某中型水库下游坝坡面渗漏处理措施探究

郭 龙

（甘肃大禹节水工程设计有限责任公司,甘肃 兰州 730000）

1 工程概况

某中型水库总库容3878 万m3,是一座以灌溉为主、兼顾防洪的Ⅲ等中型工程。水库于1958 年动工兴建,经过四期坝高加固后于1996 年完成现有规模,2003 年对水库进行除险加固并通过验收,至今运行状况良好,2018 年完成安全评价,水库为一类坝[1]。水库于2020 年2 月23 日16 时30 分在库水位1569.86 m（低于正常蓄水位0.03 m）下大坝后坝坡出现渗水,渗水位置分别位于坝轴线桩号坝横0+153 m,高程1568.19 m和坝横0+153 m,高程1568.86 m处,渗湿影响范围顺坡长1.0 m,宽0.5 m,经量测1#渗水点（坝轴线0+153 m,高程1568.19 m）位置为最大渗水点,最大渗出量为 8.73 L/s。针对本次渗水险情,国家水利部、省水利厅高度重视,省水利厅当即派出专家组现场查看研判险情,做出降低水位等应急措施,25 日开始,水库因渗漏问题开始降水位运行,水位降至1569.50 m以下运行,坝后渗流量为7.48 L/s~6.19 L/s。根据水利部、省水利厅领导做出的批示,要求汛前必须将险情排除,完成应急处理。本文主要根据现场勘察及资料收集等,提出水库的防渗应急措施。

2 大坝险情工程地质评价

大坝后坝坡出现渗水险情后,在坝顶中部布置3 个探坑（见图1、图2）,根据探坑揭示[2],表层10 cm为坝顶路面混凝土,中部填筑砂碎石厚约175 cm,下部上游侧为混凝土或浆砌石（防浪墙基础）,下游侧为粉质壤土（壤土斜墙）,坑身及坑底未见裂缝,壤土斜墙顶部与防浪墙基础顶面基本持平,防浪墙基础宽约140 cm,为混凝土、浆砌石,防浪墙为混凝土结构,顶部宽约63 cm,墙底宽约80 cm,与基础衔接部位局部残留有约10 cm厚的砂碎石,透水性强,防浪墙里侧局部浇有混凝土,水平厚度约40 cm,浇筑质量较差,锤敲易剥落。

图2 防浪墙基础探查情况

现场测量壤土斜墙顶面与防浪墙基础顶面高程为1569.6 m~1569.7 m,1994 年水库扩建后,壤土斜墙顶面设计高程为1569.9 m,根据大坝变形监测资料,1995 年~2017 年累计沉降在2 cm~23.5 cm之间,其中坝顶中部最大沉降23.5 cm,基本与本次探坑揭示的壤土斜墙顶面高程相吻合。2020 年2 月23 日水库在正常蓄水位1569.89 m运行时,库水位高于壤土斜墙顶面约20 cm~30 cm,库水沿防浪墙底部约10 cm厚的砂碎石发生渗流,溢水点位于大坝中部坝后坡1566.66 m~1568.15 m高程附近,桩号0+153 处存在贯通渗漏通道。

3 方案比选

3.1 方案布置

根据坝顶细部结构原设计和现状情况,应急处理布置拟定两个方案[3]：方案一 是拆除坝顶原防浪墙、坝顶道路等,加高壤土斜墙、新建防浪墙、坝顶道路和电 缆沟等,典型横断面设计见图3；方案二不拆防浪墙,只拆除坝顶道路等,加高壤土斜墙、新建坝顶道路和电缆沟等。

图3 坝顶拆除典型横剖面图

图4 坝顶新建典型横断面图

3.2 方案比选

本文分别从工程地质、总体布置、施工和工程投资等方面进行方案比选。

（1）工程地质方面

两方案壤土斜墙填筑高程相同,方案一拆除原浆砌石防浪墙并新建C25 钢筋砼“L”型防浪墙,彻底解决了原防浪墙局部砂碎石透水通道问题,防浪墙底部与基础可较好衔接；方案二不拆除原浆砌石防浪墙,原防浪墙局部砂碎石透水通道问题未得到根本解决,并且原浆砌石防浪墙与防渗体壤土斜墙未可靠衔接。从工程地质角度分析,方案一优于方案二。

（2）工程布置方面

两方案防渗体顶高程相同。方案一新建C25钢筋砼“L”型防浪墙,且与壤土斜墙紧密结合；方案二原浆砌石防浪墙基础存在透水夹层,且浇筑质量较差,不满足上述规范要求。从工程布置方面分析,方案一优于方案二。

（3）施工方面

两方案施工条件基本相同,主体工程施工以及施工总体布置相差不大。方案一需要新建C25钢筋砼“L”型防浪墙和上游拆除的浆砌石护坡；方案二不拆除防浪墙,但施工时需对防渗体与防浪墙接触面做特殊处理（具有一定施工难度）,保证其与原防浪墙的紧密接触。从工程施工方面分析,方案一略优于方案二。

（4）工程投资方面

根据两方案主体建筑工程投资可知,方案一投资291.20 万元,方案二投资131.36 万元,方案二比方案一节省一次性投资159.84 万元。由于原浆砌石防浪墙基础存在透水夹层,且浇筑质量较差,并且建成后已运行二十几年,方案二不拆除原浆砌石防浪墙,会埋下安全隐患,会造成二次修复或处理问题。综上所述,从工程地质和工程布置方面考虑,方案一优于方案二,从施工角度看,两方案大体相同,工程投资方案二优于方案一,但存在安全隐患,造成多次处理,投资叠加等问题,因此推荐方案一：拆除原浆砌石防浪墙方案。

3.3 应急处理设计

本次水库大坝应急处理主要是对坝顶部分拆除重建。坝顶开挖至建基面,拆除防浪墙、坝顶道路等,加高粘土斜墙,新建C25 钢筋砼“L”型防浪墙、坝顶道路和电缆沟等。

3.3.1 应急处理特征高程确定

（1）开挖面高程确定

开挖面高程的确定主要考虑两个因素：一是现状防浪墙底高程；二是现状壤土斜墙顶高程。

本次处理要挖除防浪墙,至少要挖至现状防浪墙底部。测得现状防浪墙底高程为1569.30 m,考虑到探槽开挖的仅是局部位置,应按原设计开挖到1569.10 m 高程。

壤土斜墙顶部,至少要从现状高程下挖一层,使新旧材料能更好结合。现状壤土斜墙顶高程为1569.59 m,下挖一层的厚度可定义为30 cm或50 cm,则开挖面高程为1569.30 m或是1569.10 m。考虑施工因素,开挖面齐平比较合理,故开挖面高程确定为1569.10 m。

（2）壤土斜墙顶高程确定

防渗体顶高程的规范要求是不得低于正常运用的静水位,应预留竣工后的沉降超高。

正常运用的静水位在本工程中是指正常蓄水位,即1569.89 m,本次设计斜 墙顶部高出正常蓄水位的值取20 cm。

根据该水库安全评价关于沉降变形的分析结论：“1995 年至今沉降呈现逐步收敛趋势,目前沉降速率已小于1.0 mm/年”,原坝体的沉降很小,新填部分的厚度仅约1.0 m,竣工后沉降量不大,竣工后的沉降超高值取6 cm,壤土斜墙顶高程确定为1570.15 m。

（3）其他特征高程确定

本次应急处理水库特征水位不变,对应坝顶高程、防浪墙顶高程等均维持原设计高程,坝顶高程1571.55 m,防浪墙顶高程1572.80 m。

3.3.2 坝顶构造设计

（1）坝顶宽度

坝顶宽度根据构造、施工、运行和抗震等因素确定为5 m,满足交通、观测等方面的要求。

（2）坝顶道路设计

坝顶道路采用现浇C20 砼,混凝土抗冻等级为F250,厚度0.25 m,每5 m 设置一道伸缩缝,缝宽2 cm,由高密度闭孔泡沫板填塞；坝顶排水设计坝顶道路向上游侧排水,设计纵坡1%,新建防浪墙在坝顶处预埋排水管,排水管为DN100 钢管壁厚=5 mm,设计纵坡3%。

（3）防浪墙设计

新建防浪墙总高3.75 m, 墙底设计高程1569.10 m,墙顶设计高程1572.80 m,高出坝顶1.25 m,防浪墙为现浇C25 钢筋砼“L”型结构,顶宽0.50 m,基础底宽1.95 m,混凝土抗冻等级为F250 ,抗渗等级W4,该水库属“4 A”级景区,坝顶以上部分采用仿石砖外墙面装饰；防浪墙每10m设置一道伸缩缝,缝宽2 cm,伸缩缝止水采用652 型橡胶止水带,伸缩缝由高密度闭孔泡沫板填塞,迎水面采用3 cm厚聚氯乙烯胶泥填充,止水带向下伸至壤土斜墙0.5 m。

（4）电缆沟设计

为满足大坝自动化监测需要,坝顶下游侧新建0.6 m×0.6 m的现浇C 25 钢筋砼电缆沟,混凝土抗冻等级为F250 ,底板和边墙厚度为0.3 m,电缆沟盖板为预制C25 钢筋砼,板厚0.08 m,电缆沟每10 m设置一道伸缩缝,缝宽2 cm,伸缩缝由高密度闭孔泡沫板填塞,坝顶下游侧设1.2 m高的不锈钢栏杆。

（5）上下游坝坡恢复设计

根据坝顶拆除具体情况,需恢复上游M10 浆砌石护坡（高程1570.20 m以上）,厚度0.40 m,施工时应注意浆砌石护坡新旧结合面的处理,恢复下游干砌石护坡（高程1569.10 m以上）,厚度0.30 m。

（6）坝顶其他细部构造设计

应急处理坝顶开挖时,拆除上下游坝坡的8 个观测墩,拆除时需对测压管进行必要保护,并新建8 座现浇C20 砼观测墩。为方便防浪墙顶检修,坝顶设三处坝顶至防浪墙顶现浇C20 砼踏步,踏步尺寸长×高0.3 m×0.2 m,踏步宽0.8 m。

为保证大坝渗流监测的正常运行,清除坝后4 处测压管的淤堵。

3.3.3 防渗体设计

本次应急处理防渗体采用壤土斜墙型式,顶高程确定为1570.15 m。防渗材料为壤土,防渗性能指标要求渗透系数不大于10-5cm/s,水溶盐含量不大于3%（按质量计的）,有机质含量不大于2%,黏粒含量按15%~30%控制。塑性指标：塑性指数Ip=10~20,含水率按照最优含水率-2%~+3%范围。本工程设计地震烈度为8 度,壤土填筑要求压实度不低于98%。

3.3.4 反滤料和坝壳料设计

本次处理拆除了原防浪墙,拟填筑高程1569.10 m~1570.1 m的壤土斜墙,故涉及到原拆除上游坝坡反滤层的恢复和新填筑壤土斜墙下游侧反滤层的设计。

两处反滤层的厚度和设计坡比与原设计相同,上游侧浆砌石护坡下设两层反滤层,厚度分别为0.7 m（粒径d=20 mm~150 mm）和0.73 m（粒径d≤20 mm）,新填筑壤土斜墙下游侧反滤层设计坡比1∶1.0,厚度为0.7 m（粒径d≤20 mm）,反滤料中粒径小于 0.075 mm的颗粒含量应不超过5 %。

本次应急处理坝壳料采用砂砾石填筑,要求砂砾石相对密度不低于0.75。

3.3.5 坝体与岸坡及其他建筑物的连接设计

开挖两岸岸坡应清除表面松动石块、凹处积土和突出的岩石,新建壤土斜墙和反滤层与两岸开挖新鲜基岩面可靠连接,土质防渗体与两岸岩石边坡接触处,在邻近接触面1.0 m范围内,防渗体采用粘土,并且粘土应控制在略高于最优含水率情况下填筑,在填筑前用粘土浆抹面。

岸坡应大致平顺,不应成台阶状、反坡或突然变坡,岸坡上缓下陡时,变坡角应小于20°,岩石边坡不宜陡于1∶0.5,岸坡应保持施工期稳定。

4 结论及建议

通过大坝险情勘察、观测资料分析,采取拆除坝顶道路、防浪墙,挖除现状防渗体顶面以上的填筑砂碎石,开挖面以上填筑壤土斜墙、砂碎石,壤土斜墙顶 面高于正常蓄水位,并预留竣工后的沉降超高,同时新建防浪墙扩大基础,并做 好防浪墙底部与基础的衔接等措施,有效解决了水库下游坝坡渗漏险情甚至由此可能造成的不可估量的损失,挽救了下游人民的生命及财产安全。