不同工况下水库大坝固化灰浆防渗墙防渗效果数值分析

董方剑，钱 龙，胡继洲，李思远，郭子轩，孙树林*

（1.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 210098； 2.南京水科院瑞迪科技集团有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

在严格的技术规范条件下，大多数大坝都或多或少存在病害和潜在的隐患［1-4］。其中，坝基渗漏和坝肩渗漏是水库工程中普遍存在的工程问题［5-8］。已有国内外许多学者进行了相关的研究［9-11］，如张涛［12］在考虑瞬态渗流条件下进行了渗透力的非饱和土质边坡安全系数有限元计算。倪沙沙研究了降雨状态下的土石坝渗流稳定特性，表明了降雨强度和降雨历时对土石坝渗流场的显著影响［13］。崔炜对水库渗漏库区进行数值计算时发现，封闭式帷幕灌浆的渗透性对水库渗漏量影响显著［14］。王春磊采用二维数值模拟和三维有限元对坝体进行了有限元渗流分析，提出防渗控制的最优方案［15］。常广品用Geo-Studio 对小洪河堤防在河道水位下降过程中的稳定性进行模拟计算研究［16］。这些研究表明不同的工况对大坝的渗漏及其稳定性有显著的影响。

本研究针对孤东水库渗漏问题，提出了具有针对性的加固处理方案，采用Geo-studio 对加固后水库大坝进行有限元渗流稳定分析和稳定性计算。对比计算了不同工况下的渗流及其稳定性，对同类型大坝加固设计和施工具有重要指导意义和参考价值。

1 地质条件

孤东水库位于山东省东营市河口区，设计坝顶高程8.8m，防浪墙顶高程9.9 m，坝顶宽7.0 m，坝高为6.3～7.1 m，坝体6.7 m 高程以下为水力冲填坝；6.7 m 高程以上为碾压式均质土坝（图1）。地层除上部为填土外，其下均由黄河三角洲第四纪沉积的黏性土及粉土构成，各土层分布较稳定，成层规律明显，如图2（a.桩号1+800 b.桩号4+400）所示。

图1 围坝断面Figure 1 Cross section of dam enclosure

图2 地质剖面Figure 2 Geological profile

2 渗漏问题分析

围坝现断面如图1 所示，原垂直铺塑塑膜底位于粉土层，该层含少许粗砂粒，有析水现象，为弱透水层。垂直铺塑防渗帷幕未截断粉土粉砂透水层，属悬挂式防渗，因而全坝的防渗体系仍是一个不完整的体系，一旦渗流条件改变会出现渗流异常。且垂直塑膜的厚度为0.2 mm，远低于《平原水库工程设计规范》（DB37/T 1342—2021）“重要的中型水库土工膜厚度应不小于0.5 mm”的要求。迎水面坝坡采用复合土工膜防渗，坝体中心设置垂直铺塑防渗。根据设计资料，原坝体迎水坡2.13～7.2 m 高程处采取了0.25 mm 塑料薄膜防渗。坝坡7.2 m 高程以上边坡未采取防渗措施，低于水库设计蓄水位7.50 m，存在高水位渗流薄弱点，且0.25mm 塑料薄膜厚度不符合现行规范要求。水库坝基存在较强透水性，坝基渗漏稳定性较差，坝体存在渗漏风险，同时，坝基土层存在轻微地震液化，对大坝安全性影响较大。所以需要对大坝进行加固处理。

3 加固方案的选取及设计

针对水库坝体、坝基存在中等透水性地层，考虑在大坝上游设置坝面防渗难度较大，且存在与坝基防渗措施搭接，防渗效果无法保证、库水位降落时对上游坝坡稳定不利等情况，本次设计拟采用垂直防渗方案进行大坝防渗加固。

3.1 方案选取

3.1.1 固化灰浆防渗墙

此方案拟对现状出现渗流破坏和存在薄弱隐患的3.0 km 坝段实施固化灰浆防渗墙。防渗墙位置设于挡浪墙外2.5 m，墙顶标高8.30 m，墙底进入⑤层粉质黏土层，局部渗漏严重段进入⑥层粉质黏土层。墙厚取为0.30 m，截渗墙平均高17.2 m。固化灰浆配合比应试验后确定。要求水泥强度等级42.5 R，水泥掺入量≥400 kg/m³；土取用铣槽置换出的材料；符合拌制混凝土用水，从水库中抽取。

3.1.2 混凝土防渗墙

混凝土防渗墙具有成墙效果好、适用范围广、施工效率高、节省材料等优点，缺点是造价高，施工机械设备要求堤顶宽度约10 m，施工场地要求较大，工程综合造价高。

综合分析认为，固化灰浆防渗墙具有施工工艺简单、成墙时间短，整体防渗性能好，工程造价低等优点，能有效针对基坑止水防渗、病险水库处理、地基防渗等工程，故选择采用新建防渗墙采用固化灰浆防渗墙。

3.2 方案设计

3.2.1 防渗范围

根据现场检查发现的渗水严重的位置为西坝3+700—4+700、南坝3+384.8—3+610，以及南坝1+000—2+500 段，结合围坝现有垂直铺塑情况，所以本次设计防渗墙布置范围为现状出现渗流破坏和存在薄弱隐患的坝段，为桩号3+384.8—4+884.8 及桩号1+000—2+500，总长3 000m。

3.2.2 防渗墙布置

防渗墙平行于坝轴线布设，位于坝轴线上游0.5m 处，设计墙顶高程高出正常蓄水位7.50 m 以上0.8 m，取8.30 m，最大墙深19.8 m，墙厚30 cm，墙底深入相对不透水层不小于1.0 m。

3.2.3 防渗墙厚度

经计算，防渗墙厚度d=0.158 m。考虑施工及墙体质量检测的需要，墙厚取为0.30 m。

4 数值模拟计算与分析

4.1 渗流计算

4.1.1 计算模型

本次模拟分析使用GeoStudio 软件进行二维渗流分析，选取的两断面为1+800 桩号和4+400 桩号对应的断面，网格计算断面概化模型如图3所示。

图3 断面概化模型Figure 3 Section generalization modeldiagram

计算断面各区渗透系数根据工程地质勘察资料确定，垂直铺塑按失效考虑，具体参数见表1。

表1 渗流计算参数Table 1 Seepage calculation parameters

4.1.2 计算模型的边界条件

孤东水库为平原水库，结合其运行条件，主要分析水库设计蓄水位7.50 m、下游水位取坝后地面高程，根据水库的实际情况，参考《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2020），确定大坝渗流性态分析的计算工况：水库上游设计蓄水位7.50 m，下游无水。在大坝背水侧及下游地面设置出水边界如图4所示。

图4 断面水位边界Figure 4 Cross section water level boundary

4.2 计算结果

按表1 所列的计算参数，分别对本次加固范围内的水库围坝1+800、4+400 两个典型断面在设计蓄水位下进行了渗流数值计算。计算结果列于表2、图5、图6。

表2 渗流计算结果Table 2 Seepage calculation results

图5 桩号1+800断面总水头等势线Figure 5 Total head equipotential line of section 1+800 at stake number

图6 桩号4+400 断面总水头等势线Figure 6 Total head equipotential line of section 4+400 at stake number

5 大坝稳定计算

5.1 计算工况及参数

孤东水库为注入式水库，依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2020），孤东水库围坝稳定计算工况包括：正常运用条件下正常蓄水位；正常运用条件遇地震；水位骤降工况，水位由7.5 m 降至4.0 m；各土层物理和力学指标如表3所示。

表3 各土层物理和力学试验指标Table 3 Physical and mechanical test indicators of each soil layer

5.2 计算结果

孤东水库围坝等级为Ⅲ级，简化毕肖普法正常运用条件安全系数为1.30，非常运用条件II 安全系数为1.15。典型断面稳定复核成果见表4及图7。

表4 围坝稳定系数Table 4 Stability coefficient of dam

图7 桩号4+400 断面稳定性计算结果Figure 7 Stability calculation results of section 4+400

6 结论

1）坝体加固前，围坝存在渗透破坏的危险。加固后出逸比降显著降低，渗透稳定满足要求。

2）在正常水位下，地震条件会降低边坡稳定性，加固后围坝的安全系数提高到1.32～1.44，满足规范值要求。

3）在泄水工况下，水位产生骤降，大坝内部压力水头线产生明显下降，加固后的坝体的安全系数为1.40，满足规范值要求。

4）基于本文的研究成果，可以得到固化灰浆防渗墙加固方案可以有效解决水库大坝渗漏问题，为以后解决大坝渗漏问题提供合理的解决方案。