□董永霞　□劉琳琳（商丘市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院）

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水庫土質(zhì)壩體防滲墻計(jì)算

□董永霞□劉琳琳（商丘市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院）

壩體防滲墻是在松散透水地基或土石壩壩體中連續(xù)造孔成槽，通過壓力設(shè)備，澆筑塑性材料建成的、起到防滲作用的地下連續(xù)墻，是保證地基穩(wěn)定和大壩安全的工程措施。文章在防滲墻計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)土質(zhì)壩體常見的3種防滲墻類型進(jìn)行方案比選，敘述其優(yōu)缺點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)點(diǎn)，最終確定水庫防滲墻類型。

水庫防滲墻；材料選擇；方案論證

1　工程概述

該水庫位于豫東平原黃河故道上，是一座以城市供水為主，兼有防洪、灌溉和養(yǎng)殖等多種功能的中型水庫。水庫控制流域面積353 km2，于1958年建成蓄水，1961年停止運(yùn)用，1974年恢復(fù)運(yùn)用。2013年進(jìn)行除險(xiǎn)加固，需對(duì)副壩壩體進(jìn)行防滲處理。

該水庫由主壩、副壩、溢洪道、灌溉閘組成。主壩南北向，最大壩高6.80 m，壩長1050 m，壩頂寬度20 m，副壩為東西向，位于水庫右岸，壩長2050 m，壩頂寬15 m?，F(xiàn)狀主副壩壩坡均為土質(zhì)表面，沒有防護(hù)。該水庫死水位60.40 m，死庫容為40萬m3，興利水位及汛限水位均為64.80 m，相應(yīng)庫容3400萬m3。

2　主要設(shè)計(jì)參數(shù)

程等別及建筑物級(jí)別：根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，該水庫工程等級(jí)為Ⅲ等，相應(yīng)主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期，設(shè)計(jì)為50 a，校核為200 a。主要設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)最高洪水位65.31 m，相應(yīng)庫容4130萬m3；校核最高洪水位65.69 m，總庫容5136萬m3；副壩上游設(shè)計(jì)坡比為1：3～1：3.50，下游壩坡坡比為1：2.50～1：3；地震動(dòng)峰值加速度0.05 g。

3　壩體存在主要問題

該水庫副壩為原黃河故道大堤，為均質(zhì)土壩，無防滲體，下游無反濾設(shè)施。由于該大堤是由前人逐漸加高而成，其填土成份及密實(shí)度變化均較大。壩體填土主要為砂壤土，重粉質(zhì)壤土，局部為粉質(zhì)粘土及粘土，壩體已達(dá)到中等～密實(shí)狀態(tài)。壩基土主要為重粉質(zhì)壤土、土質(zhì)均勻，中密狀。壩體滲透系數(shù)范圍值為3.20×10-5～2.60×10-4cm/s，平均值4.56×10-5cm/s，屬弱～中等透水性，抗?jié)B性能稍差，不存在滲透穩(wěn)定問題。壩基滲透系數(shù)范圍值5.89×10-8～8.44×10-5cm/s，平均值1.53×10-5cm/s，屬微～弱透水性，迎水坡硬化護(hù)坡有損壞，背水坡下游無反濾排水設(shè)施，無防護(hù)措施，壩坡沖刷損壞嚴(yán)重。

4　工程地質(zhì)條件

水庫副壩區(qū)勘探深度范圍內(nèi)，鉆孔揭示地層共劃分為兩個(gè)工程地質(zhì)單元，自上而下分別描述如下：第一層，重粉質(zhì)壤土（Q4al）：為副壩壩基持力層，厚度2.70～6.80 m，。棕黃～灰黃色，軟塑～可塑狀，層狀構(gòu)造，層理清晰，無搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等，夾薄層狀砂壤土。干密度平均值1.41 g/cm3，天然含水量平均值29.50%，壓縮模量6.30 Mpa，壓縮系數(shù)0.31MPa-1，中壓縮性，滲透系數(shù)范圍值5.89×10-8～8.44×10-5cm/s，平均值1.53×10-5cm/s，弱透水性，粘聚力29.60 Kpa，內(nèi)摩擦角5.10°。第二層，砂壤土（Q4al）：為副壩壩基受力層。棕黃～灰黃色，濕，中密狀，斜交層理發(fā)育，搖震反應(yīng)中等，干強(qiáng)度低，韌性差，局部夾重粉質(zhì)壤土。干密度平均值1.50 g/cm3，天然含水量平均值27.30%，壓縮模量14.90 Mpa，壓縮系數(shù)0.12 MPa-1，具中壓縮性，滲透系數(shù)范圍值3.25×10-5～5.35×10-4cm/s，平均值2.27×10-4cm/s，中等透水性，粘聚力5.90 kpa，內(nèi)摩擦角18.30°，地基承載力允許值為130 kPa。該層沒有揭穿，最大揭露厚度9.50 m。

5　壩體防滲墻設(shè)計(jì)

5.1防滲墻施工特點(diǎn)

①防滲墻工程一般都是隱蔽工程，其工程質(zhì)量在施工過程中和施工完成后，不能用肉眼直接觀察，也難以用儀器做普通和準(zhǔn)確的檢測(cè)，其工程缺陷常常要在使用過程中才能發(fā)現(xiàn)。防滲墻工程一旦發(fā)生和發(fā)現(xiàn)質(zhì)量事故，返工處理比較困難，有事甚至無法彌補(bǔ)。②防滲墻施工工期要滿足防洪、防汛的要求，不允許推延工期。防滲墻工程的設(shè)計(jì)和施工在很大程度上受水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件的影響。在施工過程中發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)情況可能給工作造成被動(dòng)。③防滲墻施工，特別是大型防滲墻施工使用的機(jī)械較多，施工中要使用大量泥漿。因此機(jī)械進(jìn)場(chǎng)、施工用電、用水、排渣等條件，都必須同時(shí)具備。④防滲墻施工的現(xiàn)場(chǎng)管理及其重要工程開工以后，必須保持連續(xù)作業(yè)，任何較長時(shí)間的中途停頓都會(huì)帶來較大的損失。

5.2防滲墻位置及范圍

根據(jù)副壩水文地質(zhì)縱剖面圖，整個(gè)副壩壩體、壩基均處于中透水層，因此防滲墻的長度應(yīng)為副壩長度，其位置設(shè)在上游壩肩，平行壩軸線布置。

5.3防滲墻的深度

根據(jù)鉆探資料，壩體填土主要為砂壤土、重粉質(zhì)壤土，局部為粉質(zhì)粘土及粘土，屬弱～中等透水性。壩基第一層地質(zhì)單元為重粉質(zhì)壤土夾薄層砂壤土，屬微～弱透水層。防滲墻的深度穿透壩體進(jìn)入第一層土體，平均深度約7.10 m，根據(jù)規(guī)范要求，防滲墻底部深入相對(duì)不透水層≥1 m，因此確定防滲墻平均深度為8.10 m。

5.4防滲墻的厚度

由于國內(nèi)防滲墻設(shè)計(jì)無規(guī)范，防滲墻的滲透計(jì)算和滲透穩(wěn)定分析以及強(qiáng)度、變形計(jì)算尚無規(guī)范的計(jì)算方法和理論。在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)防滲墻破壞時(shí)的水力坡降確定墻體厚度d，計(jì)算公式如下：

式中：ΔHmax—作用在防滲墻上的最大水頭差，m；ΔHmax= 65.69-60.40=5.29 m；K—抗?jié)B坡降安全系數(shù)，取5；Jmax—防滲墻滲透破壞坡降，塑性混凝土防滲墻取Jmax=80，多頭小直徑水泥土深層攪拌樁取Jmax=200。

經(jīng)計(jì)算，塑性混凝土防滲墻d=0.33 m，取防滲墻厚度d= 0.40 m；多頭小直徑水泥土深層攪拌樁d=0.13 m，考慮到施工要求，取防滲墻厚度最薄處d=0.22 m；聚氨酯防滲墻根據(jù)壩體土質(zhì)、成墻深度，取防滲墻厚度最薄處d=0.02 m。

5.5設(shè)計(jì)方案比較

5.5.1方案1：塑性混凝土防滲墻

參考國內(nèi)已建工程經(jīng)驗(yàn)，塑性混凝土防滲墻設(shè)計(jì)指標(biāo)為：塑性混凝土的密度2～2.20 t/m3；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度1.50～5 MPa，抗拉強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的1/7～/12；抗剪強(qiáng)度c=0.20～0.30 MPa，φ≥30°；變形模量100～600 MPa，彈性模量800～1000 MPa；滲透系數(shù)K≤（1～9）×10-8cm/s；破壞滲透比降≥80.00；抗?jié)B標(biāo)號(hào)W6～W8；破壞應(yīng)變無側(cè)限時(shí)為0.33%～0.70%。塑性混凝土強(qiáng)度增長較為緩慢，后期強(qiáng)度增長較大，強(qiáng)度一般采用90d強(qiáng)度較為合理。

5.5.2方案2：多頭小直徑水泥土深層攪拌樁

深層攪拌樁是利用水泥類漿液與原土通過葉片強(qiáng)制攪拌形成墻體的技術(shù)，適用于粘土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土以及密實(shí)度中等以下的砂層，且施工進(jìn)度和質(zhì)量不受地下水位的影響。其主要技術(shù)指標(biāo)：滲透系數(shù)K≤1×10-6cm/s；抗壓強(qiáng)度≥0.50 Mpa；滲透破壞比降≥100；水泥質(zhì)量百分比12%。

5.5.3方案3：聚氨酯防滲墻

聚氨酯防滲墻是一種新型雙組份高聚物防滲材料。它的技術(shù)原理是根據(jù)堤壩防滲設(shè)計(jì)要求，在需要防滲加固的堤壩段內(nèi)，利用靜力壓入設(shè)備，將特制成孔鉆具壓入堤壩中，形成連續(xù)的超薄型孔模。按照一定高聚物漿液配比，通過注漿管向孔模內(nèi)注射雙組份高聚物材料。高聚物材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后體積迅速膨脹，填充滿孔模并固化，高聚物材料與孔模周圍土體緊密膠結(jié)在一起，將相鄰孔模交叉搭接或連續(xù)搭接，注漿后形成連續(xù)超薄高聚物防滲帷幕或防滲墻，從而達(dá)到提高堤壩防滲性能的目的。

聚氨酯防滲材料的主要特點(diǎn)有以下幾種。高膨脹：高聚物材料的自由膨脹比可達(dá)20：1，可以填充脫空和裂縫，同時(shí)可以進(jìn)一步壓密周圍介質(zhì)；輕質(zhì)：反應(yīng)后形成的固體材料自重輕，其密度不到水泥漿或?yàn)r青材料的10%；早強(qiáng)：高聚物材料能夠迅速固化，可在15 min內(nèi)達(dá)到其最終強(qiáng)度的90%。材料具有良好的彈性，并具有較高的抗拉強(qiáng)度；防水：固化后材料具有良好的防水性能，滲透系數(shù)K≤1×10-9cm/s；耐久：高聚物材料抵抗化學(xué)溶劑和油脂腐蝕的性能非常好，在地基環(huán)境下一般的含鹽、酸或者洗滌劑的水溶液中，高聚物材料的穩(wěn)定性良好，穩(wěn)定耐久，在地下環(huán)境可達(dá)百年以上；安全：對(duì)環(huán)境無污染。

5.5.4方案比較

3種方案從投資、適用性、施工要求條件等進(jìn)行比較，詳見表1（造價(jià)以當(dāng)?shù)夭牧蟽r(jià)格為準(zhǔn)）。

表1　防滲墻設(shè)計(jì)方案比選表

6　結(jié)論

多頭小直徑深層攪拌樁適用土層范圍廣，施工工藝簡(jiǎn)單、效率高，且不需開槽，參考已建水庫防滲墻的施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于滲墻深度較小，且為土質(zhì)地基的水庫壩體防滲墻，采用多頭小直徑水泥土防滲墻較為合適。

（責(zé)任編輯：劉長垠韋詩佳）

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1673-8853（2016）06-0097-02

董永霞（1982-）女，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)。

2016-02-26