振动沉板防渗墙在浮岗水库加固工程中的应用

2023-01-05杜滨张庆丽许尚杰

山东水利 2022年11期

杜滨，张庆丽，许尚杰

（山东省水利科学研究院，山东济南 250014）

菏泽市浮岗水库是引蓄黄河水，以灌溉供水为主的大（2）型平原水库，坝基为巨厚的第四纪覆盖层，透水层较强，没有相对稳定的隔水层，水库渗漏一直是困扰工程正常运行的关键因素。1958 年建库时坝基未采取防渗措施，1959—1961年蓄水，因水库渗漏以及坝后土地次生盐碱化问题于1962 年停蓄还耕。为解决菏泽市南部地区用水，1997 年恢复浮岗水库项目建设，主要为围坝加高、坝基防渗等加固措施。坝基防渗采用垂直铺塑防渗技术，经运行垂直铺塑防渗没有达到设计效果，渗漏和坝后浸没严重，水库不能正常蓄水。2009 年对坝基渗漏部位采用振动沉板混凝土防渗墙处理，经10 余年的运行，防渗效果较好，解决了坝基渗漏隐患。

1 工程概况

浮岗水库年供水量17 651 万m3，设计灌溉面积7.2 万hm2。围坝是以黄河故道高滩地为基础建设的均质土坝，轮廓呈长方形，人工填筑围坝长11.50 km，坝顶高程54.80 m，自流设计水位49.78 m，死水位47.43 m。上游坝坡坡比1∶3.0，下游1∶5.0，上游采用混凝土板护坡，下游草皮护坡，坝后设截渗排水沟。坝基采用振动沉板混凝土防渗墙防渗，轴线位于距上游坝肩5.0 m 处坝顶，墙体厚度20 cm，墙顶高程54.5 m，墙底高程33.00 m。

水库位于鲁西南黄河冲积平原，地面高程46.47～49.07 m。坝基为近代黄河冲洪积相地层，岩性主要有砂壤土、裂隙黏土、黏土、壤土、粉砂等。在勘探深度内，坝基地层自上而下为③砂壤层厚1.40～12.40 m，渗透系数8.11×10-4cm/s；④粉砂层厚2.1～6.1m，渗透系数1.37×10-3cm/s；⑤黏土厚度0.4～7.1m，底板高程28.78～35.21 m，渗透系数2.88×10-3cm/s，⑥粉砂层厚3.2～16.4 m，底高程21.92～30.75 m，渗透系数5.95×10-3cm/s。在坝基30 m 深度内坝基地层均为中等透水性。

2 加固前渗漏分析

2.1 围坝防渗方案

水库坝体防渗原采用上游坝脚垂直铺塑和坝坡坡面复合土工膜相结合方案，垂直铺塑轴线距离上游坝脚2.0 m，底高程31.87～33.87 m，铺塑深度12.0～14.0 m，最小深度10.3 m，最大深度15.3 m，铺塑深度嵌入⑥黏土内1.0 m；塑膜为厚0.2 mm 的PE膜，上下搭接宽度0.5 m，膜顶部压在上游浆砌石护脚底部，并与坡面复合土工膜连接。

2.2 防渗效果分析

据水库运行管理资料：2007 年4 月1 日观测记录，断面0+400 库内水位48.26 m，截渗沟水位45.31 m，坝外80.0 m 处机井自由出流；断面1+350 截渗沟水位45.86 m，坝外200.0 m 处机井水位45.77 m。浮岗水库蓄水达到49.00 m 左右时，水库周围1 km 范围内地下水位大幅度上升，附近村庄民房砖墙返碱高度达2.0 m，室内地面渗水，部分井出现自流，坝外截渗沟常年满水，土壤已出现次生盐碱化。围坝渗漏及坝后土地次生盐碱化问题造成水库不能正常蓄水。

对水库周围村民走访调查，水库停止蓄水期间，截渗沟外侧耕地地下水位较低，基本不存在浸没情况，水库恢复蓄水库水位位于48.10～48.95 m之间，周围影响区域内的井水位普遍抬升幅度较大，个别水井出现自流，截渗排水沟常年满水，因此，水库蓄水是坝后地下水位抬升的主要原因。

同时围坝下游坝脚洇湿或出逸点不明显，坝后水井水位一般高于排水沟水位，说明水库蓄水对周围区域影响较远，围坝渗漏不明显，水库渗漏主要通过坝基透水层形成潜流渗漏，垂直铺塑防渗措施效果没有达到设计要求。

2.3 渗漏原因分析

1）垂直铺塑施工质量影响因素多，防渗膜接头质量保障率低；开槽后槽壁时有塌落，影响铺塑质量，铺设后没能及时回填膜两侧填土，槽底、槽内填土工艺不规范，造成防渗膜完整性差，垂直铺塑防渗失效，没有达到设计效果。

2）至少225 m 长坝基没有垂直铺塑，缺铺范围大，导致防渗体系不完整，易形成局部渗流通道，产生较大的渗漏量。

3）垂直铺塑嵌入⑤层黏土（作为相对隔水层）；而实际情况比较复杂，完整的相对隔水层不存在，使垂直铺塑的优势大为削弱。

4）库内地质情况复杂，水库渗漏较严重，坝后截渗沟水位偏高；局部坝基有微承压水，形成穿过坝基的潜流，造成截渗沟水位低于截渗沟外耕地地下水位的现象。

综合分析，坝基防渗体不完整，受截渗措施、施工工艺等因素影响，截渗效果不能保证，且多处存在渗漏通道，造成现状坝基渗漏问题。

3 振动沉板防渗墙

对多头小直径搅拌桩截渗、垂直铺塑、振动成槽防渗墙、高压喷射灌浆、塑性混凝土防渗墙、全库底铺膜等适宜于平原水库围坝常用的防渗措施，从技术、施工控制、应用效果、经济性等方面进行比较，最后确定了浮岗水库加固工程中使用振动沉膜防渗墙方案。

3.1 防渗墙厚度

防渗墙厚度设计主要考虑采用的防渗材料、压力水头、使用寿命和投资经济性等影响因素，同时，槽孔的垂直度对防渗墙的有效厚度也有一定的影响。

1）压力水头。取防渗墙允许渗透坡降为70，该水库上下游最大压力水头差8.0 m，经计算墙厚12 cm，结合工程经验，取墙厚设计值20 cm。

2）墙体强度。设计墙体极限抗压强度不小于1.2 MPa，弹性模量不大于1 200 MPa，防渗墙的所受应力应均小于材料的设计强度，墙体变形与周围介质相协调。

3）使用寿命。经估算，设计20 cm 厚防渗墙使用年限大于50年，墙厚选用20 cm。

3.2 主要技术参数

成墙试验参数：槽孔间距0.8 m，浆液由细砂、普通硅酸盐水泥、膨润土及其他外加剂配制，要求浆液比重不小于1.6，进浆量70～165L/min，下沉速度小于8 m/min，提升速度小于3 m/min。根据成墙试验确定浆液配合比和施工参数进行成墙施工作业。

3.3 墙体深度

浮岗水库坝基不存在相对隔水层，但根据水库前期运行资料分析，⑥层黏土能够起到相对隔水层的作用，因此，垂直截渗深度采用进入⑥层黏土1 m 为防渗墙控制深度。

4 截渗效果评价

4.1 理论计算

以桩号1+920 断面为典型，对围坝无防渗措施和振动沉板防渗墙两种情况采用有限元方法进行渗流计算，计算工况上游水位49.87 m，下游水位45.32 m，防渗墙渗透系数1.0×10-7cm/s。

从理论计算知：围坝采用防渗措施后渗漏量仅降低17.3%，说明防渗墙对渗漏量效果不明显，主要原因是⑥黏土计算作为透水性采用，渗透系数计算取值2.88×10-3cm/s，数值偏大。但从计算断面流网图知，采用防渗墙后，坝后出逸坡降和出逸点明显降低，能够解决坝体渗透稳定和坝后盐渍化问题，围坝渗流是安全的。

4.2 观测资料分析

对桩号1+920 断面测压管进行观测资料分析，原垂直铺塑防渗墙后水头基本与库水位一致，防渗效果不明显，但混凝土防渗墙上游水位与库水位基本一致，下游水位与排渗沟水位一致，说明防渗墙防渗效果明显。经观测围坝下游坝坡、压重平台和排水沟岸坡均没有渗水出逸点和出逸痕迹，坝外耕地没有出现盐泽化问题，坝后水井无冒水现象，水井水位与坝后六干沟河道水位常年基本一致，说明防渗墙能够起到较好的防渗效果。

同时，勘探报告提出的⑤黏土的渗透系数建议值明显偏大，与实际不符，该层黏土明显起到了隔水层的作用。典型渗流观测断面图4.3，为实测的坝内浸润线，测量时库水位48.8 m，下游排水沟水位46.77 m，防渗墙上游测压管水位48.52 m，下游测压管水位与坝后排水沟水位基本一致。说明防渗墙对渗漏量和渗透坡降降低均起到明显的作用。