常莊水庫壩基滲漏處理研究

□屈艷紅 □張文峰 □王長海（河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司）

1.水庫概況

常莊水庫位于鄭州市市區(qū)西南的賈魯河支流賈峪河上，壩址位于鄭州市中原區(qū)須水鎮(zhèn)常莊村，水庫控制流域面積82km2，水庫下游為鄭州市區(qū)，有京廣、隴海兩大鐵路干線和連霍高速、310國道等，京廣客運(yùn)專線經(jīng)過水庫下游，水庫地理位置非常重要，常莊水庫按大型水庫管理。

2.壩體采取防滲措施的必要性

主壩為均質(zhì)土壩，壩基采用粘土截滲槽防滲。大壩于1959年12月開工興建，壩體填筑較快，至1960年2月，僅3個(gè)月時(shí)間，大壩便完工蓄水。1961年4月，大壩左端與臺(tái)地結(jié)合處出現(xiàn)弧形裂縫，縫寬1cm，深1m，長10m，并發(fā)現(xiàn)繞滲現(xiàn)象。1962年對(duì)裂縫進(jìn)行了回填處理。1965年12月至1966年9月間，對(duì)左壩頭繞滲進(jìn)行了處理。2003年8月，大壩上游壩坡輸水洞工作橋下有明顯塌坑，壩頂下游壩肩墻發(fā)現(xiàn)有兩道明顯裂縫，相距5m左右。左岸壩肩與壩體結(jié)合處含水量較高呈軟塑狀，蓄水至今一直存在壩基滲漏問題。

主壩施工時(shí)壩基已開挖截水槽，槽底高程為108.5m，截水槽將主河槽段壩軸線下的粘土質(zhì)礫層截?cái)唷２鄣鬃溆诘谝粚拥鸵合薹弁?、低液限粘土上，該層滲透系數(shù)為1.34×10-4～1.53×10-5cm/s，屬弱～中等透水地層，階地及兩岸壩肩下的粘土質(zhì)礫層并未截?cái)?，庫水可通過截水槽底之低液限粉土及階地和兩壩肩下粘土質(zhì)礫石層向下游滲漏。

壩體填土壓實(shí)度較差，壓實(shí)也不均勻。從歷次大壩質(zhì)量檢查結(jié)果看，壩體填土干密度雖有逐漸增大之趨勢，但123～125m高程以上及上下游壩體仍存在較厚的低密度區(qū)及一些薄弱部位，低密度區(qū)分布有滲透系數(shù)>10-4cm/s的區(qū)域，滲透系數(shù)偏大。如左壩肩、壩體結(jié)合部曾出現(xiàn)裂縫及滲漏。

根據(jù)水文站1976年至今對(duì)常莊水庫每年滲漏量損失統(tǒng)計(jì)情況，主壩實(shí)測壩基滲漏量大，兩壩肩與壩體結(jié)合不好，壩體123～125m高程以上低密度較多且滲透系數(shù)偏大，壩體填筑不均一，而常莊水庫作為鄭州市的城市供水水庫，水十分寶貴，故需進(jìn)行防滲加固處理。

3.滲流安全分析

壩體各土層的工程地質(zhì)條件如下：第一層低液限粉土（Q4）：該土質(zhì)不均，夾有薄層含細(xì)粒土砂透鏡體，在高程110m附近夾有厚一般0.2～3.5m、最厚達(dá)4.9m的粘土質(zhì)礫透鏡體；高程110m左右以上極軟土，巖性多為低液限粉土；高程110m左右以上軟土，巖性多為低液限粉土；高程110m左右以下中硬土，巖性以低液限粉土為主。第二層黃土狀低液限粉土（Q3）：分布在兩壩肩上部，高程124～127m以上。呈堅(jiān)硬狀。第三層黃土狀低液限粉土（Q3）：分布于兩壩肩中下部，由于該層所取土樣均在左肩接觸帶附近，受庫水影響，含水量增大，天然飽和度90%，呈軟塑狀。第四層粘土質(zhì)礫（Q3）：分布在壩基下部，層頂高程107～110.7m，鉆孔揭露厚度一般0.5～2.0m，最厚6.1m，層位不穩(wěn)定，地表未出露，在壩基上游尖滅，屬不均勻礫，屬硬土。第五層低液限粘土（Q2）：分布在壩基下部，層頂高程104.6～109.0m，層位比較穩(wěn)定，屬中硬～較硬土。

下游壩腳外地基的工程地質(zhì)條件如下：低液限粉土（Q4）：大多分布于高程110m以上，含較多的腐殖質(zhì)，青灰～淺灰色，厚1～3m，屬極軟土～軟土，呈流塑狀。粘土質(zhì)礫（Q4）：其巖性同壩基，該層在上游常以較小的透鏡體夾于低液限粘土中，在下游戧臺(tái)下游壩腳一帶則連續(xù)分布，且厚度亦增大至2～3m，該層頂面高程為111～112m，其上部礫石直徑較大。

截水槽槽底坐落于第一層低液限粉土上，該層滲透系數(shù)為1.34×10-4～1.53×10-5cm/s，屬弱透水地層，庫水可通過截水槽底之低液限粉土及含泥砂礫石層向下游滲漏。

采用相關(guān)過程線進(jìn)行分析，由于資料系列較長，因此選取了庫水位高程及維持時(shí)間都接近的年份1987年至1991年、2000年至2004年進(jìn)行比較，測壓管選擇這幾個(gè)年份資料均齊全0+171.1測壓管，點(diǎn)繪庫水位與測壓管水位相關(guān)過程曲線，如圖1。

圖1 庫水位與測壓管水位相關(guān)過程曲線圖

從圖中可以看出，1987年至1991年，相關(guān)曲線形成一單圈套曲線；2000年至2004年管水位變化具有一定的規(guī)律性，每一年形成單圈套曲線，整體呈重復(fù)圈套現(xiàn)象，且在上包線與下包線包裹范圍內(nèi)，在相同庫水位下，庫水位上升過程對(duì)應(yīng)的管水位低，下降過程對(duì)應(yīng)的管水位高，該曲線反映了滯后時(shí)間的影響，庫水位上升時(shí)，測壓管水位相應(yīng)上升，庫水位上升至最高值開始下降，管水位由于時(shí)間滯后而繼續(xù)上升，然后才下降。庫水位下降至某一高程后又開始上升，管水位繼續(xù)下降一段時(shí)間后才上升，并且從圖中還可以看出，相關(guān)曲線圈套向左旋轉(zhuǎn)，說明在當(dāng)時(shí)，壩體的滲流條件是有良好發(fā)展趨勢的。

4.防滲處理方案比選

方案1：高壓噴射灌漿

施工設(shè)備選用單管法。工藝技術(shù)參數(shù)：水泥漿漿壓30MPa，漿量50L/min，提升速度20cm/min，旋轉(zhuǎn)速度20r/min，噴嘴直徑2.5mm。采用雙排孔柱板式連接，孔距1.5m。灌漿材料采用水泥漿。

方案2：塑性混凝土防滲墻

塑性混凝土防滲墻墻厚0.4m，軸線位于壩中軸線上游1.0m。采用封閉式防滲墻，墻頂高程135.64m，底部深入低液限粘土≥5.0m，最大墻深34.17m。

塑性混凝土的特點(diǎn)是比普通混凝土具有較好的變形性能，此種材料在側(cè)向壓力為1kgf/cm2，可承受10%的變形而不變裂。塑性混凝土每立方米混凝土中水泥用量50～160kg，其他材料可以利用開挖出來的低液限粉土和低液限粘土，因而造價(jià)較省。

設(shè)計(jì)指標(biāo)為：28d彈性模量300～2000MPa，抗壓強(qiáng)度1.5～4.5MPa，滲透系數(shù)<1×10-7cm/s，極限滲透坡降>300。兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

表1 兩種防滲方案優(yōu)缺點(diǎn)比較表

方案1過去許多工程已經(jīng)應(yīng)用，但從近幾年的效果看，防滲體施工質(zhì)量均勻性較差，防滲體耐久性較差，土顆粒被帶走后防滲效果將降低；方案2處理壩體滲流徹底，但造價(jià)較高。綜合比較，為徹底解決壩體壩基質(zhì)量及滲流問題，推薦方案2，即在壩軸線上游1m位置做一道塑性混凝土防滲墻，墻頂高程135.64m，0+000～0+090、0+180～0+380兩段防滲墻底部進(jìn)入壩基5m，0+090～0+180段防滲墻底部進(jìn)入第五層低液限粘土（Q2）5m，墻厚0.4m，防滲墻總長380m。

5.防滲處理后滲透穩(wěn)定分析

常莊水庫主壩為均質(zhì)壩，根據(jù)地質(zhì)勘測資料，對(duì)主壩各典型斷面進(jìn)行滲流計(jì)算。滲流計(jì)算采用的水位采用為新的加固選定方案下的水庫調(diào)洪驗(yàn)算成果。計(jì)算斷面為大壩最大壩高0+155斷面。壩體滲透穩(wěn)定分析《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)Atobank5》，程序采用有限元分析法求解滲流場。對(duì)于土石壩的無壓滲流情況，先假設(shè)一個(gè)大致的自由表面初始位置，程序通過反復(fù)迭代和修改自由表面位置，使其滿足規(guī)定的邊界條件，得到新的自由表面，此線即為第一條流線即浸潤線。程序同時(shí)給出每個(gè)單元的滲流量、滲透坡降等信息。

經(jīng)過分析計(jì)算表明，設(shè)計(jì)水位、興利水位及死水位各工況下，滲透坡降最大處發(fā)生在下游滲透逸出點(diǎn)處，滲透坡降均小于允許滲透比降0.68，滲透穩(wěn)定滿足要求。