榨房沟水库大坝防渗设计研究

第２４卷第２期　２０１８年２月　水利科技与经济　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｃｏｎｏｍｙ　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．，２０Ｉ８　榨房沟水库大坝防渗设计ｘ０ｔ－究　魏清顺　，孙西欢　，谢玲丽　（１．太原理工大学水利科学与工程学院，太原汉志宏水利水电设计院，武汉４３００７０）　０３００２４；２．山西农业大学城乡建设学院，山西太谷０３０８０１；３．武　［摘要］榨房沟水库经过３０多年运行，工程存在损毁及严重渗漏问题。为确保下游灌溉安　全、继续发挥水库的经济效益，需对水库大坝进行除险加固防渗处理。在对原建工程现状分　析的基础上，提出大坝加固措施，通过比选确定“上游坝坡土３－膜＋基础接触灌浆”作为大坝　防渗设计方案。同时，采用有限元二维稳定渗流计算方法，计算并分析大坝除险加固设计的　防渗效果。经试验验证，该设计方案防渗效果显著，可为类似水库防渗设计提供借鉴和参考。　［关键词］除险加固；防渗设计；土工膜；渗流分析　［中图分类号］ＴＶ２２３　［文献标识码］　Ｂ　［文章编号］　１００６—７１７５（２０１８）０２—００２３—０５　Ｔｈｅ　Ｓｅｅｐａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｚｈａｆａｎｇｇｏｕ　Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　Ｄａｍ　ＷＥＩ　Ｑｉｎｇ—ｓｈｕｎ　，ＳＵＮ　Ｘｉ—ｈｕａｎ　．ＸＩＥ　Ｌｉｎｇ—ｌｉ。　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｕｒｂａｎ　ａｎｄ　Ｒｕｒａｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｘｉ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｉｇｕ　０３０８０　１，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ；３．Ｗｕｈａｎ　Ｚｈｉｈｏｎｇ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ　４３００７０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｔｅｒ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　３０　ｙｅａｒｓ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　Ｚｈａｆａｎｇｇｏｕ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｈａｓ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｌｅａｋａｇｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ａｎｄ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｂｒｉｎｇ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ａｓ　ｂｅｆｏｒｅ，ｄａｍ　ｒｅｉｎｆｏｒｅｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔＢａｓｅｄ　Ｏｉｌ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙ—　．ｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｍ　ｗｅｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ“ｕｐｓｔｒｅａｍ　ｄａｍ　ｓｌｏｐｅ　ｇｅｏｍｅｍｂｒａｎｅ＋ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ”ｗａｓ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｄａｍ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｕｔｉｌｉｚｅｄ　ｆｏｒ　ｃａｌｃｕ—　ｌａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｆｆｅｃｔ．Ｂｙ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｔｅｓｔｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｆｆｅｃｔ　，ｉｓ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｅｅ　ｆｏｒ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｓｅｅｐａｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｅｓｉｇｎ；ｇｅｏｍｅｍｂｒａｎｅ；ｓｅｅｐａｇｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　０　引　—Ｌ　土石坝是世界大坝工程建设中历史最为久　远且应用最为广泛的一种坝型。在我国，土石坝　水库约占水库总数的９３％，为国民经济建设发挥　着重要的作用　。然而，由于早期水库设计标准　［收稿日期］　２０１７—１０—１８　［基金项目］　山西省软科学研究项目（２０１７０４１０３２—２）：山西省农村供水工程现状及发展策略研究；山西省自然科学基　金项目（２０１６０１Ｄ１０２０４５）：导流器对潜水泵性能影响研究．　［作者简介］　魏清顺（１９７８一），男，山西太谷人，副教授，在读博士研究生，主要从事农业水利工程研究工作；谢玲丽　（１９７６一），女，河南驻马店人，高级工程师，硕士，主要从事水利工程设计研究工作．　［通讯作者］　孙西欢（１９６０一），男，山西临猗人，教授，博士，主要从事水力学研究工作．　一２３—　第２４卷第２期　２０１８年２月　水利科技与经济　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｃｕｌ，ｏｍｙ　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．，２０１８　低、施工技术条件制约等不利因素的存在，形成　大量的病险水库，严重影响水库下游安全及工程　效益的发挥　。其中，渗漏是土石坝水库的常　见病险形式之一　。目前，水库大坝的防渗设计　方法主要有黏土防渗斜墙、帷幕灌浆和土工膜合　成材料等。其中，土工膜造价低、施工方便、防渗　效果较好，在工程中已有应用。在水库除险加固　中，如何合理、有效的选择防渗措施，无疑会直接　影响到工程的投资和施工。本工程针对榨房沟　水库大坝现状，采用“上游坝坡土工膜＋基础接　触灌浆”的防渗设计方案，阐述复合土工膜在具　体工程中的应用，并就其防渗效果进行分析，以　期保证下游灌溉安全并为类似水库防渗设计提　供借鉴和参考。　１　工程概况　榨房沟水库地处湖北省宣恩县晓关乡大山　坪村，位于忠建河支流，总库容为２７．４６×１０　ｍ　。　工程于１９７７年８月动工兴建，１９７９年９月竣工　投入运行，是一座以灌溉为主，兼有防洪、供水等　综合利用效益水库。水库属于小（Ⅱ）型水库，工　程等别为Ｖ等，水库设计防洪标准为３０年一遇，　校核洪水标准为３００年一遇，水库枢纽工程主要　由大坝、溢洪道、输水拱涵等建筑物组成。大坝　为黏土斜墙坝，坝顶高程１　２３０．００　ｍ，最大坝高　１３　１ＴＩ，坝顶长３８　１＂１１，坝顶宽１０　ｎｌ，大坝上下游无护　坡，在高程１　２２２　１ＴＩ处设贴坡反滤；溢洪道全长　５０．４　Ｉ１１，净宽１．５　ｎｑ；输水拱涵为浆砌石结构，断　面尺寸０．５　ｍ×１．０　Ｉｌｌ。　水库大坝在３０多年的运行过程中，暴露出　来的主要问题有：大坝及斜墙欠高（大坝欠高　０．３５　ｍ，斜墙欠高２．３９　ｍ），水库防洪能力不满足　规范要求；大坝坝顶凹凸不平，形状不规则，上下　游无护坡，变形、垮塌严重；斜墙填筑土料渗透系　数偏大，渗流性态不满足规范要求，坝基漏水严　重；排水反滤设施损毁。　由于上述问题的存在，严重阻碍了水库大坝　的安全运行与管理。经鉴定，被水利部列为“三　类坝”。为确保下游群众的生命财产安全和下游　农田的灌溉以及养殖效益的正常发挥，对榨房沟　水库大坝进行除险加固是十分必要的。　２　大坝加固设计　针对榨房沟水库大坝现状及存在的现实问　一２４～　题，大坝加固设计可从坝顶加固、大坝防渗、上游　坝坡加固和下游坝坡加固４个方面加以实施。　根据水库调洪演算，可将现状坝顶高程　１　２３０．００　ｍ加高到１　２３０．５０　１１１，解决坝顶欠高问　题。由于原坝顶宽度为１０　ＩＴＩ，坝顶较宽，而且上　下游坝坡较陡需要进行削坡，同时考虑到防汛交　通和运行管理的需要，将坝顶宽设计为５．０　Ｉｌｌ，并　铺设厚３０　ｃｍ的泥结石路面。　大坝防渗处理选择两种方案进行比选：①新　老黏土斜墙＋基础接触灌浆方案；②老黏土斜墙　＋上游坝坡土工膜＋基础接触灌浆方案。　根据工程实际情况，对上游坝坡进行削坡处　理，并对上游坝坡整体采用混凝土格栅Ｍ７．５干　砌块石护坡，格栅间距３．０　Ｉｌｌ，起护高程从　１　２２３．００　ｍ至坝顶。下游坝坡同样采用削坡处　理，对坝坡滑塌部位进行培坡处理并对下游坝坡　整体采用草皮护坡。在坝脚设３００　ａｍ×４００　ｍｍ　纵向排水沟，采用Ｍ７．５浆砌石结构，水泥砂浆抹　面。采用重建排水棱体，毹决原大坝排水反滤设　施损毁的问题。　３　防渗方案比选　３．１方案一（比较方案）：新老黏土斜墙＋基础　接触灌浆方案　此方案主要是对坝体和溢洪道前基础进行　接触灌浆，在上游马道以上原坝坡代料土全部清　除，新建黏土防渗斜墙。利用新建及原有的黏土　斜墙和坝基接触灌浆来防渗。　３．１．１坝基防渗处理　根据工程实际，需要对坝体基础和溢洪道进　口前的基础进行接触灌浆。坝体基础接触灌浆　分为坝基和坝肩两部分：坝基部分布置在黏土斜　墙下方，与马道中心线同轴；坝肩部分要沿着上　游马道以上坝坡与右岸坡的交线延伸布置，直到　右坝肩。溢洪道进口基础接触灌浆要平行于进　口布置，右侧与坝体充填灌浆下面帷幕相交闭　合，左侧延伸至与天然岩体相交处。根据以上原　则，确定灌浆轴线长５８　ｍ。坝基灌浆单排布孑Ｌ，孔　距１．５　ＩＴＩ。与此同时，根据工程地质资料并参考有　关工程实例，确定接触灌浆深人坝体０．５　Ｉ１３，深入　基岩１．５　ｎｑ，总深度为２．０　ｍ。　接触灌浆单排布置，孔距１．５　１ＴＩ，钻孔孑Ｌ径　５０　ｆｉｌｍ。灌注材料以水泥灌浆为主。为确保灌浆　质量，要求使用强度等级不低于４２．５　ＭＰａ的普通　魏清顺，等：榨房沟水库大坝防渗设计研究　硅酸盐水泥，细度要求通过４　９００￣Ｌ／ｃｍ　标准筛　第２期　待充填灌浆和接触灌浆施工结束后，对马道以上　坝坡挖除代料，开挖坡度为１：２，回填黏土至坝顶　高程ｌ　２３０．５０　ｔｎ，形成黏土斜墙，其斜墙应与原有　的筛余量不超过２％。灌浆压力在０．１～　０．２　ＭＰａ。　３．１．２新建上游斜墙　由于大坝斜墙欠高，当水位超过斜墙顶高程　的黏土斜墙充分衔接。黏土斜墙的底部最小厚　度大于其承担水头的１／５，满足防渗要求。结合　工程实际并考虑施工方便，确定其斜墙厚度均为　２　ｍ。回填后，上游坝坡在马道以下坡度为１：２．２，　马道以上坡度为１：２。具体见图１。　１　２２８．５０　ｍ时，水仍然会渗入坝体，本方案拟在上　游马道高程１　２２６．５０　ｍ至坝顶高程１　２３０．５０　ｍ新　修黏土斜墙来防渗。将上游马道作为施工平台，　原埂坡线　ｉ　ｓ　原坝坡线　反滤层　排水棱体　Ｍ７－５浆砌石　图１　比较方案大坝加固横断面　３．２方案二（推荐方案）：上游坝坡土工膜＋基　础接触灌浆方案　设土工膜，对坝体基础和溢洪道前基础采用接触　灌浆防渗处理。利用原黏土斜墙、新增的土工膜　此方案主要是对坝体防渗采用上游坝坡铺　和接触灌浆形成的防渗体共同来防渗。见图２。　路面厚３００衄　、　＝一　草皮护坡　。。暾线　、逛ｎ　。。。。。’　．一　原埂坡线　ｓ　～　……………——反穗　ｊ　劫　图２推荐方案大坝加固横断面　３．２．１接触灌浆设计　的坝坡铺设复合土工膜来防渗。铺设范围主要　是从死水位到坝顶段的坝坡，土工膜的型号采用　接触灌浆的布置、深度、灌浆孑Ｌ排数、孔距和　灌注材料等都与方案一相同。不同之处在于坝　体段钻孔时，方案二直接从马道下面坝体开始钻　孑Ｌ，而方案一是通过预留孑Ｌ从基岩开始钻孑Ｌ。　３．２．２　复合土工膜防渗设计　复合土工膜（两布一膜）。　铺设土工膜前首先要清除上游坝坡代料土　上的碎石、草皮、树根等杂物，然后在坝坡代料土　表面铺一层厚ｌＯｃｍ的粗砂，然后铺设复合土工　由于接触灌浆只是对坝体和坝基结合部位　进行处理，对于坝体的渗漏，采用在死水位以上　膜，并做好与底端防渗斜墙、顶端坝顶、两端坝山　结合部位的衔接处理，从而形成一道连续的防渗　一２５—　第２４卷第２期　２０１８年２月　体系。　水利科技与经济　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｃｏｎｏｍｙ　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．，２０１８　表１防渗方案比较　土工膜铺设时，将土工膜沿坝坡自下而上纵　向铺设，回填保护层与铺设土工膜同步进行，先　填防滑槽，再填坡面，边填边夯实。土工膜保护　层分为３层：其下层为厚１００　ｍｍ的中粗砂，上设　厚２００　ｍｍ的粗砂，粗砂上层为厚３００　ｍｍ的混凝　土格栅干砌石护坡。土工膜在坝坡与岸坡结合　方案一马道以上坝体部分采用黏土斜墙防　渗，方案二采用复合土工膜防渗；黏土斜墙属于　经过无数工程检验的行之有效的防渗措施，复合　土工膜防渗能力也较强，并且接头的衔接质量在　施工中也可以保证。方案二铺设土工膜比方案　一处开挖梯形槽，用Ｃ２０Ｗ６ＦＩＯ０素混凝土埋固好，　土工膜底部埋入坝坡开挖的沟槽内，并与防渗斜　墙形成连续的防渗体，土工膜顶部埋人坝顶部固　定槽内。利用原黏土斜墙、新增的土工膜和坝基　建造黏土斜墙的施工工艺简单。工程造价方　接触灌浆形成连续的防渗体共同来防渗。　复合土工膜防水抗渗能力强，结构简单，施　工干扰小，工期较短　ｊ。但衔接部位是渗漏薄弱　环节，经常在接头部位出现衔接问题。另一方　面，在施工中复合土工膜稍不小心就会被破坏，　从而破坏其整体防渗效果。然而就本地区目前　面，方案二的直接投资比方案一的直接投资要少。　经以上综合比较及经济分析并结合榨房沟水库的　实际工程条件，坝体的防渗处理采用方案二。　４防渗效果分析　大坝防渗效果一般可从渗流量、渗透坡降　值、浸润线和溢出点等几个方面进行评价　７１。榨　应用情况来看，复合土工膜在用于坝体防渗的技　术已相对成熟，采用复合土工膜进行防渗，其衔　接质量在本地区能够保证。　３．３防渗方案比较　房沟水库大坝渗流计算采用有限元二维稳定渗　流计算方法，计算断面为河床最大断面。基岩渗　流按多孔介质，土层渗透性按各向同性考虑　Ｊ。　４．１　大坝渗流计算工况　榨房沟水库大坝防渗可从防渗的可靠性、施　工难易程度、工程投资等３个方面进行比较　，　具体见表１。　大坝渗流计算工况见表２。　表２大坝渗流计算工况　表３土层渗透系数取值表（加固后）　４．２土层分区和渗透系数选取　除现状渗流分区外，需增加防渗处理区及坝　脚反滤体，因土工膜渗透系数很小，除险加固后　土工膜渗流计算参数可换算为渗透系数　１×１０。ｃｍ／ｓ的厚１　ｍ黏土层进行计算。加固后　大坝土层各区渗透系数见表３。　４．３计算结果及分析　４．３．１　大坝加固前二维渗流计算　各种工况下，坝坡出逸坡降及渗透量见表４。　一２６一　魏清顺，等：榨房沟水库大坝防渗设计研究　表４大坝加固前二维渗流有限元计算成果　第２期　由计算结果可知，加固前斜墙与坝基接触面　坡降较大，不满足要求。另外，由计算可知，大坝　在设计、校核情况下，漫坝，在正常蓄水位情况下　浸润线在坝坡出逸，且出逸点较高；渗漏量大，对　水库效益影响大。　４．３．２大坝加固后二维渗流计算　最大渗透坡降为０．５　１，下游坝坡最大水平渗透坡　降为１．８３。根据地勘资料可知，黏土斜墙与基岩　接触的允许渗透坡降［Ｊ］：０．６５，后坡代料的允　许渗透坡降［１，］：０．３０，则上述工况下，黏土斜墙　与岩基接触坡降均在此范围内，而下游坝坡渗透　大坝加固后，渗流计算见表５。　表５大坝加固后二维渗流有限元计算成果　由计算结果可知，加固后，在以上各种工况　下，大坝单宽渗流量减小，浸润线均进入下游反　素，满足技术和经济的设计要求。该设计方案已　在工程中成功应用，保障了下游灌溉安全，为类　似水库除险加固防渗设计提供借鉴和参考。　［参考文献］　［１］陈宏臻，刘长武，王建有．槐树嘴水库大坝防渗措施　滤体，表明防渗体阻水能力强。另外，斜墙与坝　基接触面最大渗透坡降为０．４１，下游坝坡最大水　平渗透坡降为０．０６。由地质资料可知，黏土斜墙　与基岩接触的允许渗透坡降［Ｊ］＝０．６５，后坡代　料的允许渗透坡降［Ｊ］＝０．３０，故渗流坡降均能　满足要求，不存在渗透破坏现象。　综上所述，榨房沟水库大坝加固所采用“上　游坝坡土工膜＋基础接触灌浆”方案经济可行，　及其防渗效果分析［Ｊ］．水利建设与管理，２ｏ１６（１）：　５６—５９．　［２］周红．大型输配水工程水源保护措施的研究与应用　［Ｊ］．水资源开发与管理，２ｏ１５（２）：３８—４０．　防渗效果显著，能够保证大坝不发生渗漏破坏。　［３］韩文娟．库水位降落时均质土石坝非稳定渗流分析　［Ｄ］．扬州：扬州大学，２００６．　［４］李志丽，程显琼．浅谈土石坝渗漏原因及处理措施　５　结　语　榨房沟水库大坝经过防渗加固处理后，在正　常蓄水位情况下，坝址与下游坝坡的最大水平渗　［Ｊ］．城市建设理论研究（电子版），２ｏ１５，５（３）：３８—　４０．　［５］李立刚．西霞院工程土丁膜防渗技术的进一步探讨　［Ｊ］．人民黄河，２ｏ１２，３４（１１）：ｌ１１一】１２．　［６］陈发义，黄海玲，高世荣．土石坝应用土工膜防渗设　计的几个问题［Ｊ］．水利与建筑工程学报，１９９６（１）：　５～８．　透坡降均在允许范围内，且大坝单宽渗流量减　小，浸润线均进入下游反滤体，防渗效果显著，能　够保证大坝不发生渗流破坏，大坝除险加固防渗　设计方案切实可行。　大坝防渗采用的“上游坝坡土工膜＋基础接　触灌浆”设计方案，既能有效解决工程实际运行　［７］程从稳，马莹．大板水库大坝防渗加固措施及其效　果评价［Ｊ］．水电能源科学，２Ｏｌ１，２９（４）：８６—８８．　［８］郭晓军．十三陵水库防渗效果分析［Ｊ］．水利水电技　术，２ｏ１３，４４（１１）：ｌＯｌ—ｌＯ４．　中坝体渗漏严重的问题，同时又满足除险加固设　计需从原建筑物运用现状出发，综合考虑多种因　～２７—