滸溪水庫大壩防滲加固工程設計探究

袁 燾

（吉安市青原區水利局，江西 吉安 343000）

1 工程概況

滸溪水庫位于青原區文陂鄉荷塘村委滸溪村，座落于贛江水系富水支流滸溪水上，距文陂鄉6 km，距青原區城31 km。該工程于1971年冬動工興建，1972年投入使用。水庫樞紐工程主要建筑物：大壩、溢洪道及壩下涵管等。大壩為均質土壩，壩頂高程108.92 m～109.80 m，最大壩高11.8 m，壩頂寬1.5 m～3.6 m，壩軸線長319 m。上游壩坡坡比1∶2.91～1∶3.14。下游壩坡坡比1∶2.16～1∶2.4。滸溪水庫控制集雨面積3.09 km2，正常蓄水位106.30 m，總庫容122.03萬m3，設計灌溉面積167 hm2，實際灌溉面積127 hm2，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養殖等綜合效益的?。?）型水庫。另外，水庫下游有0.8萬余人、167 hm2萬畝耕地。

目前工程存在的問題有：壩體填筑的土質較差，碾壓不實，不能滿足土石壩的防滲要求，易產生集中滲流問題；壩基具中等透水性，壩基存在滲漏問題。溢洪道未襯砌，泄槽段不滿足抗沖刷要求，兩岸邊坡較陡，穩定性差，易發生邊坡塌滑。無消能設施，無出水渠。斜管過流能力不滿足設計灌溉要求。斜管管身砼老化、剝蝕，蜂窩麻面嚴重，有多條貫穿性裂縫。壩下涵管為砼預制圓涵，結構型式不滿足抗裂要求。水庫無水雨情觀測設施，無大壩安全監測設施，無通訊、管理設施，進庫、上壩公路標準低，不滿足水庫日常運行管理和防洪搶險要求[1]。

2 防滲加固設計

2.1 大壩壩體防滲加固設計

滸溪水庫大壩為均質土壩，據吉安市水利規劃設計院編制提交的《滸溪水庫除險加固工程初步報告》中大壩滲流計算結果（見表1）以及大壩運行中存在的問題表明：大壩壩體存在滲漏和滲透穩定問題，需對大壩進行防滲處理。大壩防滲處理的原則主要是“上截、下排”?！吧辖亍本褪窃谏嫌畏舛聺B漏入口，截斷滲漏途徑，防止滲入。大壩防滲措施可采用斜墻防滲、垂直防滲等幾種處理措施?？紤]到庫區已蓄水多年，根據目前國內病險水庫加固處理技術經驗及本工程實際情況，選擇粘土斜墻結合截水槽、沖抓套井回填粘土心墻兩個防滲方案進行比較。

表1 滲透水力比降與滲透流量計算結果

2.1.1 方案比較

1）方案Ⅰ：上游壩坡設置粘土斜墻結合截水槽方案

在上游壩坡鋪設粘土斜墻，底部設截水槽截斷覆蓋層，深入強風化基巖不小于0.5 m，粘土斜墻與左右壩肩岸坡接觸面開挖截水槽進行防滲加固，達到減少壩體滲漏目的。本次加固設計先對上游壩坡表面平整及清淤后邊坡削至1∶2.5，再在上游壩坡填筑一道粘土斜墻，斜墻頂寬大于3.0 m，底部厚大于3.0 m，斜墻外坡坡比放緩至1∶3.25。

2）方案Ⅱ：在壩頂布設沖抓套井回填粘土防滲心墻方案

自大壩壩頂順壩軸線方向布設沖抓套井回填粘土防滲心墻，達到降低壩體浸潤線，減少壩體滲漏目的，使大壩防滲滿足規范要求。參照《土石壩加固》設計，鉆孔排數取1排，孔距、排距和有效厚度按下式計算：

式中：R為鉆孔半徑，α=65°23′；L為孔距；S為排距；T為有效厚度。

沖抓粘土心墻布置1排孔，造孔直徑1.1 m，孔距為0.46 m，經計算心墻有效厚度為1.0m，大于所需的心墻厚度要求[2]。

3）方案比較與選擇

上述兩個壩體防滲加固方案在技術上均可行，能滿足壩體防滲要求，施工工藝成熟，兩方案主要工程量及其投資比較見表2。由表2可知，方案Ⅰ投資277.0萬元，方案Ⅱ投資248.5萬元。同時方案Ⅰ的施工工藝成熟、施工組織簡單，可控性強，故工程推薦采用方案Ⅰ。

表2 大壩壩體防滲加固方案工程量及造價比較表

2.1.2 大壩防滲加固方案設計

經綜合分析比較采用上游壩坡填筑粘土斜墻與截水槽方案，先對壩坡面平整，邊坡削至1∶2.5左右，再在上游壩坡填筑一道粘土斜墻，底部設截水槽深入強風化基巖不小于0.5 m。粘土斜墻外坡坡比1∶3.25，底厚3 m，截水槽底寬3.0 m，粘土斜墻頂高程108.25 m，結合壩體防滲加固，對大壩左右壩肩岸坡接觸面開挖截水槽進行防滲加固，截水槽截斷殘坡積層。

（1）粘土斜墻設計指標:滲透系數k≤1×10-5cm/s，允許滲透坡降大于5～7，壓實度不小于0.96。

（2）防滲土料：土料水溶鹽含量不大于3%，有機質含量不大于2%，有較好的塑性，填土的含水量按最優含水量控制，允許偏差為±3%。

2.2 大壩壩坡加固設計

據《大壩安全鑒定報告書》(鑒定組織單位:青原區水利局；鑒定審定部門：吉安市水利局）安全鑒定結論可知：大壩在高水位工況下壩體滲流性態不安全，上下游壩坡在各種水位穩定滲流工況下，抗滑穩定最小安全系數均滿足規范要求。此結論與本次大壩穩定復核計算結果（見表3）結論相同。

表3 大壩加固前壩坡穩定復核計算成果表

2.2.1 上游壩坡加固設計

對大壩上游壩坡拆除現澆砼板護坡并對不平整部分進行削坡整平后坡比為1∶2.5左右，填筑粘土斜墻外坡坡比1∶3.25，高程108.25 m以下至壩基進行護坡。根據工程實際情況及近些年大壩除險加固處理經驗，選擇砼預制塊護坡和干砌塊石護坡兩種方案進行比較。

（1）砼預制塊護坡

砼預制板采用六角形板，邊長0.3 cm，采用C15砼，其護坡厚度按《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274—2001）附錄A推薦的公式計算：

式中：η為系數，對整體式大塊護面板取1.0，對裝配式護面板取 1.1；hp為累積頻率為 1%的波高，m；Lm為平均波長，m；b為沿坡向板長，取 0.6 m；ρc為板的密度，取 2.4 t/m3；ρw為水的密度，取1.0 t/m3；m為坡度系數，取3.5。

經計算t=0.094 m。參考類似工程10 cm～20 cm，上游壩坡砼預制塊護坡厚度取10 cm。

（2）干砌塊石護坡

據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274—2001），干砌塊石護坡在最大局部波浪壓力作用下所需的換算球形直徑和質量、平均粒徑、平均質量和厚度按下式確定：

式中：D為石塊的換算球形直徑，m；Q為石塊的質量，t；D50為石塊的平均粒徑，m；Q50為石塊的平均質量，t；t為護坡厚度，m；Kt為隨坡率變化的系數；hp為累積頻率為5%的波高，m；ρk為塊石密度，取2.4 t/m3。

經計算t=0.25 m?？紤]施工要求，干砌塊石護坡厚度需取0.30 m。

（3）護坡方案選擇與設計

由單價分析，砼預制塊護坡單價為536.67元/m3；干砌塊石護坡單價為149.17元/m3。從經濟上干砌塊石護坡投資較省，但考慮到干砌塊石護坡施工質量較難控制，砼預制塊護坡施工質量易于控制，根據類似工程經驗，下設一層砂石墊層。經綜合比較本工程推薦砼預制塊護坡方案，厚0.1 m，下設砂卵石墊層厚0.1 m。

2.2.2 下游壩坡加固設計

大壩下游坡坡面雜草、灌木叢生，坡面不平整。本次設計進行平整壩坡處理，高程102.15 m以上坡比為1∶2.5，采用草皮護坡，高程102.15 m以下新建貼坡排水，坡比為1∶2.5。

由于大壩滲漏嚴重，現狀下游左壩腳出現大面積的沼澤地，對大壩穩定不利。本次加固對下游壩腳處的沼澤地采用塊石回填，塊石回填至下游壩基高程。

3 大壩加固設計計算

3.1 滲流計算

大壩加固后的滲流穩定計算方法同大壩安全復核計算，粘土防滲斜墻滲透系數取1×10-5cm/s，其余土層滲透系數見表4。下游水位取大壩下游地面高程98.83 m，大壩加固處理方案典型斷面見圖1，大壩加固斷面各工況下的浸潤線及等勢線見圖2，滲流計算成果見表5。

表4 土層滲透系數取值表

圖1 大壩加固典型斷面

圖2 加固后各工況產生的穩定滲流

表5 大壩防滲加固、前后滲流計算成果表

由計算結果可知（校核水位），大壩現狀斷面壩體浸潤線出逸坡降值為0.2，小于允許坡降值；壩腳最大坡降0.42，大于允許坡降值，壩體、壩基易產生滲透破壞，在未來高水位下壩體的滲流性態存在不安全隱患?，F狀斷面計算滲流量Q=1.18 m3/（d·m）。加固后的大壩設計斷面壩體浸潤線浸潤線出逸坡降值為0.16，小于允許坡降值；壩腳最大坡降0.4，等于允許坡降值。應設置反濾排水體。經防滲處理后的計算滲流量為Q=0.78 m3/（d·m）。設計斷面的浸潤線出逸點比現狀斷面的浸潤線出逸點低[3]。

3.2 穩定計算

大壩壩坡穩定計算采用粘土防滲斜墻加固及壩坡加固方案滲流計算成果，計算斷面、參數、計算程序、孔隙水壓力、計算工況的確定見表6。大壩加固后的壩坡穩定計算成果見表6、圖3。

表6 大壩加固的壩坡穩定復核計算成果表

由上表計算結果可知，大壩經過防滲及壩坡加固后，大壩在各種工況下上、下游壩坡抗滑穩定安全滿足《碾壓土石壩設計規范》（SL 274-2001）要求。

圖3 有效應力法的應用

4 結論

綜上所述，受施工技術水平、使用年限等方面的影響，水庫經過長期運行后，不可避免的會出現質量問題，導致其使用功能下降。滸溪水庫經及時除險加固，消除了安全隱患，壩體滲漏及大壩穩定均滿足要求。