超美水库除险加固工程的大坝防渗

宋 翼，宋 伟

（常德市水利水电勘测设计院，湖南 常德 415000）

水库是我国国民经济发展以及人们日常生活生产顺利进行的重要保障，做好病险水库的除险加固具有十分重要的意义。病险水库除险加固工作是一项长期的工作，但如何有效准确地进行大坝的安全诊断，做到除险加固工作效益的最大化是一个难题[1～2]。

超美水库建成运行70多年，为下游两岸防洪保安，人民安居乐业，促进当地经济发展，发挥了极其重要的作用，但工程所存在的病险严重威胁水库大坝运行安全，因此，尽快对超美水库进行除险加固是十分必要的。

1 工程概况

超美水库位于常德市鼎城区南部，地处沅水支流水溪河水系，控制集雨面积44 km2，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电、旅游等综合利用的中型水利工程。水库设计灌溉面积0.617万亩，总库容2 596.7万m3，工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，主要建筑物级别为3级，水库枢纽由大坝、溢洪道、输水隧洞、麻家溪隧洞四大部分组成，其中，水库大坝为粘土斜墙土石混合坝，最大坝高38.5 m，坝顶高程129.50 m，面宽5 m，坝顶轴长220 m。超美水库按100年一遇设计，1 000年一遇校核，水库于1958年9月动工兴建，1960年2月基本建成。

经安全技术鉴定，超美水库定为三类坝。大坝主要病险问题：大坝粘土斜墙与堆石体交界面无反滤层，渗透坡降大于允许坡降，渗流控制体系不健全，不满足渗流安全，左坝基坝肩渗漏严重；护坡有下滑迹象，局部隆起，顶部与防浪墙交接部位变形开裂。大坝批复建设内容：对大坝左坝基坝肩帷幕灌浆及坝身高压旋喷灌浆、上游坝坡复合土工膜防渗；上游坝坡预制六方块护坡；重建防浪墙及坝顶硬化；下游坝坡整形、草皮护坡，坝面排水设施翻修，新建贴坡排水体、踏步翻修。

2 大坝防渗设计

2.1 工程地质

经地质勘测，超美水库主要存在问题为：大坝斜墙填土的配级不良，以粉质粘土夹少量砾石为主，局部有强风化泥质板岩块石，缺少中间颗粒的成分，导致斜墙存在局部的明显渗漏；斜墙和堆石体之间缺少反滤层，不利于大坝防渗；坝基清基不彻底存在透水层，留下的粉质粘土夹砾石和强风化破碎基岩组成的中等透水带是该坝渗漏的途径，对大坝的安全和稳定造成很大的危害；坝身左坝肩绕坝渗漏问题严重，大坝上游坝坡护坡预制块整体下滑，上游坡顶端与防浪墙出现拉裂缝；下游坝坡无排水沟。建议对大坝进行全面防渗处理，对大坝增加反滤排水设施，并对大坝上下游坝坡进行整形和护坡[3～5]。

2.2 坝体材料特性

根据现场调查，钻探及前期勘察和除险加固资料，结合室内物理力学性质试验，将大坝分成如下5个区：

Ⅰ区：粘土斜墙区，粘土斜墙位于坝体上游，最大坝高处底部宽度约70 m，底部高程94 m左右，上游面坡比1∶1.5～1∶2.5，顶部高程与坝顶平齐，宽5 m。以粘土、粉质粘土为主，夹杂少量强风化的块碎石，取样室内试验定义为含少量砾的粉质粘土，其中上部主要以黄褐色粉质粘土为主，可塑状，含铁锰结核，切面粗糙无光泽，摇震反应中等，韧性差，干强度低，砾石含量在10%左右；下部为粉质粘土夹碎石，碎石含量较高，占20%～30%，粒径3～5 cm，块碎石呈黄褐色、灰褐色，其母岩主要为泥质板岩，土体与块碎石间已完成自重固结，呈中等透水性，部分斜墙已失去防渗功能。

Ⅱ区：下游堆石体主坝区，泥质板岩和钙质板岩块石堆积区。黄褐色，大多数块石已强风化，夹有粘土和粉质粘土，整体密实度较好，透水性能好，部分位置粘土呈透镜体出露，厚度不均。

Ⅲ区：泥质板岩强风化层，褐色，保留原有泥岩构造，岩心破碎，大部已风化为块碎石，粒径5～8 cm，少量呈短节状，敲击声音沉闷，易击碎，深度达10 m，现场压水试验检测不到压力，透水率大于30 Lu。

4～6岁儿童在来生信念不同维度的理解上存在差异，他们更倾向认为情绪、愿望和认知功能在死亡后仍然存在；父母相信存在死后生活的程度越高，跟孩子讨论死亡话题时，更偏向于使用“天堂”“另一个世界”等象征有死后生活的词汇，谈及逝者时，也更倾向于描述逝者仍有情绪和心理状态，父母的来生信念会通过死亡话题的亲子谈话进而影响到儿童对死亡的认知及来生信念。

Ⅳ区：弱风化泥质板岩，青灰色为主，上部呈褐色，岩心较完整，节理裂隙发育，透水率依然在10～20 Lu之间，下部青灰色，岩心完整，呈长柱状，透水率小于10 Lu。

V区：粉质粘土夹砾石，为建坝时未清干净的原状土，连接强风化破碎的基岩在大坝左侧底部形成一道厚0.5 m到几米不等的中等透水带，是原始的渗漏通道。

加固后大坝材料分区如表1及图1所示。

图1 超美水库材料分区图

表1 超美水库渗透指标表

2.3 大坝防渗方案

根据地质条件，超美水库大坝防渗推荐方案为上游二级平台（高程117.10 m）以下坝身高压旋喷灌浆+坝基帷幕灌浆+上游二级平台以上土工膜防渗。

高喷灌浆防渗墙浆孔采用单孔布设，孔距0.8 m，灌浆范围为0+000～0+115m共115m，钻孔深入基岩1.0m。灌浆应按分序加密的原则进行，本次高压旋喷灌浆次序分两序进行，按孔号的奇偶分序，即奇数孔号为一序，偶数孔号为二序，同序孔距1.6m，最终孔距0.8m。

帷幕灌浆孔布置为单排孔，孔距2.4 m，呈梅花形布置。灌浆轴线在大坝上游二级平台（高程117.10m）向左岸山体延伸，灌浆范围为0-080～0+115 m共195 m。由两排孔组成的帷幕应先灌注下游排孔，再灌注上游排孔，每排孔可分为三序灌浆，帷幕灌浆与高喷灌浆搭接2 m。

拆除原来的预制六方块及土工膜，对现有坡面进行整形，一级坡由于坡比较陡，不满足土工膜抗滑稳定要求，一级坡采用阶梯式铺设复合土工膜，土工膜铺至校核水位127.35m。土工膜选用二布一膜，厚度为0.5mm。

3 大坝渗流复核

3.1 数值模拟

渗流复核应用北京理正岩土软件，采用有限元法处理各种非匀质土层分布及复杂坝体情况，并可显示、输出等势线、流线、浸润线各种彩色云图、计算结果曲线及渗流量。

3.2 复核工况及结果

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）第8.1.2 条规定，渗流计算应考虑下列水位组合。

1）上游正常蓄水位与下游相应的最低水位。

2）上游设计洪水位与下游相应的水位。

3）上游校核洪水位与下游相应的水位。

4）上游库水位快速降落时，对上游坝坡稳定最不利情况。

根据超美水库洪水标准复核成果，正常蓄水位124.5 m，设计洪水位为126.78m，校核洪水位127.35m，上游不利水位取大约1/3坝高处水位，此处取108.21m，下游无水，水位取地面高程，即95.0 m。

渗流计算见图3～图9。

图3 稳定渗流期大坝计算断面浸润线（正常蓄水位:124.5 m）

图4 稳定渗流期大坝计算断面浸润线（设计洪水位:126.78 m）

图5 稳定渗流期大坝计算断面浸润线（校核洪水位:127.35 m）

图6 稳定渗流期大坝计算断面浸润线（上游低水位:108.21 m）

图7 非稳定渗流期大坝计算断面浸润线（上游水位:120.00 m）

图8 非稳定渗流期大坝计算断面浸润线（上游水位:110.00 m）

图9 非稳定渗流期大坝计算断面浸润线（上游水位:97.57 m）

3.3 局部渗透稳定分析

渗流出口处土体产生流土的临界水力坡降[6]为：

求得临界水力坡降见表2。

表2 断面允许水力坡降

为保证大坝不产生渗透破坏，应使实际水力坡降i小于临界水力坡降，并保证有一定的安全系数FS，对于分布均匀粘性土，取FS=2.0，由此求出允许水力坡降[i]。

由表3知，大坝计算断面浸润线出逸点最大渗透坡降均小于允许坡降，故发生渗透破坏的可能性不大。

表3 大坝计算断面出逸点水力坡降

4 结 论

超美水库建成于1960年，先后出现过大坝渗漏、水库大面积的散浸等险情。2000年以来，水库运行中除了原有病险在继续发展外，又陆续出现了新的病险。对此次除险加固设计，采用有限元数值分析法复核，能有效解决超美水库大坝渗漏问题。