浒溪水库大坝防渗加固工程设计探究

袁 焘

（吉安市青原区水利局，江西 吉安 343000）

1 工程概况

浒溪水库位于青原区文陂乡荷塘村委浒溪村，座落于赣江水系富水支流浒溪水上，距文陂乡6 km，距青原区城31 km。该工程于1971年冬动工兴建，1972年投入使用。水库枢纽工程主要建筑物：大坝、溢洪道及坝下涵管等。大坝为均质土坝，坝顶高程108.92 m～109.80 m，最大坝高11.8 m，坝顶宽1.5 m～3.6 m，坝轴线长319 m。上游坝坡坡比1∶2.91～1∶3.14。下游坝坡坡比1∶2.16～1∶2.4。浒溪水库控制集雨面积3.09 km2，正常蓄水位106.30 m，总库容122.03万m3，设计灌溉面积167 hm2，实际灌溉面积127 hm2，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养殖等综合效益的小（1）型水库。另外，水库下游有0.8万余人、167 hm2万亩耕地。

目前工程存在的问题有：坝体填筑的土质较差，碾压不实，不能满足土石坝的防渗要求，易产生集中渗流问题；坝基具中等透水性，坝基存在渗漏问题。溢洪道未衬砌，泄槽段不满足抗冲刷要求，两岸边坡较陡，稳定性差，易发生边坡塌滑。无消能设施，无出水渠。斜管过流能力不满足设计灌溉要求。斜管管身砼老化、剥蚀，蜂窝麻面严重，有多条贯穿性裂缝。坝下涵管为砼预制圆涵，结构型式不满足抗裂要求。水库无水雨情观测设施，无大坝安全监测设施，无通讯、管理设施，进库、上坝公路标准低，不满足水库日常运行管理和防洪抢险要求[1]。

2 防渗加固设计

2.1 大坝坝体防渗加固设计

浒溪水库大坝为均质土坝，据吉安市水利规划设计院编制提交的《浒溪水库除险加固工程初步报告》中大坝渗流计算结果（见表1）以及大坝运行中存在的问题表明：大坝坝体存在渗漏和渗透稳定问题，需对大坝进行防渗处理。大坝防渗处理的原则主要是“上截、下排”。“上截”就是在上游封堵渗漏入口，截断渗漏途径，防止渗入。大坝防渗措施可采用斜墙防渗、垂直防渗等几种处理措施。考虑到库区已蓄水多年，根据目前国内病险水库加固处理技术经验及本工程实际情况，选择粘土斜墙结合截水槽、冲抓套井回填粘土心墙两个防渗方案进行比较。

表1 渗透水力比降与渗透流量计算结果

2.1.1 方案比较

1）方案Ⅰ：上游坝坡设置粘土斜墙结合截水槽方案

在上游坝坡铺设粘土斜墙，底部设截水槽截断覆盖层，深入强风化基岩不小于0.5 m，粘土斜墙与左右坝肩岸坡接触面开挖截水槽进行防渗加固，达到减少坝体渗漏目的。本次加固设计先对上游坝坡表面平整及清淤后边坡削至1∶2.5，再在上游坝坡填筑一道粘土斜墙，斜墙顶宽大于3.0 m，底部厚大于3.0 m，斜墙外坡坡比放缓至1∶3.25。

2）方案Ⅱ：在坝顶布设冲抓套井回填粘土防渗心墙方案

自大坝坝顶顺坝轴线方向布设冲抓套井回填粘土防渗心墙，达到降低坝体浸润线，减少坝体渗漏目的，使大坝防渗满足规范要求。参照《土石坝加固》设计，钻孔排数取1排，孔距、排距和有效厚度按下式计算：

式中：R为钻孔半径，α=65°23′；L为孔距；S为排距；T为有效厚度。

冲抓粘土心墙布置1排孔，造孔直径1.1 m，孔距为0.46 m，经计算心墙有效厚度为1.0m，大于所需的心墙厚度要求[2]。

3）方案比较与选择

上述两个坝体防渗加固方案在技术上均可行，能满足坝体防渗要求，施工工艺成熟，两方案主要工程量及其投资比较见表2。由表2可知，方案Ⅰ投资277.0万元，方案Ⅱ投资248.5万元。同时方案Ⅰ的施工工艺成熟、施工组织简单，可控性强，故工程推荐采用方案Ⅰ。

表2 大坝坝体防渗加固方案工程量及造价比较表

2.1.2 大坝防渗加固方案设计

经综合分析比较采用上游坝坡填筑粘土斜墙与截水槽方案，先对坝坡面平整，边坡削至1∶2.5左右，再在上游坝坡填筑一道粘土斜墙，底部设截水槽深入强风化基岩不小于0.5 m。粘土斜墙外坡坡比1∶3.25，底厚3 m，截水槽底宽3.0 m，粘土斜墙顶高程108.25 m，结合坝体防渗加固，对大坝左右坝肩岸坡接触面开挖截水槽进行防渗加固，截水槽截断残坡积层。

（1）粘土斜墙设计指标:渗透系数k≤1×10-5cm/s，允许渗透坡降大于5～7，压实度不小于0.96。

（2）防渗土料：土料水溶盐含量不大于3%，有机质含量不大于2%，有较好的塑性，填土的含水量按最优含水量控制，允许偏差为±3%。

2.2 大坝坝坡加固设计

据《大坝安全鉴定报告书》(鉴定组织单位:青原区水利局；鉴定审定部门：吉安市水利局）安全鉴定结论可知：大坝在高水位工况下坝体渗流性态不安全，上下游坝坡在各种水位稳定渗流工况下，抗滑稳定最小安全系数均满足规范要求。此结论与本次大坝稳定复核计算结果（见表3）结论相同。

表3 大坝加固前坝坡稳定复核计算成果表

2.2.1 上游坝坡加固设计

对大坝上游坝坡拆除现浇砼板护坡并对不平整部分进行削坡整平后坡比为1∶2.5左右，填筑粘土斜墙外坡坡比1∶3.25，高程108.25 m以下至坝基进行护坡。根据工程实际情况及近些年大坝除险加固处理经验，选择砼预制块护坡和干砌块石护坡两种方案进行比较。

（1）砼预制块护坡

砼预制板采用六角形板，边长0.3 cm，采用C15砼，其护坡厚度按《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001）附录A推荐的公式计算：

式中：η为系数，对整体式大块护面板取1.0，对装配式护面板取 1.1；hp为累积频率为 1%的波高，m；Lm为平均波长，m；b为沿坡向板长，取 0.6 m；ρc为板的密度，取 2.4 t/m3；ρw为水的密度，取1.0 t/m3；m为坡度系数，取3.5。

经计算t=0.094 m。参考类似工程10 cm～20 cm，上游坝坡砼预制块护坡厚度取10 cm。

（2）干砌块石护坡

据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001），干砌块石护坡在最大局部波浪压力作用下所需的换算球形直径和质量、平均粒径、平均质量和厚度按下式确定：

式中：D为石块的换算球形直径，m；Q为石块的质量，t；D50为石块的平均粒径，m；Q50为石块的平均质量，t；t为护坡厚度，m；Kt为随坡率变化的系数；hp为累积频率为5%的波高，m；ρk为块石密度，取2.4 t/m3。

经计算t=0.25 m。考虑施工要求，干砌块石护坡厚度需取0.30 m。

（3）护坡方案选择与设计

由单价分析，砼预制块护坡单价为536.67元/m3；干砌块石护坡单价为149.17元/m3。从经济上干砌块石护坡投资较省，但考虑到干砌块石护坡施工质量较难控制，砼预制块护坡施工质量易于控制，根据类似工程经验，下设一层砂石垫层。经综合比较本工程推荐砼预制块护坡方案，厚0.1 m，下设砂卵石垫层厚0.1 m。

2.2.2 下游坝坡加固设计

大坝下游坡坡面杂草、灌木丛生，坡面不平整。本次设计进行平整坝坡处理，高程102.15 m以上坡比为1∶2.5，采用草皮护坡，高程102.15 m以下新建贴坡排水，坡比为1∶2.5。

由于大坝渗漏严重，现状下游左坝脚出现大面积的沼泽地，对大坝稳定不利。本次加固对下游坝脚处的沼泽地采用块石回填，块石回填至下游坝基高程。

3 大坝加固设计计算

3.1 渗流计算

大坝加固后的渗流稳定计算方法同大坝安全复核计算，粘土防渗斜墙渗透系数取1×10-5cm/s，其余土层渗透系数见表4。下游水位取大坝下游地面高程98.83 m，大坝加固处理方案典型断面见图1，大坝加固断面各工况下的浸润线及等势线见图2，渗流计算成果见表5。

表4 土层渗透系数取值表

图1 大坝加固典型断面

图2 加固后各工况产生的稳定渗流

表5 大坝防渗加固、前后渗流计算成果表

由计算结果可知（校核水位），大坝现状断面坝体浸润线出逸坡降值为0.2，小于允许坡降值；坝脚最大坡降0.42，大于允许坡降值，坝体、坝基易产生渗透破坏，在未来高水位下坝体的渗流性态存在不安全隐患。现状断面计算渗流量Q=1.18 m3/（d·m）。加固后的大坝设计断面坝体浸润线浸润线出逸坡降值为0.16，小于允许坡降值；坝脚最大坡降0.4，等于允许坡降值。应设置反滤排水体。经防渗处理后的计算渗流量为Q=0.78 m3/（d·m）。设计断面的浸润线出逸点比现状断面的浸润线出逸点低[3]。

3.2 稳定计算

大坝坝坡稳定计算采用粘土防渗斜墙加固及坝坡加固方案渗流计算成果，计算断面、参数、计算程序、孔隙水压力、计算工况的确定见表6。大坝加固后的坝坡稳定计算成果见表6、图3。

表6 大坝加固的坝坡稳定复核计算成果表

由上表计算结果可知，大坝经过防渗及坝坡加固后，大坝在各种工况下上、下游坝坡抗滑稳定安全满足《碾压土石坝设计规范》（SL 274-2001）要求。

图3 有效应力法的应用

4 结论

综上所述，受施工技术水平、使用年限等方面的影响，水库经过长期运行后，不可避免的会出现质量问题，导致其使用功能下降。浒溪水库经及时除险加固，消除了安全隐患，坝体渗漏及大坝稳定均满足要求。