平海镇江斯坑水库除险加固工程大坝防渗设计分析

何爱政

(韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司惠州分公司，广东 惠州 516008)

1 项目背景

江斯坑水库位于惠东县平海镇，始建于1959年，建库集雨面积1.8km2，设计灌溉面积40hm2，属于小(2)型水库，工程等别为Ⅴ等。水库主要组成包括大坝、溢洪道、输水涵，原设计总库容为32万m3，正常库容13.49万m3，死库容1万m3，兴利库容为12.49万m3。江斯坑水库从建成至今已运行长达62年，逐渐暴露出诸多问题，如：坝体填筑土渗透系数较大、坝基存在透水性砂层、坝顶高程不满足规范要求、溢洪道尺寸偏小，消能防冲不完备、输水涵下游无消能措施等问题。根据《水库大坝安全评价导则》(SL258-2017)和水利部《水库大坝安全鉴定办法》规定，惠东县水利局委托相关技术单位对江斯坑水库进行了安全鉴定，根据安全鉴定结论，江斯坑水库大坝被评为“三类坝”，由于现状坝顶高程不满足规范要求，大坝面临着漫顶溃坝的风险，严重危及水库下游人民生命及财产安全，为减少水库对下游防洪安全构成的威胁，降低因台风造成的防洪压力，对本水库进行除险加固显得尤为必要和迫切。

2 大坝防渗能力现状

2.1 坝体部分

根据地质勘察资料，大坝坝体主要为填筑土，孔隙稍发育，造成坝身填土含水量大，且土质不均匀，压实度较差。大坝现场进行钻孔注水试验，根据试验结果显示渗透系数K值处于9.59×10-5-3.62×10-4cm/s的范畴内，均值2.23×10-4cm/s，属中等透水性。参考规范SL189-2013，坝体填筑土抗渗性能不满足要求(<1×10-4cm/s)，因此必须对坝体开展防渗处理。

2.2 坝基部分

坝基由粉质黏土、粗砂、砂质黏性土及全风化-强风化花岗岩组成。坝体大部分地段与粗砂层直接接触，坝基渗透系数较大，会造成坝体接触面及坝基渗流，需进行防渗加固措施。

两岸坝肩为花岗岩残坡积土及全风化土，抗渗透的能力较强，未发现绕坝渗漏现象。根据现场注水试验成果，花岗岩残坡积土及全风化土的渗透系数K值为4.93×10-5-6.66×10-5cm/s，属弱透水性，坝肩渗漏问题不突出。

3 江斯坑水库除险加固工程大坝防渗设计

3.1 大坝防渗设计

通过对地质勘察成果的分析研究，水库大坝的坝体和坝基均不满足防渗要求，因此须对坝基和坝体进行防渗处理。根据地质钻孔勘察成果，坝基有相对不透水层，满足防渗要求，因此须从坝顶至坝基不透水层封闭起来，才能达到防渗目的，根据地勘成果以及规范要求，本次防渗采用的防渗体须伸入相对不透水层的深度≥1.2m(坝中位置的相对不透水层较薄，按1.2m确定，两侧较厚部分伸入长度可>1.2m)，防渗底边界需平顺连接，避免有较大突变。本次大坝的主要范围为坝体和坝基，防渗起点是B0-000.85，截止桩号为B0+112.13处，平面防渗长度共计113m；深度为进入相对不透水层≥1.2m。

3.2 大坝防渗方案比选

本次设计拟采用以下方案进行比较分析。

3.2.1 大坝防渗方案

方案一：深层水泥搅拌桩防渗墙。

此方案主要是利用专业的深层搅拌机械设备对软土与水泥浆进行就地搅拌，由此相差密实、稳定且强度较大的水泥结构体。通过搅拌桩的有效搭接可形成连续防渗强，深度最大15m。大坝深层搅拌桩结构示意图如图1所示。

图1 深层搅拌桩结构示意图

方案二：大坝劈裂灌浆。

此方法主要是在坝体平行坝轴线方向进行钻孔，设置两排钻孔，灌注泥浆，实现控制性劈裂灌浆，由此形成防渗帷幕。大坝劈裂灌浆结构示意图如图2所示。

图2 劈裂灌浆结构示意图

方案三：高压摆喷灌浆。

此方法主要是利用高压喷射水、气、浆对地层进行切割，并灌注水泥浆，由此形成防渗墙体。高压摆喷采用三重管法施工，折角、摆角均为20°，摆喷折接，孔距1.5m。大坝高压摆喷灌浆结构示意图如图3所示。

图3 高压摆喷灌浆结构示意图

方案四：混凝土防渗墙。

此方案主要是利用液压抓斗成槽，或是冲击钻成槽，灌注塑性混凝土后形成连续墙体。防渗墙厚度按0.4m确定，大坝混凝土防渗墙结构示意图如图4所示。

图4 混凝土防渗墙结构示意图

3.2.2 方案比选

4种方案的比选见表1。

表1 大坝坝基防渗处理方案比选

综上分析显示，上述4种方案中，高压摆喷灌浆方案综合优势较大，设备简单、施工速度快，固结强度大、防渗可靠性高，推荐应用。

3.3 大坝渗流稳定计算

3.3.1 计算方法

根据计算分析，拟采用以下方法对坝体进行加固：对大坝进行高压摆喷灌浆防渗，降低浸润线满足稳定要求；大坝迎水坡与现状坡比一致，背水坡设计为1∶3。本次渗流稳定分析采用河海大学工程力学研究所编制的《水工结构分析系统AutoBANK(v7.08)》计算，其采用有限单元法计算原理。根据实际情况，渗流分析计算选择主河槽处最大断面K0+054为代表断面，大坝加固后计算模型详见图5。

图5 计算断面模型图

3.3.2 渗流稳定计算成果分析

1)从大坝剖面流网形态来看，大坝各计算断面渗流规律符合高压摆喷灌浆渗流形态。摆喷灌浆后60%水头成功消杀，大坝浸润线降低，防渗情况满足要求。

2)从关键部位的渗透坡降值来看，下游坝坡最大逸出坡降0.166-0.207，坝体渗透稳定性满足要求(<0.48)。

3)坝体加固后大坝计算渗流量大幅减少，且伴随库水位上升而增大，符合现状大坝运行情况。

4 结 语

综上所述，基于当前我国水利工程发展背景下，除了将资金、人力、物力放在新建项目上，还必须重视已建水库的安全鉴定与除险加固工作，保证水库效益的充分发挥，也减小相关安全隐患。在水库大坝除险加固中，防渗是一项关键工作，尤其是地基处理不当引起的渗漏问题较多，且补救难度相对加大，在工程实践中必须根据大坝工程地质条件、病害原因与部位，合理制定防渗方案，并做好综合比选工作，通过大坝渗流稳定计算明确防渗设计方案的效果，切实保证大坝病害问题得到有效处理。