原平市小型水庫大壩防滲措施研究

2015-07-25 05:20:54張志平

山西水利科技 2015年1期

張志平

（忻州市水利勘測設(shè)計(jì)院山西忻州 034000）

1 原平市小型水庫現(xiàn)狀及大壩存在問題

原平市位于山西省北中部，境內(nèi)共有小型水庫17座，分別坐落于滹沱河支流陽武河、長樂河、永興河、同河、北云中河上，其中?。?）型水庫7座，?。?）型水庫10座。多年來，小型水庫在原平市防洪、灌溉、保護(hù)生態(tài)及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民生產(chǎn)生活水平提高等方面發(fā)揮了不可替代的作用，但由于本身的先天不足，經(jīng)過多年運(yùn)行，各小水庫都不同程度地出現(xiàn)險情。盡管國家每年都給水庫安排了一定數(shù)量的資金，對一些水庫進(jìn)行除險加固處理，但由于投入少，而需要加固的水庫多，只能對部分水庫較大的工程隱患進(jìn)行簡單地修補(bǔ)，不能從根本上解決問題，一直存在“兩多一低一少”的嚴(yán)重隱患，即病險水庫多、安全隱患多，防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，通訊、預(yù)警等設(shè)施完善少等問題，使水庫的灌溉功能不能正常發(fā)揮。同時，水庫的病險問題也給水庫下游城鄉(xiāng)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)的安全構(gòu)成威脅,猶如水庫下游人民“頭頂一盆水”，不僅效益難以充分發(fā)揮，而且成為重大安全隱患。

由于全市小水庫均建于20世紀(jì)50年代后期至7O年代初期，屬典型的“三邊”和“三無”工程，受建庫時的歷史條件、工程技術(shù)等客觀因素的限制，很多水庫在缺乏必要水文、地質(zhì)資料和可靠的工程技術(shù)條件下，就倉促動工，使工程質(zhì)量難以得到保證，存在很多缺陷，給水庫留下諸多安全隱患，加之運(yùn)行多年，年久失修，使水庫一直帶病運(yùn)行，這些都是造成大壩滲漏的主要原因。

大壩滲漏主要有壩基滲漏、壩肩繞壩滲漏、壩體滲漏等三方面。

本文針對小型水庫主要組成部分大壩的滲漏問題，分別以原平市神溝和將軍山兩座?。↖）型水庫為工程實(shí)例闡述幾種技術(shù)可靠、施工方便的大壩防滲方案在小型水庫除險加固工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2 壩基滲漏

多數(shù)病險庫都存在壩基滲漏問題，①在壩體填筑前，壩基未按規(guī)范要求進(jìn)行清基處理，清基不徹底導(dǎo)致壩基與壩體接觸面間產(chǎn)生滲水薄弱環(huán)節(jié)，形成滲水通道；②有些水庫壩基滲漏是因?yàn)閴位跐B透系數(shù)較大的覆蓋層上，滲透比降較大，原壩基截水槽或其它垂直防滲處理措施的深度不夠，未達(dá)到相對不透水層，不能有效地截?cái)酀B漏或延長滲徑；③未進(jìn)行壩基處理。

針對上述情況，根據(jù)壩址所在位置覆蓋層的深淺采取垂直防滲或者水平鋪蓋措施。若覆蓋層很厚，可采取水平鋪蓋，根據(jù)附近是否有可保證開采量的黏土料場，采用黏土鋪蓋或土工膜鋪蓋；若覆蓋層較薄，可采取垂直防滲形式，垂直防滲墻的方案還應(yīng)根據(jù)覆蓋層的顆粒級配情況選擇高噴灌漿或混凝土防滲墻。

神溝水庫位于原平市解村鄉(xiāng)西南3 km處，海河流域神溝河支流。水庫原設(shè)計(jì)總庫容105萬m3，控制流域面積3.6 km2。1973年建成受益。樞紐工程由大壩、放水工程、溢洪道三部分組成，大壩為均質(zhì)土壩，原設(shè)計(jì)壩高15 m，壩寬4 m，上游坡1：3，下游坡1：2.5。建庫時未徹底截?cái)鄩位鶟B漏層，壩基砂卵石層是壩基的主要滲漏通道，其滲透系數(shù)極大，致使水庫蓄水后，壩基滲漏隱患充分暴露，壩后呈現(xiàn)沼澤，對水庫正常蓄水和壩體的穩(wěn)定極為不利。壩基主要為第四系中更新統(tǒng)(Q2)黃土類土，16.5～17.5 m處含有卵礫石層，灰色，松散～中密，礫石含量大于50%，母巖成分為變質(zhì)巖，含10%～20%土砂，層底埋深3.1 m，層厚1.0 m，透水性強(qiáng)，最大滲透系數(shù)為15 m/d。正常水位時實(shí)際水力坡降為0.504，而允許水力坡降為0.18，顯然，實(shí)際水力坡降大于允許水力坡降，故存在壩基滲漏穩(wěn)定問題，可能產(chǎn)生管涌破壞。

在壩基防滲設(shè)計(jì)中，針對壩基存在的問題，選用水平防滲與垂直防滲相結(jié)合方案，但考慮到水庫經(jīng)過淤積多年，壩前淤積層已形成一層天然鋪蓋，亦可起到延長滲徑、水平防滲的作用，且加之水平鋪蓋投資較大，故壩基處理采用垂直防滲形式高噴防滲墻。高噴防滲墻沿壩軸線布置,工作平臺設(shè)在大壩壩頂,防滲墻頂部控制在壩基淤積土層以上1 m處，底部伸入壩基面下穿過卵礫石層下1 m相對不透水層，長度76.8 m,墻體平均高度7 m，形成一道連續(xù)板墻，見圖1神溝水庫高噴防滲墻及右壩肩防滲剖面圖。正常水位時計(jì)算水力坡降為0.15，小于允許水力坡降為0.18，壩基出逸點(diǎn)滲透坡降均小于允許水力坡降，大壩壩基滲流是穩(wěn)定。

經(jīng)過三年運(yùn)行，壩后無積水，截流防滲效果顯著。

3 壩肩繞壩滲漏

壩肩繞壩滲漏是指水庫蓄水后，由于上下游水頭差，使庫水沿壩兩岸孔隙、裂隙、溶洞、斷層等向壩下游的滲漏。

神溝水庫右壩肩處在水庫低水位運(yùn)行時，滲漏現(xiàn)象已十分明顯，有出水現(xiàn)象，該位置出現(xiàn)嚴(yán)重的濕軟塌陷，實(shí)際水力坡降大于允許水力坡降，存在壩體嚴(yán)重的滲漏問題。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘及鉆孔揭露，大壩填筑過程中，右壩肩處理未按規(guī)范進(jìn)行，壩體直接與2 m厚的鈣質(zhì)結(jié)核層接觸，致使水庫運(yùn)行時壩肩滲漏嚴(yán)重。根據(jù)鉆孔揭露，該段地層主要為第四系中更新統(tǒng)（Q2），巖性為亞黏土，低液限黏土，淺紅，粉紅色，含水量高，頂部有2 m厚的鈣結(jié)核層，白色，堅(jiān)硬，為右壩肩繞壩滲漏的主要通道。因此，除險加固設(shè)計(jì)將與壩體直接接觸的2 m厚的鈣質(zhì)結(jié)核層徹底挖除，換填干容重不小于1.6 t/m3的黏土，換填至校核水位，校核水位線以上至壩頂公路墊層用普通黃土回填，要求回填土干容重仍不小于1.6 t/m3。工程布置沿壩軸線方向開挖底寬2.0 m，底高程控制在鈣質(zhì)結(jié)核層以下1 m，邊坡1:0.75的溝槽，溝槽長度51 m，見圖1神溝水庫高噴防滲墻及右壩肩防滲剖面圖。經(jīng)過右壩肩換填處理，壩體出逸點(diǎn)滲透坡降均小于允許水力坡降，大壩滲流是穩(wěn)定的，無出水和濕軟塌陷的現(xiàn)象。

圖1 神溝水庫高噴防滲墻及右壩肩防滲剖面圖

4 壩體滲漏

壩體滲漏由于壩體填筑材料或者填筑標(biāo)準(zhǔn)不符合要求，密實(shí)度不夠，滲透系數(shù)偏大。常采用在壩體上游坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜的處理。

將軍山水庫位于原平市東社鎮(zhèn)同河碾子溝支溝上將軍山腳下，控制流域面積2 km2，設(shè)計(jì)總庫容118萬m3，水庫于1975年12月運(yùn)行，由大壩、放水工程、提水泵站工程組成。大壩為均質(zhì)壩，現(xiàn)狀實(shí)測壩頂寬12.14 m，壩高23.25 m，上游壩坡設(shè)干砌石護(hù)坡，上游壩坡坡比為1：2.5、1：3.0；下游壩坡坡比為1：2.3、1：2.6。

大壩壩體孔隙比偏大，干密度偏小，當(dāng)庫水位達(dá)到興利水位時，壩內(nèi)浸潤線在下游壩坡出逸，而且出逸點(diǎn)較高，出逸比降很大，壩體滲流安全存在嚴(yán)重的安全隱患，詳見圖2將軍山水庫上游壩坡鋪土工膜前浸潤線。

圖2 將軍山水庫上游壩坡鋪土工膜前浸潤線圖

在大壩除險加固設(shè)計(jì)中，拆除原變形塌陷的干砌石護(hù)坡，并利用拆除原護(hù)坡干砌石在上游壩腳填筑干砌石，然后按原壩坡1:2.5、1：3.0整坡，護(hù)坡采用16 cm預(yù)制砼塊下鋪3 cm厚水泥砂漿、150 g/0.5 mm/150 g復(fù)合土工膜，以降低壩體浸潤線、改善壩體質(zhì)量。對局部沉陷較嚴(yán)重的壩坡段，進(jìn)行先夯填補(bǔ)平到設(shè)計(jì)壩坡。

采用有限元法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算斷面選擇壩體最大橫斷面，計(jì)算參數(shù)根據(jù)大壩安全鑒定時的土工實(shí)驗(yàn)成果確定，土工膜滲透系數(shù)采用值，可以把滲透系數(shù)（Ks=1×10-12cm/s）很小、厚度很薄的土工膜換算為1 m厚的滲透系數(shù)為Ks=1×10-9cm/s的黏土層進(jìn)行計(jì)算，同時考慮土工膜不可避免的缺陷，再將其滲透系數(shù)加大100倍，即Ks=1×10-7cm/s的不透水材料進(jìn)行計(jì)算［1］。

由滲流計(jì)算可知，上游壩坡鋪設(shè)土工膜后防滲效果顯著，浸潤線明顯降低，出逸于下游壩腳新增貼坡排水體，壩體、壩基出逸點(diǎn)滲透坡降均小于允許水力坡降，認(rèn)為大壩滲流穩(wěn)定，見圖3將軍山水庫上游壩坡鋪土工膜后浸潤線圖。

經(jīng)過二年的蓄水，將軍山水庫運(yùn)行良好，大壩防滲效果顯著。

圖3 將軍山水庫上游壩坡鋪土工膜后浸潤線圖

5 結(jié)語

大壩滲漏是病險小水庫的通病，選好大壩防滲方案對于病險小水庫除險加固工程建設(shè)的成敗至關(guān)重要。本文通過對神溝、將軍山兩座?。á瘢┬退畮齑髩畏罎B處理的分析，論證兩座病險小水庫采用的大壩防滲方案作用明顯，效果顯著。從而為當(dāng)?shù)匦∷畮斐U加固設(shè)計(jì)方案的選擇提供工程依據(jù)。