镇海水库大坝塑性砼防渗墙设计要点分析

赵健彬

（江门市科禹水利规划设计咨询有限公司,广东 江门 529000）

1 工程概况

镇海水库库位于开平市苍城镇以北约10 km的潭江一级支流镇海水的上游,水库右岸为开平市龙胜镇,距龙胜镇政府约12.0 km,是潭江最大的支流。流域总面积 1341 km2,河流长度 70 km,区内地势西北高东南低,属山间盆地型水库。水库集雨面积 128 km2,河长 32.15 km,平均坡降 0.002,相应库容10962×104m3,总库容1.0962亿m3,是一座以灌溉为主,结合防洪、供水、发电、养殖等综合利用的大（2）型水库,属于Ⅱ等水利水电工程,主要建筑物为 2 级,次要建筑物为3级[1]。大坝均为均质土坝,坝顶高程30.30 m,最大坝高18.6 m,坝顶宽7.00 m,防浪墙顶高程为31.20 m。上游坝坡为干砌石护坡,20.65 m 高程以上坡率1∶2,20.70 m ,高程以下坡率1∶3。下游坝坡高程23.00m 处有一宽2.00 m的戗台,戗台以上坝坡1∶2.5,以下1∶2.75。下游反滤体顶高程15.00 m,内坡1∶1,外坡1∶1.5。

由于镇海水库兴建于1958年,受当时施工条件、材料、及技术等因素的制约,现状水库大坝的坝体、坝基存在严重渗漏问题,大坝桩号0+012～0+288段整个坝段渗漏严重,整体渗漏量高达 1.627 L/s,极易发生坝坡散浸、坝体滑坡等险情。为了提高坝体、坝基的防渗性能、保证大坝安全,需对镇海水库大坝进行防渗加固处理。

2 大坝防渗加固设计

2.1 大坝防渗加固方案比选

根据镇海水库大坝渗漏情况,本次大坝防渗选取了高喷灌浆、充填灌浆以及）塑性砼防渗墙等3种防渗加固设计方案进行比较,各方案如下：

2.1.1 高喷灌浆（方案一）

方案一是直接对坝体进行高喷灌浆,主要布置在原坝轴线上,采用1排高压喷射灌浆（三管高压旋喷+摆喷搭接灌浆,摆喷角为30°）,终孔孔距1.20 m,灌浆孔伸至坝基全风化粉砂岩层或强风化粉砂岩层不少于1 m。

2.1.2 充填灌浆（方案二）

方案二是直接对坝体进行充填灌浆,通过在沿距原坝轴线上、下游1.0 m处各布置一排充填灌浆孔,排距2.0 m,孔距2.0 m,按梅花型布孔[2],灌浆孔伸至坝基全风化粉砂岩层或强风化粉砂岩层不少于1 m。

2.1.3 塑性砼防渗墙（方案三）

方案三主要扩宽坝顶路面后浇筑塑性砼防渗墙,墙轴线布置于坝轴线上游0.5 m处,与坝轴线平行,墙体厚度设计为500 mm,墙顶高程为29.50 m,墙底进入坝基全风化粉砂岩层或强风化粉砂岩层不少于1 m。

2.1.4 方案比选

根据镇海水库大坝全坝段都存在不同程度度的渗漏情况,对上述3种防渗加固设计方案进行综合比较（见表1）。

表1 大坝防渗处理方案综合比较

从表1综合比较可以看出,高喷灌浆（方案一）防渗效果虽好,但由于摆喷钻孔处是薄弱部位,施工质量不易控制,且施工周期长、造价高,故不建议采用方案一；充填灌浆（方案二）工程造价低,但长期使用防渗效果较差,施工周期长,质量不易控制,故不推荐使用；塑性砼防渗墙（方案三）虽要求施工场地开阔,但该方案长期防渗效果较好、能长期发挥防渗作用,且施工周期短,价格较低,故推荐选用塑性砼防渗墙（方案三）作为大坝防渗加固设计方案[3]。

2.2 塑性防渗墙设计

2.2.1 防渗墙布置

根据镇海水库大坝渗漏情况,本次在大坝坝体（桩号0+012～0+288段）设计一道塑性砼防渗墙,轴线位于坝轴线上游0.5 m处,与坝轴线平行。考虑市场通用的施工机械设备开槽宽度均大于0.4 m,本工程设计塑性砼防渗墙厚度为0.5 m,墙顶高程为29.50 m；墙底进入全风化粉砂岩层或强风化粉砂岩层不少于1 m。

2.2.2 防渗墙设计指标

参考以往设计经验,结合大坝实际情况,本工程塑性混凝土防渗墙设计指标为：28 d的抗压强度为3 MPa～5 MPa,渗透系数≤1×10-6cm/s,弹性模量小于2000 MPa。根据《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》（SL 174-2014）相关规范,塑性混凝土防渗墙应保证 28 天指标满足设计要求。

2.2.3 墙体材料配合比设计

由于塑性混凝土具有较强的柔韧性,能够承受地基的变形,减小墙体应力,使墙体不易开裂。因此,本工程在选择墙体材料时,可以选用塑性混凝土作为防渗墙的墙体材料。考虑到工程施工工期的迫切性,塑性混凝土的配合比为：水泥218 kg（42.5级普通硅酸盐水泥）,砂917 kg,碎石594 kg,膨润土100 kg,水320 kg,减水剂3.25 kg,施工方应配置合适的配合比,使防渗墙达到设计指标的要求。

3 计算结果分析

3.1 渗流稳定计算

根据镇海水库坝体加固后的情况,本次渗流计算选择大坝（桩号0+158与桩号0+194）典型断面进行计算,见图1、图2。

图1 桩号0+158大坝渗流计算典型断面示意图

图2 桩号0+194大坝渗流计算典型断面示意图

本次渗流计算参数按照确定的渗透系数取值选取,见表2。

表2 大坝渗流计算渗透系数选取表

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020）,大坝渗流按下列几种工况进行计算：

工况一：水库水位为正常蓄水位25.81 m的情况；

工况二：水库水位为设计洪水位27.27 m（P=1%）的情况；

工况三：水库水位为校核洪水位28.36 m（P=0.05%）的情况；

工况四：水库水位为校核洪水位28.36 m降至正常蓄水位25.81 m的情况。

本次渗流分析利用河海大学工程力学研究所研发的“水工结构分析系统 AutoBANK v7.7”软件,计算方法采用有限元法,大（桩号0+158与桩号0+194）各工况下渗流稳定计算结果见表3、表4。

表3 桩号0+158大坝渗流计算成果表

表4 桩号0+194大坝渗流计算成果表

从表3、表4渗流计算结果可以看出,大坝在各种工况下逸出段的渗透比降均小于允许水力比降,大坝加固后渗流安全满足现行规范要求。

3.2 抗滑稳定计算

镇海水库大坝的坝体、坝基塑性砼防渗墙施工后,还需对其抗滑稳定性进行复核,稳定系数按下列公式进行计算：

式中：W为土条重量；V为垂直地震惯性力（向上为负,向下为正）；u为作用于土条底面的孔隙压力；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b为土条宽度；R为圆弧半径；c'、φ'为土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩[4]。

本次复核采用简化毕肖普法,计算参数选取物理力学参数建议值,计算工况按下列几种工况进行计算：

工况一：水库水位为正常蓄水位25.81 m的上下游坡；

工况二：水库水位为设计洪水位27.27 m（P=1%）的上下游坡；

工况三：水库水位为校核洪水位28.36 m（P=0.05%）的下游坡；

工况四：水库水位为校核洪水位28.36 m降至正常蓄水位25.81 m的上游坡。

本次主要采用简化毕肖普法计算稳定渗流期桩号0+158与桩号0+194坝坡最小抗滑稳定安全系数,经计算,在各种工况下,大坝抗滑稳定安全系数均满足现行设计规范的要求。计算结果见表5、表6。

表5 桩号0+158坝坡稳定安全系数成果表

表6 桩号0+194坝坡稳定安全系数成果表

3.3 防渗墙厚度复核

考虑到防渗墙厚度关系到整个墙体的抗渗性能及柔韧性能,在工程施工完成后,还需参考《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）相关规范,按照防渗墙破坏时的水力坡降进行计算塑性砼防渗墙厚度T,计算公式如下：

式中：ΔH为作用在防渗墙上的最大水头差,m；J为防渗墙渗透破坏允许坡降,塑性砼防渗墙取30。

从渗流稳定计算结果得知,大坝在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位3种工况下,在防渗墙上的最大水头差分别为：ΔH1=7.83 m、ΔH2=8.84 m、ΔH3=9.51 m,经计算,塑性砼防渗墙厚度T≥0.324 m。根据《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》规定,防渗墙施工时孔斜率允许不大于0.4%,本工程按墙体最大深度31.98 m计算,允许宽度为0.128 m,设计防渗墙最终厚度T≥0.324+0.128=0.452 m时可满足设计要求,因此,本工程设计塑性砼防渗墙厚度为0.5 m满足设计要求[5]。

4 结语

镇海水库大坝的坝体、坝基渗漏严重,如不及时进行防渗加固,极易引发脱坡、流土以及坝体滑坡等险情,危及水库安全运行。为了提高大坝安全稳定性及防渗性能,拟定了3种防渗加固设计方案,经综合对比,最终选取塑性砼防渗墙防渗加固方案。该方案施工完成后,经渗流稳定、抗滑稳定及防渗墙厚度复核计算,结果均满足设计要求。可见,镇海水库大坝修建塑性砼防渗墙后,不仅从根本上解决了大坝坝体、坝基渗漏隐患,同时还保障了平市市苍城、沙塘、长沙、月山、水口等五个镇人民生命财产安全。