水庫水平與垂直防滲處理技術的結合應用

李燕娟，李銀剛

(臨滄市水利水電勘測設計研究院，云南 臨翔 677099)

回努水庫坐落在瀾滄江流域南勐河支流回努河上游，壩址位于臨滄市雙江拉祜族佤族布朗族傣族自治縣城南部勐勐鎮(zhèn)回努村，總庫容162.9萬m3，是一座以灌溉為主的小(1)型水庫，設計灌溉面積3522畝。水庫始建于1970年11月，1972年11月竣工。樞紐建筑物主要由主壩、副壩、排洪溝、低涵、高涵組成。2002年5月云南省水利廳組織病險水庫大壩安全鑒定，同意回努水庫大壩屬三類壩，確定為云南省重點小(1)型病險水庫，水庫存在的主要病害：①主、副壩壩體及壩體與基礎接觸帶滲漏嚴重，壩面濕潤面積逐年增大，浸潤線逸出點高，倒濾體失效，倒濾體以下壩基出現(xiàn)管涌及流土數(shù)點，形成強漏水通道，滲漏量隨庫水位升高而加大。②高、低涵管變形、開裂、漏水嚴重，閘門和啟閉設備年久失修、銹蝕嚴重，無法正常運行，排洪溝邊坡坍塌嚴重。③大壩安全監(jiān)測與管理設施不完善。工程以限制蓄水的方式帶病運行，實際灌溉面積為1958畝，僅占設計規(guī)模的55%。水庫位置處于縣城周邊人口稠密區(qū)域，位置險要，一旦潰壩將對下游造成極大的影響，直接威脅下游35000人的生命財產，淹沒30km國道以及11000畝農田，同時還直接影響到下游的工礦企業(yè)(水泥廠、煤廠、紙廠、紙漿廠以及3座總裝機6000kW的電站)的安全，將造成數(shù)億元的經濟損失。2006年實施了回努水庫除險加固工程建設。主要除險加固方案為：①對壩體、壩基進行防滲處理。②對主、副壩進行加固處理。③封堵高、低涵管，新建輸水隧洞。④新建溢洪道，并對原副壩右岸土渠排洪溝改造，泄洪任務由溢洪道和排洪溝共同承擔。⑤增設沉陷、位移、滲漏量、測壓管等觀測設施，建立水情報系統(tǒng)。

1 創(chuàng)新性關鍵技術內容

在回努水庫的除險加固防滲設計中，通過多種除險加固方案經濟技術比選，最終創(chuàng)新性采取水平防滲與垂直防滲結合方案(即主、副壩壩體黏土斜墻防滲+壩基高噴灌漿)來解決大壩滲漏問題。該方案的具體分析論證和具體技術參數(shù)及結構布置詳述如下。

1.1 工程基本條件

回努水庫樞紐工程為四等工程。主要建筑物主壩、副壩、溢洪道、輸水隧洞為4級建筑物，次要建筑物及臨時建筑為5級建筑物。

工程所在流域屬屬典型的中山地區(qū)亞熱帶氣候，多年平均降水量1040.6mm，多年平均氣溫17.2℃，多年平均最高氣溫23.6℃，多年平均最低氣溫12.4℃，多年平均相對濕度73%。壩址處30年一遇設計標準洪峰流量54.4m3/s，300年一遇校核標準洪峰流量73.2m3/s。

工程區(qū)為低中山丘陵地貌，庫區(qū)溝谷發(fā)育。壩址處為不對稱“U”型河谷，左、右岸均出露上第三系中新統(tǒng)半成巖狀粉細砂巖，含卵石泥質中粗砂巖和粉質黏土巖，大壩、輸水隧洞和溢洪道基礎坐落在全、強風化巖土上，地質條件基本滿足壩體、隧洞和溢洪道的承載要求。工程區(qū)動峰值為0.3g、動反應譜特征周期值為0.45s，工程區(qū)地震烈度為Ⅷ度，工程建筑物的地震設防烈度為Ⅷ度。

1.2 加固前主、副壩病險情況

回努水庫基礎置于第三系含卵石泥質中粗砂土和泥質粉砂土層上，主壩壩高24.8m，副壩壩高15.8m，主副壩均為均質壩。由于當時的歷史條件，沿壩軸線開挖的截水槽斷面小，未深入到相對隔水層，基礎又未進行防滲處理，岸坡清基采取邊清邊填，填筑厚度控制不嚴。夯壓不實，造成壩體壓實度低，主壩平均壓實度0.886，副壩壓實度0.883，均低于95%的規(guī)范標準要求。主壩壩體平均滲透系數(shù)k=1.19×10-2，基礎平均滲透系數(shù)k=5.162×10-3，副壩壩體平均滲透系數(shù)k=1.86×10-3，基礎平均滲透系數(shù)k=2.33×10-3，均屬中等透水層，不符合均質壩應小于1×10-4cm/s的要求。施工中質量控制不嚴，壩坡突變較大，造成主、副壩壩體呈尖山狀，主要有主壩上游坡坡比由1∶1.8突變?yōu)?∶4.6，下游坡坡比由1∶1.85突變?yōu)?∶2.52。副壩上游坡坡比由1∶1.6突變?yōu)?∶2.2，下游坡坡比1∶1.8。壩坡較陡滿足不了壩體抗滑抗震規(guī)范要求。主副壩倒濾體基礎由于老化失修，結構尺寸變形，倒濾體淤塞失效，并且?guī)靺^(qū)白蟻危害嚴重。由于以上原因，造成主、副壩壩體滲漏嚴重、浸潤線逸出點高，壩基及壩肩同樣存在不同程度的滲漏。主壩下游壩坡濕潤面積達13220m2，副壩下游壩坡濕潤面積達1440m2，壩面濕潤面積逐年增大，倒濾體以下壩后出現(xiàn)管涌及流土數(shù)點，形成強漏水通道，滲漏量隨庫水位升高而加大。

1.3 防滲處理邊界范圍的確定

本工程壩體、壩基及壩肩均存在著不同程度的滲漏，地質推薦本工程的防滲處理范圍及邊界為：防滲布置平面范圍應與地下水與庫水位交點、垂直范圍控制在壩高1.5倍左右，推薦處理措施為帷幕灌漿工藝。設計根據(jù)地質專業(yè)建議的處理范圍進行防滲布置后發(fā)現(xiàn)，處理范圍較廣，帷幕線較長(約有0.8km)，灌漿工程量較大，工程投資較大，投資效益不可行。

設計根據(jù)地質勘探勘察結果，結合工程病害情況和工程30年的運行情況，本著“保證建筑物滲流抗滑穩(wěn)定、減少滲漏損失”的原則，對防滲處理范圍及邊界條件進行分析論證，主、副壩存在著嚴重的滲漏問題，現(xiàn)狀壩體已發(fā)生較為明顯的滲透變形，防滲處理應以壩體為主，根據(jù)地質勘察結果壩基及岸坡同樣存在不同滲漏，但壩基為第四層半成巖狀含卵石泥質中粗砂土或下覆第三系中新統(tǒng)第三層半成巖狀泥質中細砂土上，為互層結構，沒有明顯的相對隔水層，防滲處理底界難以確定，結合本工程運行情況，雖然水庫建成以來一直存在滲漏的問題，但不論豐、枯水文年，水庫基本可按設計規(guī)模蓄水，說明目前滲漏對工程規(guī)模不影響。其次，根據(jù)地質勘察判定，攔河壩基礎容許水力坡降在0.1～0.5之間，水庫實際水力坡降為0.19，壩基不會產生滲流穩(wěn)定問題。因此，根據(jù)水庫基礎主要滲漏的部位是壩體及基礎接觸部位，本工程的防滲處理主要以壩體防滲為主，處理范圍在平面上向兩岸作適當延長(延長15～30m)、基礎垂直方向主要處理壩體與基礎接觸，帷幕適當延長。

1.4 防滲處理方案選擇

病險水庫防滲的主要處理措施一般有：灌漿工藝(劈裂灌漿、帷幕灌漿、高噴灌漿等)和混凝土防滲墻等。混凝土防滲墻工藝：施工工藝成熟、工藝要求相對復雜、要求有一定的施工平臺，施工過程中質量控制直觀、可控，處理效果較佳，完全滿足壩體防滲處理要求。根據(jù)本工程等級、工程規(guī)模及除險后工程的運行要求，本工藝單位工程造價較高，按照常規(guī)布置及造價水平，采用本工藝處理投資在3000多萬元。灌漿工藝：施工工藝較成熟、工藝要求相對簡單、對施工場地的適應能力較強，施工過程中質量控制主要以工藝流程的相關要求控制，處理效果可滿足壩體防滲處理要求。本工藝單位工程造價相對防滲墻要低，根據(jù)本工程等級、工程規(guī)模及除險后工程的運行要求，本工藝投資效益相對合理。

從地質、施工條件和處理效果等方面對黏土斜墻和混凝土防滲墻方案綜合比選，地質方面：本工程處于第三系地層，主壩防滲處理深度截穿含卵石泥質中粗砂土(厚4～10m)，副壩防滲處理深度截穿泥質粉砂土(厚5～8m)，兩方案地質條件可滿足要求。防滲效果方面：采取黏土斜墻防滲與灌漿防滲相結合，及表面防滲與基礎防滲相結合。黏土斜墻防滲即保證防滲體的連續(xù)性及有效性，而且填筑的斜墻體對壩體的抗滑穩(wěn)定還有一定的貢獻?；A防滲灌漿軸線前移，縮短了灌漿軸線及灌漿進尺，減少灌漿工程量，節(jié)約了工程投資。兩方案防滲效果較好，耐久性、連續(xù)性及有效性等均可滿足工程的防滲要求。施工方面：兩方案建筑材料、機械、工期均可滿足要求。黏土斜墻方案施工中重點是斜墻與帷幕的銜接需進行處理，而防滲墻方案防滲墻面積較大，處理深度含壩體及壩基，造孔較深，最大孔深為40m，而防滲墻厚只有0.3m，防滲軸線需布置有兩個較大轉彎段，不便于施工搭接。兩方案從地質、效果、施工等方面可滿足工程要求，但防滲墻方案孔深偏大，且投資高于黏土斜墻方案。故設計綜合比選后采取黏土斜墻方案。

1.5 防滲處理方案結構布置

主、副壩壩體采用黏土斜墻防滲處理，為水平防滲。因受死水位和水庫泥沙淤積的限制，斜墻以下部分壩體及壩基采用高壓擺噴灌漿進行處理。主壩上游采用黏土防滲斜墻(邊坡1∶3.0)，基礎、壩肩為高壓擺噴灌漿防滲，調整下游1∶1.85壩坡為1∶2.3；副壩上游采用防滲斜墻(邊坡1∶2.5)，基礎、壩肩為高壓擺噴灌漿，下游壩坡進行培厚處理(邊坡1∶2.3)。

具體結構布置為：主壩壩頂高程1020.42～1003.27m為黏土斜墻防滲，斜墻厚度根據(jù)土料的允許水力坡降及不小于壩前水頭H/10以及考慮原壩坡坡面修整及壩頂寬等綜合因素確定，最小鋪土厚度為1.89m。高程1003.27m以下，樁號0+070—0+330m為壩基高壓擺噴灌漿處理，防滲處理軸線為原壩軸線上游48m，即斜墻截水槽軸線。處理標準為：①基巖單位吸水率ω<10Lu；②由于壩基地處第三系地層，相對隔水層埋藏較深，根據(jù)防滲要求，結合類似工程經驗確定基礎處理最大深度不超過壩高0.7倍，防滲處理后壩體、壩基、壩肩將形成綜合性防滲體系。副壩壩體采用黏土斜墻防滲，防滲處理軸線為原壩軸線上游36.5m，即斜墻截水槽軸線。主副壩高壓擺噴灌漿分Ⅱ序孔灌注，終孔距1.5m，防滲處理基礎最大處理深度15.34m，最小處理深度4.8m；壩肩最大處理深度15.43m，最小處理深度8.29m；基礎平均處理深度8.09m。

本方案采取黏土斜墻防滲與高噴灌漿防滲相結合，及表面防滲與基礎防滲相結合。黏土斜墻防滲，防滲體的施工質量易于人為控制，即保證防滲體的連續(xù)性及有效性。而且，填筑的斜墻體對壩體的抗滑穩(wěn)定還有一定的貢獻?；A防滲灌漿軸線前移，縮短了灌漿軸線及灌漿進尺，減少灌漿工程量，節(jié)約了工程投資。本工程防滲處理設計和施工的重點中應保證基礎高壓擺噴灌漿防滲體與前壩防滲黏土斜墻緊密結合，形成完整、有效的防滲體系，達到工程除險加固的目的。設計均采取了較為合理的措施，提出了相關要求，在工程實施中均得到了很好的貫徹。

1.6 加固后水庫樞紐建筑物布置

水庫加固后，樞紐主要由主壩、副壩、溢洪道、輸水隧洞組成。主、副壩壩型仍為均質壩，主壩處理后壩軸線向上游平移2m，壩頂寬4m，壩頂長451m，最大壩高24.8m；副壩處理后維持原壩軸線不變，壩頂寬為4m，壩頂長301m，最大壩高15.8m。溢洪道為正槽開敞式，布置于副壩右岸，全長64m。輸水隧洞布置于主壩右岸，全長161.35m，由進口段、有壓段、豎井段、無壓段、出口段5部分組成，豎井內設工作和檢修閘門各1套，閘前有壓段洞身為1.5m×1.5m方形洞，閘后無壓洞身為1.5×1.8m圓拱直墻城門型，設計流量0.5m3/s。

2 工程實施后效果

回努水庫除險加固工程于2006年5月開工建設，經精心設計，規(guī)范施工，項目于2007年12月順利竣工驗收。該工程建成竣工至今已十余年，加固完成后常年一直在正常蓄水位左右的高庫水位運行，經歷了如2014年7月臺風“威馬遜”侵襲引發(fā)強降水和2020年8.20暴雨洪災考驗，主要建筑物經多年的攔、泄洪水，運行狀態(tài)良好，無變形和滲漏等影響工程安全的異?，F(xiàn)象，運行情況良好。水庫防洪、灌溉和養(yǎng)殖等綜合效益得到充分發(fā)揮，對促進地方經濟可持續(xù)發(fā)展和各民族團結及邊疆的穩(wěn)定發(fā)揮了重要作用。

3 結語

回努水庫除險加固工程防滲處理目的是解決壩體及壩體與基礎接觸帶滲漏問題，因水庫主副壩軸線較長(達752m)，防滲工程量較大。經多方案經濟技術比選，采取黏土斜墻防滲與高噴灌漿防滲相結合方案，有效節(jié)約了工程投資。本工程防滲處理設計和施工的重點中是需處理好斜墻與帷幕的銜接，以保證基礎高壓擺噴灌漿防滲體與前壩防滲黏土斜墻緊密結合，最終形成完整有效的防滲體系。工程實施后已歷經數(shù)次洪水考驗，水庫運行正常，水庫效益得到充分發(fā)揮。該案例真實，反映了除險加固措施設計優(yōu)化對投資節(jié)省的關鍵作用，對類似問題的解決有一定啟發(fā)作用，具有推廣價值。