刘楼水库防渗稳定分析及措施

马崇金

（菏泽市定陶区水务局，山东 菏泽274100）

刘楼水库位于山东省菏泽市定陶区城西南部1.5 km处，库址东临菏曹运河和临商公路（259省道），是新建中型平原水库，工程等级为Ⅲ等，投资5.67亿元；主要是为了调蓄定陶区引黄水量和居民生活用水及农田灌溉用水问题。水库设计蓄水位51.70 m，总库容1 127万m3，永久占地141.15 hm2。主要建筑物包括大坝、入库泵站、出库泵站、交通桥，水库大坝为均质土坝，坝长5 050 m，坝顶高程53.00 m，坝顶宽6.0 m。根据地层结构特征，整个坝基可作为一个渗漏段。由于透水层具中等透水性，坝基渗漏量会较大，存在较大的渗流安全隐患。

1 坝体渗流安全分析

采用北京理正岩土二维有限元渗流计算程序进行天然状态下渗流计算。根据坝段地形特点、坝基地质情况及蓄水位变化情况等资料，选择0+000、1+200、2+600、4+200四个断面进行分析。

1.1 渗流计算水位组合

库内设计蓄水位51.70 m，库外水位46.94 m（菏曹运河平均水位）；库内1/3坝高水位50.47 m，库外水位46.94 m；库内平均水位47.00 m，库外水位46.94 m。

1.2 渗流量计算结果

渗流量计算结果，见表1。

表1 天然状态单宽渗漏量结果表m3·d-1·m-1

1.3 各水位组合工况下坝后出逸比降

各水位组合工况下坝后出逸比降，见表2。

表2 天然状态出逸比降结果表

1.4 下游坝坡允许比降

根据地质资料，下游坝坡及截渗沟允许比降见表3。

表3 下游坝坡及截渗沟允许比降统计表

由以上成果表可以看出，典型断面下游坝坡及截渗沟在各种工况下出逸比降于允许比降，坡面渗流稳定。

整个围坝在未考虑防渗措施的情况下，水库正常蓄水位51.70 m，年渗漏量达132.28万m3，占总库容的11.73%，渗漏较严重，须采取可靠的防渗措施。

2 大坝防渗方案选择设计

2.1 防渗方案比选

1）方案一，塑性混凝土防渗墙。塑性混凝土防渗墙是水工建筑中经常采用的一种用于防渗的地下连续墙，防渗效果较好。其施工工艺是利用专用的机械设备造槽，并在槽孔内注满泥浆，以防孔壁塌落，最后用导管在注满泥浆的槽孔内浇注掺有30%左右泥浆的混凝土并置换出泥浆，筑成塑性混凝土墙体。

刘楼水库工程防渗墙轴线沿坝轴线布置，将坝体坝基同时截渗。防渗墙嵌入第⑦层砂壤土内1 m，经计算，墙厚拟定为30 cm，墙体渗透系数应小于1×10-6cm/s。

2）方案二，高压喷射灌浆。高压喷射灌浆是利用钻机造孔，然后把带有喷头的灌浆管下至土层预定位置，以高压把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层，土粒从土体上剥落下来后，一部分细小土粒随浆液冒出地面，其余部分与灌入的浆液混合掺搅，在土体中形成凝结体。

刘楼水库工程防渗墙轴线沿沿坝轴线布置，将坝体坝基同时截渗。初步拟定设置单排孔，折线形连接，孔距1.5 m，防渗墙嵌入第⑦层砂壤土内1 m。防渗墙施工采用摆喷，摆角40°，平均墙厚不小于25 cm，墙体渗透系数应小于1×10-6cm/s。

3）方案三，多头小直径搅拌桩。多头小直径搅拌桩板墙技术是利用特制的多头小直径搅拌桩机，按设计要求把掺有12%左右的水泥浆喷入土体并搅拌形成水泥土墙。适用于黏土、砂土、中粗砂地层地，最大成墙深度18.0 m。

多头小直径搅拌桩板墙方案，适用范围较广，但刘楼水库工程截渗深度为12.5～16.3 m，已经接近其极限成墙深度，随着桩长的增加，极易出现断桩、搭接不严等现象，施工难度极大，施工质量不易保证。

综合比较以上3种方案，结合刘楼水库工程的实际，截渗深度内土层均为中等透水层，主要为壤土和砂壤土，截渗深度13.3～18.0 m。塑性混凝土防渗墙造价适中，且可靠性高，为保证水库建成后能正常运行，坝基截渗选取方案一塑性混凝土防渗墙方案。

2.2 塑性混凝土防渗墙厚度计算

防渗墙在渗透压力作用下，其耐久性取决于侵蚀破坏作用。因此，防渗墙的厚度与其破坏时的水力梯度按下式计算：

式中：JP为防渗墙允许水力梯度；H为防渗墙承受的最大水头；Jmax为防渗墙破坏时的极限水力梯度；K为安全系数，一般采用K=5。

经计算，B=0.30 m。

2.3 截渗深度

塑性混凝土防渗墙坝体部分长度为3.8 m，坝基部分嵌入第⑦层砂壤土内1 m，根据地质资料，各断面坝基截渗深度见表4。

表4 坝基截渗深度统计表m

3 坝体渗流稳定验算

3.1 计算方法及计算断面

刘楼水库坝基采用塑性混凝土防渗墙截渗方案，采用北京理正岩土二维有限元渗流计算程序进行分析。根据坝段地形特点、坝基地质情况及蓄水位变化情况等资料，选择0+000、1+200、2+600、4+200四个断面进行分析。

3.2 渗流计算水位组合

1）库内设计蓄水位51.70 m，库外水位46.94 m（菏曹运河平均水位）。

2）库内1/3坝高水位50.47 m，库外水位46.94 m。

3）库内平均水位47.00 m，库外水位46.94 m。

3.3 渗流计算结果

各种工况渗流计算结果，见表5。

表5 渗流计算结果

根据单宽米渗漏量计算结果计算，水库正常蓄水位51.70 m，年渗漏量36.24万m3，比采取截渗措施前减少96.04万m3。

3.4 计算分析

采用防渗措施后，正常蓄水位年渗漏量为36.24万m3（占总库容3.22%），符合规范年渗漏量控制在总库容的6%～10%以内的要求。从渗流稳定分析计算结果看，下游坝坡及截渗沟不存在渗透稳定问题。通过以上防渗处理方案，较为彻底地解决了大坝渗透稳定问题。