田生有 赫振平

（山西省大同市冊田水庫管理局 山西大同037300）

1 工程概況

冊田水庫位于山西省大同縣境內(nèi)，屬海河流域永定河水系，是桑干河干流上山西省出境控制性工程，壩址以上控制流域面積1.67 萬km2，占官廳水庫以上總流域面積的38.5%，設計總庫容5.8 億m3，屬大（2）型水庫，工程等別為Ⅱ等，水庫地震設防烈度7 度。水庫任務以防洪為主，兼顧城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉，同時還承擔“21世紀初期首都水資源可持續(xù)利用項目”實施后向北京市輸水的任務。水庫位于官廳水庫和北京市上游，其地理位置十分重要，是山西省唯一一座全國重點防汛水庫。

水庫大壩為均質(zhì)土壩，均質(zhì)土壩施工為水中倒土和碾壓法填筑，壩頂高程62 m（本文涉及的高程皆為相對高程），最大壩高42 m，正常蓄水位高程為56 m，設計標準洪水為100年一遇（P=1%），相應水位為57.07 m，校核洪水為2000年一遇（P=0.05%），相應水位為60.04 m。水庫樞紐工程由大壩、正常溢洪道、非常溢洪道、漿砌石重力壩、左側(cè)副壩等建筑物組成。水庫壩體位于泥河灣湖相沉積頂部的玄武巖上，玄武巖厚約5～25 m 左右，表層柱狀節(jié)理發(fā)育、滲透性大，其下為湖相沉積物，壩址有多條斷層從大壩通過。

2 防滲加固設計與施工

水庫于1958年建庫，以后雖然經(jīng)過了多次防滲處理，但主壩段和北副壩段壩防滲效果較差、不理想，壩體存在軟弱層、大壩基礎存在“界面”接觸沖刷、壩基玄武巖層滲漏嚴重等問題，同時考慮壩坡可能存在未徹底處理的震后裂縫，在2009—2010年的除險加固工程中對主壩段和北副壩段壩基和壩體進行了防滲處理。

由于塑性混凝土防滲墻具有優(yōu)良的力學性能，彈性模量低，極限應變大，能與周圍土體協(xié)調(diào)變形，墻體受力狀態(tài)好，不易產(chǎn)生裂縫，尤其是在地震區(qū)，優(yōu)良的地震性能更顯示出其優(yōu)越性，滲流系數(shù)一般小于10-7cm/s，而且有便于施工、節(jié)約水泥、減少投資等優(yōu)點。因此，決定防滲加固方案為壩體采用塑性混凝土防滲墻，壩基采用防滲帷幕，防滲墻與帷幕形成一道垂直防滲體，大壩經(jīng)過防滲處理后，在正常蓄水位情況下，防滲墻后壩體浸潤線可較大幅度下降，既可以解決“界面”接觸沖刷問題，還可以減輕大壩在強地震時壩體裂縫產(chǎn)生滲漏通道。

2.1 設計指標

主壩和北副壩塑性混凝土防滲墻設計指標為:在主壩和北副壩0+150～0+629 m 段壩軸線上游2 m 處，作垂直防滲處理，塑性混凝土防滲墻成槽深度35～45 m，深入玄武巖4 m，防滲墻設計厚度0.8 m，混凝土強度等級為C15，抗壓強度R28=1.0～2.5 MPa，彈性模量E28≤500 MPa，抗?jié)B標號為W6，滲透系數(shù)Kx、Ky=8.64×10-6m/d，防滲墻頂高程60.5 m。

帷幕灌漿設計指標為:帷幕灌漿通過壩基玄武巖，深入玄武巖下部湖相沉積亞黏土層5 m，基巖灌漿從塑性混凝土防滲墻上、下游兩側(cè)，經(jīng)壩體對大壩基礎巖石進行帷幕灌漿，為雙排帷幕?；A巖石灌漿排距2 m，孔距3 m，按梅花形布置，帷幕深入玄武巖下部湖相沉積層5 m，設計要求透水率q 值為3～5 Lu，其滲透系數(shù)取Kx、Ky=0.086 4 m/d。

2.2 防滲墻施工

防滲墻施工程序:構(gòu)筑施工平臺—鋪設軌道—安裝鉆機—槽孔施工—泥漿固壁—下設混凝土導管—澆筑混凝土—質(zhì)量檢查。

防滲墻造孔采用沖擊反循環(huán)鉆機；泥漿固壁采用2 m3泥漿攪拌機攪拌，泥漿泵輸送；混凝土采用0.8 m3攪拌機拌制，直升導管法澆筑。塑性混凝土墻施工配合比見表1。

表1 塑性混凝土墻施工配合比

帷幕灌漿采用自上而下循環(huán)灌漿法、按序逐漸加密的原則進行施工。初始水灰比采用5∶1，灌漿漿液的變換，遵循由稀到濃的原則，逐級改變，漿液的水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1 七個比級。

3 防滲效果及滲透穩(wěn)定性分析

通過對主壩塑性混凝土防滲墻實體檢查試驗、加固前后防滲墻上下游水位、庫水位與管水位相關分析、浸潤線、滲流量、位勢及滲流比降等多種方法對冊田水庫主壩塑性混凝土防滲墻防滲效果以及滲透穩(wěn)定性進行比較分析。

3.1 塑性混凝土防滲墻施工質(zhì)量檢測結(jié)果

根據(jù)冊田水庫主壩塑性混凝防滲墻分部工程施工情況，防滲墻體質(zhì)量檢查采取現(xiàn)場壓水試驗檢查和鉆孔取芯到水工試驗室送檢的方法進行綜合檢驗，對抗壓強度、滲透系數(shù)、彈性模量等多項指標進行檢查和評價。

通過現(xiàn)場實地注水試驗對滲透系數(shù)檢查，進行了4 個試驗段的鉆孔注水試驗，檢測結(jié)果為塑性混凝土防滲墻的滲透系數(shù)為8.46×10-8～9.75×10-8cm/s；通過水工試驗室對8 組抗?jié)B試塊、40 組抗壓試塊、2 組彈性模量試驗，經(jīng)測定滲透系數(shù)達8.46×10-8～9.75×10-8cm/s、抗壓強度為1.1～2.3 MPa、彈模值為470～480 MPa。由檢測結(jié)果可知，主壩的防滲加固基本達到設計要求。

3.2 加固前后防滲墻上下游測壓管水位分析

水庫在主壩0+557 斷面布置了4 排浸潤線測壓管，分別位于壩軸線上游11 m，下游4.1 m、21.5 m、45 m，見表2，塑性混凝土防滲墻位于壩軸線上游2 m。

主壩段防滲墻于2009年開始施工至2010年防滲墻水壓試驗檢驗結(jié)束，由于施工期防滲墻成槽時泥漿固壁以及水壓試驗的影響，造成壩體滲流場極不穩(wěn)定，因此選用2009年5月底防滲墻施工前與2015年庫水位較為穩(wěn)定期的測壓管觀測資料進行分析。

由表2可以明顯看出，在庫水位相近時，防滲墻修建前后測壓管水位變化非常明顯，修筑防滲墻后上游測壓管J5 的水位上升了3.91 m，與庫水位接近，而防滲墻下游測壓管J6 水位下降了3.56 m，下降幅度較大。J7、J8 水位從考證表中可知基本位于其沉淀管內(nèi)已不能反映壩體滲流情況，故舍棄不用。加固前后J5、J6 水位差由4.77 m 增加到12.24 m，也說明了塑性混凝土防滲墻對滲流水頭的消減作用較大防滲效果明顯。

表2 主壩0+557 斷面防滲墻上下游測壓管水位分析

3.3 相關分析

由于J7、J8 水位位于測壓管的沉淀管內(nèi)，已不能反映壩體浸潤線情況，因此只對J5 和J6 進行庫水位與管水位的相關分析。首先采用逐步回歸分析，通過計算相關系數(shù)并結(jié)合水位過程線確定出測壓管的遲后時間，去除遲后時間影響后進行相關分析，見圖1、圖2（注:圖中水位為相對高程）。

圖1 J5 測壓管水位與庫水位相關圖

圖2 J6 測壓管水位與庫水位相關圖

由圖1、圖2中可知，J5 測壓管（位于防滲墻上游9 m）在防滲墻修筑后水位上升約3.9 m，斜率變化不大；J6 測壓管（位于防滲墻下游6.1 m）在防滲墻修筑后水位下降約3.5 m，說明大壩滲流條件得到了有效改善，防滲效果明顯。圖2中J6 的相關線在修筑防滲墻后呈水平，分析原因認為，一種情況是上游水位經(jīng)防滲墻削減后對其影響較弱，另一種情況可能是J6管安裝位置偏高造成的，需補充測壓管或滲壓計進一步進行分析。

3.4 浸潤線法[1]

根據(jù)主壩防滲處理實際情況，采用三種滲透系數(shù)對主壩0+555 斷面浸潤線計算。滲透系數(shù)見表3，分情況計算的浸潤線見圖3。三種滲透系數(shù)分別是:

1）2009年除險加固工程設計中采用的壩體與塑性混凝土防滲墻的滲透系數(shù)；

2）由塑性混凝土防滲墻原位鉆芯與壓水試驗，壩體測壓管注水試驗得出的滲透系數(shù)；

3）由J5、J6 與防滲墻對壩體進行分區(qū)，把大壩分成防滲墻前區(qū)、防滲墻區(qū)以及防滲墻后區(qū)三個區(qū)間，通過J5、J6 水位反算求得防滲墻前后壩體滲透系數(shù)。

由圖3對各種情況下的浸潤線情況進行分析:

1）采用除險加固設計的K 值計算出的防滲墻后浸潤線最低，同時在正常蓄水位56 m 與庫水位為50.2 m 時防滲墻下游浸潤線相比上升很小，說明防滲墻防滲效果顯著。

2）采用由J5、J6 水位分區(qū)計算求出的K 值，浸潤線雖然消減了較大的水頭（E=40.5%），但依然比設計計算浸潤線高出較多，結(jié)合J6 與庫水位相關圖、管水位過程線分析，認為J6 水位位于測壓管沉淀段附近，由于測壓管施工安裝時的誤差等原因，J6 可能已經(jīng)不能真實反映壩體內(nèi)實際滲流情況。

3）采用原位試驗K 值數(shù)據(jù)計算的浸潤線，與采用J5、J6 水位分區(qū)計算K 值的浸潤線基本相同，這從兩者的滲透系數(shù)接近可知。

圖3 浸潤線圖

4）由J5、J6 水位分區(qū)計算求出的壩體K 值與原位測量的K 值相差不大，而原位測定的防滲墻K 值與規(guī)范推薦值K≤10-7cm/s 較為接近，由此滲透系數(shù)計算的浸潤線與設計相差較大。鑒于這種情況，防滲墻后的滲流監(jiān)測應以設計浸潤線為參照，并按照SL551-2012 土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范要求重新埋設滲壓計或測壓管，以便及時掌握主壩運行狀態(tài)，確保水庫安全。

3.5 位勢與坡降分析[1]

位勢是指流場中某一位置的測壓管水頭占全部水頭的比例，通過位勢分析可得出防滲墻在土石壩滲流中所起作用的大小；滲流坡降是防滲墻或某一壩段水頭與滲徑的比值，如果理論計算的滲透坡降大于允許坡降時，產(chǎn)生滲透破壞危險的可能性就比較大，兩者的計算公式如下:

式中，Φ 為位勢；hi為某測壓管水頭，m；H1為水庫上游水位，m；H2為下游水位，m。

式中，J 為比降；h1、h2為防滲體前后或某一壩段上下游水頭，m；L 為滲徑，m。

通過四種不同情況，計算的位勢與滲流坡降數(shù)據(jù)見表4、表5。由表4、表5可知，除由J5、J6 分區(qū)計算的防滲墻有效系數(shù)為40.5%外，另外幾種情況計算的防滲墻有效系數(shù)均達到86%以上，說明塑性混凝土防滲墻的防滲效果明顯，各種情況下滲流坡降均小于允許比降，這說明主壩塑性混凝土防滲墻與下游壩體的滲流穩(wěn)定是安全的。

表4 位勢分析

表5 坡降分析

3.6 壩后滲流量分析

為監(jiān)測主壩的滲流量，在主壩下游設置了量4、量6 兩處量水堰，在修筑塑性混凝土防滲墻前，庫水位多年穩(wěn)定在49～51 m 之間，量4、量6 的滲流量常年維持在12 l/s、6 l/s 左右，變化不大。在主壩修筑塑性混凝土防滲墻后，此兩處量水堰的滲流量逐漸減小，至2011年已全部干枯，壩后水位下降明顯，表明塑性混凝土防滲墻的防滲效果較為明顯。

4 結(jié)語

通過多種方法對冊田水庫主壩塑性混凝土防滲墻防滲效果比較分析，以及工程多年的運行情況表明，除險加固工程對主壩壩體、壩基進行處理后，由于塑性混凝土防滲墻與帷幕灌漿的共同作用，冊田水庫主壩防滲墻后浸潤線下降較低，壩體底部以及防滲墻的滲透坡降均小于允許坡降，壩體與玄武巖接觸界面的滲流接觸沖刷得到改善，下游滲流量明顯減小，主壩的滲流穩(wěn)定得到很大的改善，塑性混凝土防滲墻的防滲效果明顯，有效地解決了水庫主壩滲流不穩(wěn)定的問題，達到了水庫除險加固的預期目的。但在分析中也發(fā)現(xiàn)了的一些問題，故提出如下建議:

1）由于塑性混凝土防滲墻削減水頭較大，防滲墻下游浸潤線水位較低，防滲墻下游測壓管已不能對壩體浸潤線進行有效的監(jiān)測，因此應在防滲墻下游重新布置埋設滲壓計或測壓管。

2）從觀測數(shù)據(jù)分析，測壓管監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度較低，今后應進一步加強管理提高數(shù)據(jù)精度，以便更加準確地掌握水庫的運行狀態(tài)。

3）由于防滲墻的修筑，防滲墻上游壩體的浸潤面較防滲墻修筑前大幅度地提高，上游壩坡的穩(wěn)定性相應變差。因此，在今后水庫正常泄水時，應嚴格按照設計要求控制庫水位降速，避免主壩上游滑坡的險情發(fā)生。