臥虎山水庫大壩防滲系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及優(yōu)選

□劉琳琳 □董永霞（商丘市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院）

一、臥虎山水庫大壩概況

臥虎山水庫為大（2）型水庫，工程等別為II等。水庫運(yùn)行已50多年，工程出現(xiàn)了嚴(yán)重的安全問題，如大壩壩基、壩體和右壩肩存在滲流嚴(yán)重現(xiàn)象，溢洪閘、泄槽邊墻、放水洞存在結(jié)構(gòu)隱患，部分結(jié)構(gòu)已開裂；溢洪道、放水洞無檢修閘門，金屬結(jié)構(gòu)和啟閉設(shè)施陳舊老化；安全監(jiān)測(cè)和管理設(shè)施不完善等。2007年6月，山東省水利廳以魯水管字[2007]24號(hào)文批復(fù)了《臥虎山水庫大壩安全鑒定報(bào)告書》，同意三類壩鑒定結(jié)論。2007年11月，水利部大壩安全管理中心以壩函[2007]2874號(hào)文核查了臥虎山水庫三類壩安全鑒定成果，同意三類壩鑒定結(jié)論意見。臥虎山大壩為粘土寬心墻土石混合壩，最大壩高37.0m，壩頂寬8.75m，壩頂高程139.5m，大壩總長985.0m，大壩壩基為砂礫層，厚3.0～12.2m，壩下齒槽寬10m，部分壩段寬3.0m，其下為寒武系頁巖，巖層傾向西北，傾角3～10°。

二、壩體、壩基防滲處理的必要性

（一）填筑質(zhì)量及沉降變形

從安全鑒定資料可以看出，大壩整體填筑質(zhì)量較差，沉降變形大。大壩實(shí)際壓實(shí)度與規(guī)范規(guī)定最大差別為13.6%,平均在4.5%～9.1%。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，心墻填筑不僅壓實(shí)質(zhì)量差，而且不均勻。對(duì)于這樣的情況，壩體容易發(fā)生裂縫。從壩的竣工后沉降也可得到同樣的結(jié)論。建壩后16a的大壩壩頂平均累計(jì)沉降量為1739mm，達(dá)壩高的4.7%,最大沉降量2632mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了不大于壩高1%的規(guī)定。當(dāng)沉降量大于壩高的1%～3%時(shí)，壩體大多會(huì)發(fā)生裂縫。實(shí)際情況正是如此，在幾次改建和擴(kuò)建后的運(yùn)行過程曾多次出現(xiàn)過多處縱橫向裂縫。其中1964年發(fā)現(xiàn)較大的裂縫12條，總長度389.80m。

（二）心墻防滲料的防滲性能

心墻填筑材料為礫石土（安全鑒定文件稱“壤土夾礫石”），不同剖面的礫石含量大多為5%～10%、10%～20%不等，也有的部位含少量礫石，樁號(hào)0+640剖面的勘察結(jié)果表明，礫石含量最高達(dá)50%。這一數(shù)值已經(jīng)達(dá)到SL274-2001規(guī)定的上限值。不同部位防滲料的滲透系數(shù)為2.30×10-5～7.30×10-5cm/s,大多在5.00×10-5cm/s以上,已經(jīng)大于SL274-2001規(guī)定的心墻防滲料≤1.00×10-5cm/s的規(guī)定。在樁號(hào)0+040～0+140壩段，心墻中普遍夾有粉細(xì)砂薄層透鏡體。這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明壩體的防滲性能不滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

（三）壩基覆蓋層滲透變形

河床壩基砂礫石覆蓋層厚度一般為4.00～8.00m，左岸Ⅱ級(jí)階地下部砂礫石和上部黃土狀壤土總的最大厚度＞25.00m。原設(shè)計(jì)采用開挖截水槽處理，設(shè)計(jì)截水槽底寬10.0m，依此算得原設(shè)計(jì)采用的截水槽填筑土料與壩基巖石接觸面的接觸滲透比降為3.15～3.45，在一般經(jīng)驗(yàn)范圍之內(nèi)。根據(jù)安全鑒定資料，在實(shí)際施工中，樁號(hào)0+140和樁號(hào)0+640等處截水槽的遺留約0.70m厚砂礫石未完全清除。樁號(hào)0+820～0+930壩段實(shí)際開挖的截水槽寬度僅為3.0m。按此算得的接觸滲透比降達(dá)11.5。尤其是對(duì)于風(fēng)化巖石且未進(jìn)行巖面處理的情況，具有產(chǎn)生滲透破壞的危險(xiǎn)。

（四）基巖滲漏

從河床中右部到右岸岸坡基巖面以下10～30m的巖層透水性較強(qiáng)。河床部位透水率達(dá)22.15～82.27Lu,右岸岸坡山體高程106.00～126.00m的透水率達(dá)20.66～62.88Lu,最大為100.79Lu，大于規(guī)范要求的3～5Lu。壩下游岸坡和壩下放水埋涵直接與右岸岸坡連接一側(cè)洞壁的滲漏點(diǎn)達(dá)30多個(gè)，其中最大滲漏點(diǎn)的滲漏量為6.0L/min。也表明壩基淺層基巖滲透性較強(qiáng)。

從上述各項(xiàng)資料分析可以看出，除局部滲漏比較嚴(yán)重外，整個(gè)壩體質(zhì)量差且不均勻，壩體內(nèi)部裂縫較多，心墻防滲料不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。雖然以往曾先后進(jìn)行過幾次壩體灌漿，在一定程度上改善了心墻的防滲性能。但是，許多工程經(jīng)驗(yàn)表明，這種灌漿對(duì)改善整個(gè)心墻質(zhì)量所起的作用并不大。在灌注的泥漿漿脈逐漸排水固結(jié)過程中，固結(jié)變形仍可能形成新的裂縫。壩基覆蓋層開挖過程中，有些部位截水槽底面與壩基巖層接觸處層面未進(jìn)行處理，且表層10多米的巖層透水性較大。這些問題的存在均是大壩發(fā)生滲透破壞的隱患，美國的提堂壩潰決事故就是這種原因引起的。

綜上所述，本次大壩加固設(shè)計(jì)對(duì)壩體、壩基進(jìn)行防滲處理是非常必要的。

三、防滲處理思路

本次對(duì)大壩進(jìn)行防滲處理考慮以下2種設(shè)計(jì)思路：其一，以壩基防滲處理為主的思路，這種處理主要解決壩基覆蓋層的滲透變形、液化和壩基巖層滲漏（包括繞壩滲漏）問題，見方案一。其二，對(duì)壩體、壩基均進(jìn)行防滲處理的思路，見方案二、方案三。

方案一：截水槽部位設(shè)插入心墻≥6m的高壓噴射灌漿防滲墻

該加固方案將壩頂上游134.0m馬道修整后作為施工平臺(tái)，在壩基截水槽中部稍靠上游部位設(shè)高壓旋噴灌漿防滲墻，墻底深入基巖面1m，墻頂設(shè)計(jì)高程定為114.0m，即伸入壩體壤土夾礫石心墻的高度≥6m。范圍為沿全壩長度，左段從溢洪道右邊墻起，右端至右岸岸坡。防滲墻下接灌漿帷幕，帷幕底伸入基巖相對(duì)不透水層5m。帷幕左端與溢洪道鋪蓋齒墻下的帷幕相接，右端深入右壩肩山體。

方案二：高壓噴射灌漿防滲心墻

該加固方案的高壓噴射灌漿防滲心墻布置位置同方案一。仍是將壩頂上游134.0m平臺(tái)修整后作為施工平臺(tái)，在壩基截水槽中部稍靠上游部位設(shè)高壓旋噴灌漿防滲墻。防滲墻下仍為灌漿帷幕。只是防滲心墻頂高程為134.00m，防滲墻的性質(zhì)也變?yōu)榉罎B心墻。

方案三：上游壩面鋪設(shè)復(fù)合土工膜加壩基混凝土防滲墻

結(jié)合上游護(hù)坡拆除重建，在上游壩面鋪設(shè)復(fù)合土工膜。復(fù)合土工膜上部至壩頂，底部至高程115.0m馬道，左側(cè)與溢洪道邊墻連接，右側(cè)與右岸岸坡連接。115.0m平臺(tái)以下的壩體和壩基覆蓋層采用混凝土防滲墻處理。在靠近河床左岸與河床右岸的防滲墻下接灌漿帷幕，帷幕左端與溢洪道鋪蓋齒墻下的帷幕相接，右端深入壩右岸山體。壩面復(fù)合土工膜、防滲墻和灌漿帷幕緊密連接，形成完整的防滲體系。

四、方案優(yōu)選

（一）各方案的分析評(píng)價(jià)

方案一的設(shè)計(jì)思路基于以下認(rèn)識(shí)：雖然心墻防滲料的滲透系數(shù)不滿足規(guī)范要求，但上游壩殼除右壩段一部分采用砂礫石填筑外，也主要是用礫石土（安全鑒定文件稱“壤土夾礫石、壤土夾頁巖”）填筑，滲透系數(shù)為2.1×10-4～8.3×10-5cm/s。從壩體填筑材料分析可知，臥虎山水庫大壩雖然名曰“寬心墻土石壩”，實(shí)際上是“半均質(zhì)壩”。從這種認(rèn)識(shí)出發(fā)，認(rèn)為滲透系數(shù)為2.1×10-4～8.3×10-5cm/s基本滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)防滲料的滲透系數(shù)要求。況且在多次擴(kuò)建過程中和擴(kuò)建后的運(yùn)行中，進(jìn)行了4次壩體灌漿，壩體防滲性能得到一定的改善。但是按這種處理思路提出的方案一不足之處是難以妥善解決壩體防滲安全問題，仍存在一定的安全隱患。分析如下：

從上述壩體質(zhì)量情況和分析可知，壩體填筑質(zhì)量差且很不均勻，壩體灌漿也僅僅是改善了壩軸線兩側(cè)附近的防滲料的防滲性能。對(duì)壩體變形性能的改善并不顯著。工程投入運(yùn)用后，對(duì)于壓實(shí)度僅有88%～94.9%的現(xiàn)壩體，加固工程完成投入正常運(yùn)用，浸潤線隨庫水位升高而抬高，浸潤飽和的上游壩體仍會(huì)產(chǎn)生較大的固結(jié)變形，極可能引起新的壩體裂縫，危及大壩安全。

考慮到方案一仍存在一定的問題，同時(shí)考慮到本工程的安全直接影響到濟(jì)南市、津浦鐵路、黃河、京福高速公路、104國道以及玉符河沿岸村莊的安全。因此提出了對(duì)壩體、壩基均進(jìn)行防滲加固措施，即方案二和方案三，其目的是為進(jìn)一步解決方案一未能解決的問題。兩個(gè)防滲處理方案的共同特點(diǎn)是防滲加固處理后，壩基、壩體能形成完整的防滲體系。

（二）方案二與方案三的分析評(píng)價(jià)

方案二與方案三兩種防滲加固方案有諸多的不同技術(shù)特點(diǎn)，解決問題的程度、大壩安全和工程投資等仍有不同。分析比較如下：

1.壩體變形和滲漏

對(duì)于粘性土壩體而言，壩體的變形主要為壓縮變形和固結(jié)變形。在壩體竣工后，壩體壓縮變形大部分已完成，即使碾壓質(zhì)量差的壩體，投入運(yùn)用后增加的水荷載而產(chǎn)生的壓縮變形也不大。但竣工后壩體的固結(jié)變形并未完成，對(duì)于像臥虎山心墻和上游壩殼填筑質(zhì)量比較差且又非常不均勻的情況，在高水位下的浸潤線升高引起的壩體變形仍會(huì)較大。當(dāng)壩體發(fā)生裂縫時(shí)，對(duì)大壩安全有較大的威脅。根據(jù)運(yùn)行管理資料，水庫運(yùn)行至今，所經(jīng)歷的最高水位僅為129.73m，而常水位在123.0～126.0m范圍變化?？梢灶A(yù)計(jì)當(dāng)正常蓄水位為130.50m時(shí)，壩體仍會(huì)產(chǎn)生較大的變形。

在上游壩面鋪設(shè)復(fù)合土工膜，壩體浸潤線會(huì)大大降低，即使水位上升到正常蓄水位130.50m，也不會(huì)再產(chǎn)生明顯的固結(jié)變形。中央高壓噴射灌漿防滲心墻的滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于礫石土,防滲心墻上游的壩體浸潤線基本與長期作用的水位持平，明顯高于現(xiàn)狀最高的浸潤線?，F(xiàn)狀最高浸潤線與加固后壩體浸潤線之間的壩體將因壩體飽和產(chǎn)生新的較大變形。由于壩體填筑質(zhì)量差且不均勻，很可能產(chǎn)生新的裂縫，對(duì)壩體安全不利。

2.壩坡穩(wěn)定

防滲心墻可有效封堵壩體和壩基滲漏通道，心墻下游浸潤線會(huì)明顯降低。但心墻上游的壩體浸潤線基本與長期作用的庫水位持平，這將對(duì)壩體上游坡水位降落情況下的壩坡穩(wěn)定十分不利。當(dāng)壩體填筑質(zhì)量較差時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生滑坡。臥虎山心墻土石壩的心墻和上游壩殼填筑質(zhì)量均比較差，選用中央高壓噴射灌漿防滲心墻對(duì)上游壩坡產(chǎn)生滑動(dòng)的幾率較大。在上游壩面鋪設(shè)復(fù)合土工膜，膜下游的壩體浸潤線很低，上游壩坡穩(wěn)定基本不受水位降落的影響。

3.施工

復(fù)合土工膜鋪設(shè)、土工膜兩幅之間的連接和土工膜與周邊的連接，以及槽孔混凝土防滲墻等施工技術(shù)均比較成熟。因此SL274-2001將復(fù)合土工膜防滲納入規(guī)范。目前，復(fù)合土工膜在國內(nèi)外壩工、渠系防滲系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外工程長期運(yùn)行情況表明，復(fù)合土工膜適應(yīng)變形能力較強(qiáng)，防滲性能好，近幾年的土壩除險(xiǎn)加固應(yīng)用比較廣泛。盡管高壓噴射灌漿防滲墻施工技術(shù)也比較成熟，但是不同墻段之間連接的可靠性仍不能令人十分放心。這也是最終未將高壓噴射灌漿防滲墻納入SL274-2001的原因之一。

4.投資

方案二需投資1999萬元，方案三需投資1412萬元。

（三）最終防滲加固方案的確定

翻閱所有的安全鑒定資料和業(yè)主提供的原設(shè)計(jì)、竣工資料，沒有看到心墻下游是否設(shè)置反濾層的內(nèi)容。心墻下游與下游壩殼之間填筑的為砂礫石，但未看到對(duì)砂礫石級(jí)配的任何描述，心墻與砂礫石之間、砂礫石與下游頁巖堆石之間是否滿足反濾要求，不得而知。對(duì)于分區(qū)土石壩而言，下游反濾層對(duì)壩的滲透穩(wěn)定安全起著至關(guān)重要的作用。因此，大壩的防滲加固也需要更為穩(wěn)妥的方案。

從上述分析比較可知，采用方案一的防滲加固措施對(duì)壩體壩基的防滲安全沒有明顯的改觀，是不能令人放心的。對(duì)方案二、方案三的比較可以得出結(jié)論，結(jié)合上游護(hù)坡拆除重建，在上游壩面鋪設(shè)復(fù)合土工膜，下部分壩體和壩基采用混凝土防滲墻處理是可行的和合理的。根據(jù)以上分析，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工并主要考慮大壩除險(xiǎn)加固后的效果，推薦方案三，即采用壩體上游坡鋪復(fù)合土工膜、壩基采用混凝土防滲墻、基巖采用帷幕灌漿這一綜合處理的方案。

五、結(jié)語

我國已建的大部分土石壩工程普遍存在防洪標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差的問題，而壩體和壩基的滲透破壞是引發(fā)水庫失事的主要原因之一。根據(jù)目前已實(shí)施的工程經(jīng)驗(yàn)來看，灌漿技術(shù)是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理、適應(yīng)性廣泛的防滲處理手段，值得推廣應(yīng)用。但產(chǎn)生滲漏的原因是多樣的，因而防滲處理手段也不是唯一的，采取灌漿技術(shù)時(shí)，還應(yīng)根據(jù)具體的滲漏原因采取其他相應(yīng)的處理方式使之有機(jī)地結(jié)合。