劉樓水庫防滲穩(wěn)定分析及措施

馬崇金

（菏澤市定陶區(qū)水務局，山東 菏澤274100）

劉樓水庫位于山東省菏澤市定陶區(qū)城西南部1.5 km處，庫址東臨菏曹運河和臨商公路（259省道），是新建中型平原水庫，工程等級為Ⅲ等，投資5.67億元；主要是為了調(diào)蓄定陶區(qū)引黃水量和居民生活用水及農(nóng)田灌溉用水問題。水庫設計蓄水位51.70 m，總庫容1 127萬m3，永久占地141.15 hm2。主要建筑物包括大壩、入庫泵站、出庫泵站、交通橋，水庫大壩為均質(zhì)土壩，壩長5 050 m，壩頂高程53.00 m，壩頂寬6.0 m。根據(jù)地層結構特征，整個壩基可作為一個滲漏段。由于透水層具中等透水性，壩基滲漏量會較大，存在較大的滲流安全隱患。

1 壩體滲流安全分析

采用北京理正巖土二維有限元滲流計算程序進行天然狀態(tài)下滲流計算。根據(jù)壩段地形特點、壩基地質(zhì)情況及蓄水位變化情況等資料，選擇0+000、1+200、2+600、4+200四個斷面進行分析。

1.1 滲流計算水位組合

庫內(nèi)設計蓄水位51.70 m，庫外水位46.94 m（菏曹運河平均水位）；庫內(nèi)1/3壩高水位50.47 m，庫外水位46.94 m；庫內(nèi)平均水位47.00 m，庫外水位46.94 m。

1.2 滲流量計算結果

滲流量計算結果，見表1。

表1 天然狀態(tài)單寬滲漏量結果表m3·d-1·m-1

1.3 各水位組合工況下壩后出逸比降

各水位組合工況下壩后出逸比降，見表2。

表2 天然狀態(tài)出逸比降結果表

1.4 下游壩坡允許比降

根據(jù)地質(zhì)資料，下游壩坡及截滲溝允許比降見表3。

表3 下游壩坡及截滲溝允許比降統(tǒng)計表

由以上成果表可以看出，典型斷面下游壩坡及截滲溝在各種工況下出逸比降于允許比降，坡面滲流穩(wěn)定。

整個圍壩在未考慮防滲措施的情況下，水庫正常蓄水位51.70 m，年滲漏量達132.28萬m3，占總庫容的11.73%，滲漏較嚴重，須采取可靠的防滲措施。

2 大壩防滲方案選擇設計

2.1 防滲方案比選

1）方案一，塑性混凝土防滲墻。塑性混凝土防滲墻是水工建筑中經(jīng)常采用的一種用于防滲的地下連續(xù)墻，防滲效果較好。其施工工藝是利用專用的機械設備造槽，并在槽孔內(nèi)注滿泥漿，以防孔壁塌落，最后用導管在注滿泥漿的槽孔內(nèi)澆注摻有30%左右泥漿的混凝土并置換出泥漿，筑成塑性混凝土墻體。

劉樓水庫工程防滲墻軸線沿壩軸線布置，將壩體壩基同時截滲。防滲墻嵌入第⑦層砂壤土內(nèi)1 m，經(jīng)計算，墻厚擬定為30 cm，墻體滲透系數(shù)應小于1×10-6cm/s。

2）方案二，高壓噴射灌漿。高壓噴射灌漿是利用鉆機造孔，然后把帶有噴頭的灌漿管下至土層預定位置，以高壓把漿液或水從噴嘴中噴射出來，形成噴射流沖擊破壞土層，土粒從土體上剝落下來后，一部分細小土粒隨漿液冒出地面，其余部分與灌入的漿液混合摻攪，在土體中形成凝結體。

劉樓水庫工程防滲墻軸線沿沿壩軸線布置，將壩體壩基同時截滲。初步擬定設置單排孔，折線形連接，孔距1.5 m，防滲墻嵌入第⑦層砂壤土內(nèi)1 m。防滲墻施工采用擺噴，擺角40°，平均墻厚不小于25 cm，墻體滲透系數(shù)應小于1×10-6cm/s。

3）方案三，多頭小直徑攪拌樁。多頭小直徑攪拌樁板墻技術是利用特制的多頭小直徑攪拌樁機，按設計要求把摻有12%左右的水泥漿噴入土體并攪拌形成水泥土墻。適用于黏土、砂土、中粗砂地層地，最大成墻深度18.0 m。

多頭小直徑攪拌樁板墻方案，適用范圍較廣，但劉樓水庫工程截滲深度為12.5～16.3 m，已經(jīng)接近其極限成墻深度，隨著樁長的增加，極易出現(xiàn)斷樁、搭接不嚴等現(xiàn)象，施工難度極大，施工質(zhì)量不易保證。

綜合比較以上3種方案，結合劉樓水庫工程的實際，截滲深度內(nèi)土層均為中等透水層，主要為壤土和砂壤土，截滲深度13.3～18.0 m。塑性混凝土防滲墻造價適中，且可靠性高，為保證水庫建成后能正常運行，壩基截滲選取方案一塑性混凝土防滲墻方案。

2.2 塑性混凝土防滲墻厚度計算

防滲墻在滲透壓力作用下，其耐久性取決于侵蝕破壞作用。因此，防滲墻的厚度與其破壞時的水力梯度按下式計算：

式中：JP為防滲墻允許水力梯度；H為防滲墻承受的最大水頭；Jmax為防滲墻破壞時的極限水力梯度；K為安全系數(shù)，一般采用K=5。

經(jīng)計算，B=0.30 m。

2.3 截滲深度

塑性混凝土防滲墻壩體部分長度為3.8 m，壩基部分嵌入第⑦層砂壤土內(nèi)1 m，根據(jù)地質(zhì)資料，各斷面壩基截滲深度見表4。

表4 壩基截滲深度統(tǒng)計表m

3 壩體滲流穩(wěn)定驗算

3.1 計算方法及計算斷面

劉樓水庫壩基采用塑性混凝土防滲墻截滲方案，采用北京理正巖土二維有限元滲流計算程序進行分析。根據(jù)壩段地形特點、壩基地質(zhì)情況及蓄水位變化情況等資料，選擇0+000、1+200、2+600、4+200四個斷面進行分析。

3.2 滲流計算水位組合

1）庫內(nèi)設計蓄水位51.70 m，庫外水位46.94 m（菏曹運河平均水位）。

2）庫內(nèi)1/3壩高水位50.47 m，庫外水位46.94 m。

3）庫內(nèi)平均水位47.00 m，庫外水位46.94 m。

3.3 滲流計算結果

各種工況滲流計算結果，見表5。

表5 滲流計算結果

根據(jù)單寬米滲漏量計算結果計算，水庫正常蓄水位51.70 m，年滲漏量36.24萬m3，比采取截滲措施前減少96.04萬m3。

3.4 計算分析

采用防滲措施后，正常蓄水位年滲漏量為36.24萬m3（占總庫容3.22%），符合規(guī)范年滲漏量控制在總庫容的6%～10%以內(nèi)的要求。從滲流穩(wěn)定分析計算結果看，下游壩坡及截滲溝不存在滲透穩(wěn)定問題。通過以上防滲處理方案，較為徹底地解決了大壩滲透穩(wěn)定問題。