張玉仁

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

近年來，水庫壩體穩(wěn)定性不足、壩體滲漏、泄洪能力不達(dá)標(biāo)等[1]這一系列問題，若不及時地進(jìn)行有效處理，有可能醞釀成潰壩等重大事故[2]。以涇河中山峽谷水庫為研究對象，對該水庫的基本地質(zhì)和工程情況通過注水、壓水滲透等一些試驗進(jìn)行研究，并針對性地列出了四種壩體加固的常用方案，結(jié)合該水庫壩體周圍的地質(zhì)具體條件對方案進(jìn)行了對比，提出合理的治理方案，為區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略提供水利保障。涇河中山峽谷水庫區(qū)域地質(zhì)復(fù)雜，包括褶皺、斷層、不良物理地質(zhì)等現(xiàn)象，穩(wěn)定性較差。水庫區(qū)為溫帶大陸性氣候，降雨量486mm，且不均勻，集中在7～9月，占據(jù)了全年雨量的61%～66%，并且大多以洪水和暴雨為主。而地下水以孔隙水和基層巖的裂隙水為主。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳?980～2015年記錄資料統(tǒng)計，多年平均氣溫9℃，最高氣溫36℃，最低氣溫-24℃，多年平均蒸發(fā)量1440mm。年蒸發(fā)量及其分配比，如圖1所示。多年平均降雨量485mm，以近三年的統(tǒng)計作為依據(jù)，如圖2所示。

圖1 年蒸發(fā)量及分配比

圖2 年平均降雨量

2 水庫壩體滲流分析

水庫透水主要有兩種[3- 4]：(1)地層的砂卵石和顆粒石分布都不勻，造成滲透的系數(shù)增大，導(dǎo)致了細(xì)顆粒向下面的粗空隙移動，上游滲透系數(shù)變得更大，水流的損失反而減小，下游的部位就承受更大的水頭壓力，流土發(fā)生造成破壞。(2)下游分布著黏土薄層，流網(wǎng)位勢高，細(xì)沙層和黏性土發(fā)生滲流。兩種接觸面接觸時，產(chǎn)生了接觸性流土。

目前壩體滲流的分析評估一般采用的方法是滲流有限元法[5]，選擇代表性的斷面計算求解：

(1)

(2)

式中，t—壩后水深；H1—上游的水深；m—放坡系數(shù)；K—滲透系數(shù)；q1和q2—下游、壩體滲流量。

壩體浸潤線的方程為[6]：

X=K(H12-Y2)/2q

(3)

繪制流網(wǎng)圖，計算出滲透的坡降：

J=ΔH/L

(4)

式中，L—滲流的途徑長度；ΔH—上下游的水頭差；J—滲透坡降。

經(jīng)實地勘察表明，壩后與壩體下游的泄洪洞出口的滲漏，通過分析其最主要原因包括：(1)存在著厚度7m左右的松散堆積物分布在壩體表層，下伏基巖分別為砂質(zhì)泥巖和千峰群砂巖，不容易發(fā)生風(fēng)化，巖體強風(fēng)化厚度為6～16m，由于斷層影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面不夠完整，所以滲透性特強。(2)壩體的坡度較陡，達(dá)到41～46°，機(jī)器施工難以實施，因此深入壩體的帷幕灌漿長度太短，僅為19m并且原來的壩軸線在0+172～0+124m段沒有進(jìn)行灌漿的操作。(3)原來在0+174～0+219m段處的壩軸線灌漿較差，沒有實質(zhì)性的堵塞，產(chǎn)生滲流通道，而在1515m以上的高程是中等的透水層，1505～1515m是較弱的透水層。

3 防滲方案設(shè)計

3.1 壩體加固方案選擇

壩體加固的主要方案目前有以下幾種[7- 8]：

(1)固結(jié)灌漿

固結(jié)灌漿主要是用來提高壩體地基的整體性，同時提高了巖石的整體力學(xué)指標(biāo)[4]。帷幕灌漿是一種常用防滲手段，可以降低地層的透水性。帷幕灌漿是采用特種固化水泥灌漿并且布置三排漿孔，相對來說固結(jié)灌漿為大面積布孔，孔不深，壓力較小。帷幕灌漿在檢查指標(biāo)方面主要是透水率，而固結(jié)灌漿主要方面是聲波，以變形模量和壓水為輔助。

(2)高壓噴射灌漿

可用于砂礫石基和土基，也適用于壩體加固，一般具有混合噴、旋噴和擺噴等幾種工藝。根據(jù)漿液的高壓存在而形成噴射的高速流束，從而達(dá)成大幅度提高壩體的防滲能力[5]。

(3)土工膜防滲處理結(jié)合黏土斜墻填筑措施

國內(nèi)外，用到的防滲薄膜主要是高分子化學(xué)聚乙烯和聚氯乙烯，主要優(yōu)勢包括：①輕巧，使用簡單，便于施工；②土工布由于自身性質(zhì)的存在，可以較大程度地提高土體的抗變形和抗拉扯能力，從而改善土體結(jié)構(gòu)以增強壩體的穩(wěn)定性[6]；③具備高透水性，在土水的重大壓力下能夠繼續(xù)保持透水性，有效阻截沙土的同時保持回流，承擔(dān)起了滲透膜的用處；④將聚集在一處的強力有效地分散并傳遞到別處，防止土體被破壞。

(4)回填防滲墻并進(jìn)行帷幕灌漿

在壩體的松散地基處造孔，并灌注水泥、黏土，構(gòu)筑成防滲透建筑，也稱為地下連續(xù)墻，整面墻是由一個槽段和多個連續(xù)墻段建成的。而處在壩體頂部的墻體連接墻體兩端和岸上或岸邊的底板，從而徹底阻斷了地下水，能夠大幅度降低滲透量，起到防護(hù)壩體滲透的作用。

施工區(qū)滑坡體的下部，由于前部巖體的破裂，邊坡比較陡峭，而且在前面的施工中，公路路基邊坡和輸水洞出口的邊坡存在不合理開挖，滑塌越來越嚴(yán)重，逐漸形成了一個101～131m的嚴(yán)重滑塌體，狀態(tài)特別松散，邊坡的角度是23°，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)φ取值24時Kc值為1，處于比較平衡的狀態(tài)，需對其采取治理措施。結(jié)合水庫壩體周圍的地質(zhì)具體條件，采用固結(jié)灌漿的方案。壩體的右岸破碎程度比較嚴(yán)重，完整性不好，需要對16～31m的巖體進(jìn)行徹底的處理，滑坡體的下部也要采取固結(jié)灌漿的操作，進(jìn)而保證大壩在施工后安全有效的運行，挖除掉壩頂11m左右的心墻以及砂礫石，壩頂?shù)母叨纫惨陆抵?515m，以保證最大程度地降低內(nèi)部壩體的浸潤線。另外，在大壩上游壩坡的平臺處，樁號0+131～0+231m內(nèi)澆筑鋼筋抗滑樁。再布置32與直徑2.11m的抗滑樁在平臺坡腳，中心距離分別為5.11m，頂部要與地平線持平，底部深入3.5m，抗滑樁的深度大約在36～46m。

3.2 滲流方案選擇

圖3 特種黏土和普通水泥漿液的壓強對比

圖4 特種黏土流變曲線

圖5 特種黏土塑性強度

通過對該庫區(qū)地質(zhì)情況的實際勘察后，為了對壩體進(jìn)行防滲處理，降低浸潤線的高度，通過對各種加固方案的考慮，建議在0+170～0+250m樁號的壩段進(jìn)行噴射高壓防滲墻。孔距3m，墻厚0.4m，深度60～72m，不但能夠有效緩解滲流問題，還能防止沖刷力破壞壩體，另外，固結(jié)灌漿技術(shù)使用了特種黏性土。同時在壩段0+009～0+090m處采取防護(hù)措施，也摻入較穩(wěn)定的懸濁性特種黏土，其優(yōu)于水泥和泥土漿液等。特種漿液和普通漿液的對比優(yōu)勢如圖3～圖5所示，可以看出該特種黏土防滲固化漿液與其他滿足條件的材料相比，長時間保持流動性、均勻分散性、觸變性等，并且較低的含水率實現(xiàn)了加固技術(shù)的突破。

3.3 泄洪洞和溢流堰設(shè)計

泄洪洞位于壩體左岸，由泄水渠和隧洞組成，進(jìn)出口都建有控制室，灌漿的石護(hù)坡組成出口的邊坡。表層為混凝土，上游為礫巖、砂巖，下游為最厚的三疊系礫巖，而礫石以石英巖和石灰?guī)r為主，最大的粒徑有26cm。隧洞的圍巖以砂巖、粉砂巖、泥巖和紫紅色、青灰色礫巖為主，同樣呈現(xiàn)巨厚狀，總體屬于五類圍巖。

泄洪洞水力通過隧洞的有壓泄流能力計算[9]：

(5)

式中，hp—斷面水流平均勢能；T0—隧洞底部的高度差與上游水頭流速的和，一般T0=T；ω—隧洞的斷面面積；μ—流量的系數(shù)。

泄洪洞和溢流堰的泄流能力如圖6所示。

圖6 泄洪洞和溢流堰的泄流量

而溢流堰的水力通過堰流的公式求得[10]：

(6)

式中，θc—側(cè)收縮系數(shù)；n—閘孔孔數(shù)；m—自由溢流的流量系數(shù)；H0—行進(jìn)流速水頭的堰前水頭；b—每孔凈寬。

其中壩底高程與洪峰流量關(guān)系如圖7所示，下壩址水位-庫容曲線與下壩址水位-庫面曲線，分別如圖8、圖9所示。

圖7 壩底高程-洪峰流量關(guān)系曲線

圖8 水位-庫容曲線

圖9 水位-庫面曲線

對泄洪洞出口和進(jìn)口進(jìn)行改建，重建岸塔式結(jié)構(gòu)檢修閘室，采用固結(jié)灌漿及內(nèi)襯鋼板進(jìn)行加固，內(nèi)襯鋼板厚度0.01m，灌漿孔梅花形布置。在下游新壩軸線位置澆筑3孔溢洪堰，底寬30m，總長32m，高28m，堰型為WES堰。泄洪槽原襯砌徹底拆除，右側(cè)山體進(jìn)行噴錨支護(hù)，高程降低1m進(jìn)行擴(kuò)挖。

3.4 壩體的基本處理

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中的要求，在邊坡上的砂礫石和松散的堆積物開挖范圍是1∶0.7～1∶0.55，較高的邊坡在開挖的時候遵循原則，每挖15m就設(shè)置2m的馬道。同時清除覆蓋層，而其他建筑物處在比較弱的風(fēng)化巖上。主要的建筑物坐落在基礎(chǔ)巖體上，并且該位置體型較大，在泄洪洞的進(jìn)出口、溢流段、泄槽填方處采用固結(jié)灌漿，以提高基礎(chǔ)巖體的完整性和承載能力，深度灌漿6m，每排的孔距2.4m。根據(jù)壩肩滲漏和水位基礎(chǔ)高的問題，采取了灌漿防滲的操作來處理壩后的壩肩和左壩肩的軸線，兩個壩肩需進(jìn)行平洞灌漿，而按照水頭的0.8m來考慮洞長，各自按長度55m。平洞灌漿采取城門洞類型，洞底部高1515m，洞的寬度為3.55m，澆筑0.5m厚的鋼筋混凝土，灌漿深度在較弱的透水層以下3m左右，孔的深度為3～64m，以單排方式布置，孔的距離為3m。

4 結(jié)論

以涇河中山峽谷水庫為對象，對該水庫的基本地質(zhì)和工程情況進(jìn)行注水、壓水滲透等試驗，證明了該壩體的填筑不夠均勻，壩體質(zhì)量比較差，壩基和壩體的防滲性能不好。結(jié)合該水庫壩體周圍的地質(zhì)具體條件對方案進(jìn)行了對比，最終采用了固結(jié)灌漿的方案，以確保大壩可以在施工及以后安全運行，將壩頂11m范圍的心墻全部挖掉，壩頂降低到1515m，浸潤線得到了最大程度的降低，該工程明顯有效。并且固結(jié)灌漿采用了特種的黏土防滲技術(shù)，具有優(yōu)于普通水泥漿液等很多良好性能，對于其他類似工程具有重要的借鑒意義。

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