坝顶为止，高程34.5m。斜墙上游面铺设厚10cm砂砾保护层，然后10cm厚干砌块石护坡。

3.1.3 主要工程量

采用本方案开挖斜墙底部及坡面表层壤土25339.96m3，填筑黏土斜墙及黏土截水沟32793.83m3。上游预制块护坡拆除685.73m3，斜墙下游过渡层填筑4516.14m3。

3.1.4 斜墙方案特点

黏土斜墙方案的主要优点是施工作业简单，不需专业施工力量，缺点是土方开挖和防渗黏土回填量大，施工容易受气候条件影响，雨季施工难度大。

3.2 冲抓套井回填黏土心墙方案

在坝轴线上钻孔到防渗层以下0.5m，回填黏土，进行夯实，进行套孔作业施工，在整个坝轴线上形成连续防渗墙。

3.2.1 防渗范围

根据规范要求，防渗墙顶高确定为34.20m，底部延伸至坝基防渗层以下0.5m，墙底最小高度为24.52m，最大墙体深度约为9.7m。

3.2.2 墙体材料及防渗墙厚度

防渗墙体材料为黏土，要求K≤n×10-6cm/s，在夯实时保证在最佳的含水量下进行。考虑成墙工艺和已建类似工程经验，共布置一排孔，抓孔直径1.1m，孔距0.78m，可得墙厚0.78m。

3.2.3 防渗心墙施工工艺流程

施工程序为：坝顶清理平整→布孔→安机→造孔→清理→回填夯实→质量检查。施工时先将坝顶清理平整，造孔时，先钻1号和3号主孔，回填后钻2号套筒孔，回填2号套筒孔后钻5号孔，回填后钻4号孔。按此顺序，交错开孔以进行制孔和回填。

3.2.4 工程量

经过计算，冲抓套管孔形成的黏土心墙共计4582m，冲抓套管孔形成的心墙面积331m2，冲抓套管孔填充黏土量4353m3。

3.3 防渗方案对比和确定

从施工条件来看，斜墙方案施工最为简单，防渗施工质量显著，但黏土挖填量大和回填多，受天气条件影响明显，雨季施工难度大。冲抓回填黏土心墙方案施工技术成熟，黏土需求可控，但施工要求高。当孔深超过20m时，钻孔困难，质量难以控制。组合防渗方案则兼顾了两个方面的优点，避害趋利，特别是既用斜墙加宽了坝顶又减少了坝脚部位的较大土方的开挖和围堰工程量，降低了天气对施工的影响。从工程造价来看，斜墙方案的造价与冲抓心墙方案造价相接近，采用组合防渗方案造价较低。因此，本着“因地制宜，就地取材，技术可靠，经济合理”的原则，首先推荐新屋居水库大坝防渗采用冲抓直墙防渗方案。