浅论黑山水库除险加固大坝防渗方案选择

浅论黑山水库除险加固大坝防渗方案选择

靳久松

安徽省定远县炉桥电灌站

一、工程概况

黑山水库位于定远县能仁乡黑山洼村民组境内，该水库库区属淮河流域窑河水系，集水面积2.31km²，总库容47.4万m³，正常蓄水位97.70m，设计洪水位98.38m，校核洪水位98.88m，是一座以防洪、灌溉为主，兼有养殖等综合效益的小（2）型水库。黑山水库水库灌区有效灌溉面积300亩，保护下游耕地面积200亩，保护人口30000人，水库安全与否直接影响下游人民群众的生命财产安全。

水库枢纽工程由大坝、溢洪道、放水涵组成。

现状大坝为均质土坝，坝轴线总长约212m，最大坝高15.5m，坝顶高程100.18～102.19m，顶宽5.5～31m，大坝坝顶为土路，为进出东西侧采石区的主要道路；大坝上游坡比1:1.8～1:4.5，下游坡比为1:1.5～1:2.7。检查下游存在明显渗漏现象，影响坝坡稳定。

2017年07月依据《安徽省小型水库大坝安全评估办法》负责对该水库进行安全鉴定，评定黑山水库为三类坝,确定水库建筑物洪水标准为20年一遇设计，200年一遇校核。

二、工程地质

1、地貌及地层岩性。黑山水库位于江淮分水岭的丘陵区。坝址位于江淮丘陵区阶地与冲洼交接部；水库河谷呈浅宽“U”字型；一般上游河谷狭窄，下游宽阔。

水库区广泛分布第四系冲积物，主要为粉质粘土、粘土地层，其下伏基岩为泥质砂岩。

2、坝体工程地质评价①层素填土层为人工筑坝时堆积而成，灰褐、黄褐色，松散～稍密，稍湿～湿。其土主要成分为重粉质壤土，可塑，中等压缩性，现状压实0.84～0.89，坝身上部1米范围内含砾石较多。层厚1.50～15.20米，层底高程在86.43～99.49米。②层石灰岩层是坝基主要地层，为灰褐、灰白色，中厚层状，上部岩芯节理裂隙发育，含方解石、石英晶体，完整性好，岩质坚硬。层顶埋深0.0～15.20米，层顶高程一般在86.43～99.49米，揭露层厚5.20～8.50米。

3、各层岩土主要参数值。综合室内试验与野外原位测试，结合已建工程多年运行的实际情况，坝体和坝基各层岩土物理力学参数建议值详见表1。

表1 各土层指标建议值表

4、土料场。黑山水库除险加固工程需要土料主要用于工程填筑土料，该水库土料料区总储量约为1.2万m³，根据室内土工击实试验成果：最大干密度（ρd max）为1.66g/cm³，最优含水量（ωopt）为19.5%。

5、工程地质评价结论

（1）坝身填土具有中等透水性存在渗透稳定问题。上下游坝坡较陡见许多碎石、块石堆放，碎石、块石滑落现象明显，存在稳定问题，工程地质条件较差。坝身与坝基接触面存在多处渗漏现象。

（2）坝基为具弱透水性的中风化灰岩，不存在稳定问题，工程地质条件较好。左右坝肩不存在稳定问题。

（3）在大坝稳定计算的基础上对大坝采取除险加固措施，可采用加培、修整放缓坝坡，本次除险加固应构筑防渗层，若在坝前构筑防渗层，建议平整坝坡，构筑粘性土盖层，碾压密实，并在常水位以下设置防护层；若在坝身进行垂直防渗，建议防渗深度至弱风化岩体的上部，两侧坝肩应深入山体一定深度或与两岸山体地下水位衔接，形成完整的防渗体系。

三、防渗方案比选

针对大坝防渗系统存在的问题，考虑工程地质因素，拟定以下四个防渗加固方案。

（1）塑性砼防渗墙

防渗墙沿坝顶布置，墙厚0.5m，墙顶高程100.50m，墙底进入强风化基岩1.0 m，最大墙深约16.2m。

此法处理效果较好，但需要施工场地大。尤其此方案工程量小，施工队伍不易落实。

（2）高压喷射防渗墙

防渗墙采用高压喷射注浆成墙，高喷墙沿坝顶布置，单排摆喷，孔距1.1m，墙底进至强风化层，最大深度约20.2m。

此法处理效果较好，适用地基条件广，施工速度快。

3. 冲抓套井回填

坝身采用抓套井回填。冲抓套井沿坝顶布置，单排，墙体有效厚度1.0m，井底至基岩面，最大深度15.2m左右，套井回填粘性土。

此法适用于空库水位施工，简便直观，但土料用量大，要求高。因土料紧张，该方案造价略高，且冲抓套井最大缺点是墙底接触面难以有效加固。

（4）多头式小直径防渗墙

以坝顶中心为轴线设置深层搅拌水泥桩防渗墙，采用多头小直径防渗桩机成墙，厚度300mm，墙底至基岩面止，最大深度约15.2m。此法防渗性能较好，施工速度快，投资相对较小，但需专业的施工设备，基岩接触面质量难以控制。

在综合考虑工程造价、加固效果、施工质量可靠性后，本次防渗加固选择方案（2），即坝体高压喷射防渗墙。

表2 防渗加固方案主要可比投资比较表

四、高压摆喷防渗墙布置及结构设计

防渗墙范围为桩号0+000～0+192，全长共192m，沿坝顶轴线单排布置。墙顶高程98.88m，持平校核水位；墙底按深至强风化基岩面，防渗墙有效厚度应不小于0.20m。

墙体性能指标：要求抗压强度R28≥2Mpa，渗透系数K≤i×10^-6cm/s。

造墙采用三重管摆喷工艺，初定主要施工参数：折接摆角30°，孔距1.1m，单排，提升速度14～19cm/min；转速13～15r/min。

由计算成果可以看出，大坝横剖面上的计算等势线分布符合一般大坝的渗流规律。由于大坝防渗能力较好，故坝身浸润线位置较低，最大出逸点高程为87.50m，高于坝脚地面0.1m左右，对坝坡稳定影响较小。

根据渗流计算成果，计算断面上坝体与坝基接触面上的最大水平比降为0.181，其素填土的允许水平比降为0.45，则渗透满足要求。

校核水位工况下游坝坡出口段的最大出逸比降为0.726，小于其素填土的最大临界比降0.93。因此，坝体下游坡脚渗出段产生渗流破坏的可能性较小。

渗流计算成果显示，大坝在正常蓄水位时，单宽渗流量为0.293m³/m·d，按渗流宽度212m计，大坝年渗水量为2.26万m³，占水库总库容的4.7%，年渗漏损失较少。

在确定大坝断面要素后，通过稳定计算结果分析，各各种水位工况下，计算得坝坡安全系数均大于规范允许值。

表3 黑山水库大坝稳定计算结果表