姜?；?，劉乃飛，葉知暉，冉統(tǒng)軍，俞宏

(1.甘肅省水利水電勘測設計研究院， 甘肅 蘭州 730000；2.西安理工大學 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048)

陀興水庫擴建后土壩壩基防滲方案研究

姜?；?，劉乃飛2，葉知暉1，冉統(tǒng)軍1，俞宏1

(1.甘肅省水利水電勘測設計研究院， 甘肅 蘭州 730000；2.西安理工大學 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048)

陀興水庫建于二十世紀六七十年代，工程分為兩期，目前正在進行二期改擴建工程(正常蓄水位由53.23 m抬升到60 m)。根據(jù)水庫現(xiàn)狀條件和工程地質勘探成果擬定了兩套防滲方案，并從滲流穩(wěn)定、壩坡抗滑穩(wěn)定以及工程投資等方面開展了對比研究。研究表明無論從滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定還是工程投資方面方案2均優(yōu)于方案1。研究成果可為工程的設計和施工提供參考。

陀興水庫；土壩；壩基防滲；滲流穩(wěn)定；抗滑穩(wěn)定

20世紀50～70年代，我國完成了水利工程建設的“大躍進”，成為世界上水庫數(shù)量最多的國家[1]。但限于當時技術水平和經濟條件的限制，大部分都是小型土石壩，壽命約為50年。到目前為止基本都在超期服役，存在巨大的安全隱患[2-3]。如1975年的“板橋事件”致使超過2.5萬人死亡，1 100萬人受災[4]。從而引起了中央層面的重視，并制定了一系列的除險加固計劃，同時開展了大量的相關研究工作。嚴祖文等[5]從大壩病險認定及除險加固資金的使用等多個方面研究了中小型水庫除險加固過程中存在的主要問題并最終給出了對策設想。唐巨山等[6]對橫山水庫擴建工程的設計方案進行了研究。文會祥等[7]對赤金峽水庫加高加固工程的壩基防滲技術進行了總結。王莉等[8]對丹江口大壩加高兩岸土石壩設計問題進行了分析介紹。翁湛[9]采用有限單元法研究了土石壩加高后壩體滲流及其邊坡穩(wěn)定性問題。劉洪輝等[10]以峽山水庫南辛副壩除險加固防滲設計為例，從技術經濟、滲流、穩(wěn)定及施工條件等方面對不同防滲方案進行了分析。劉文等[11]采用有限體積法對西夏水庫土壩垂直防滲墻和水平防滲鋪蓋兩種防滲方案的滲流場進行了數(shù)值計算研究。

綜上可知，開展土石壩除險加固和加高培厚工作對于確保人民生命財產安全及社會和諧穩(wěn)定至關重要。但針對水庫除險加固工作的研究和總結工作大多集中于具體的加固方案或抗滑穩(wěn)定方面，關于土石壩壩基防滲方面的研究卻相對較少。本文結合海南省陀興水庫現(xiàn)狀條件和改擴建工程地質勘探成果，針對該工程土壩壩基擬定了兩套防滲設計方案并從滲流穩(wěn)定、滲流量、壩坡抗滑穩(wěn)定以及工程投資等方面開展了對比研究，以期該研究成果能夠對本工程及類似工程的設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

陀興水庫位于海南省東方市感恩河上，工程的任務是以農業(yè)灌溉為主，兼顧供水、發(fā)電，是海南省東方市、樂東縣重要的骨干水利工程。水庫始建于1969年—1977年，原設計規(guī)模為Ⅱ等大(2)型水庫，實施期將工程分為一期和二期，到目前為止，工程僅實施了一期。擋水大壩由左岸漿砌石重力壩、中部漿砌石溢流壩、右岸漿砌石剌墻、右岸土壩等組成。

改擴建前(一期)死水位為40.23 m，正常蓄水位為53.23 m，設計洪水位為58.53 m，校核洪水位為60.93 m。改建后(二期)死水位為43 m，正常蓄水位為60 m，設計洪水位61.26 m，校核洪水位為64.4 m。土壩段壩高由24.1 m增高為28.5 m。

由于右岸土壩壩趾、壩基表層為殘坡積土，根據(jù)殘坡積土層中的注水試驗，其滲透系數(shù)K范圍值為5.26×10-4cm/s～5.35×10-3cm/s。下伏巖體為陀烈群云母石英片巖?；鶐r面以下3 m～5 m范圍內，強風化層透水率大于10 Lu，屬中等—強透水層。其下2 m～6 m范圍內為弱透水上帶，透水率(5 Lu≤q<10 Lu)，之下為厚約2.0 m～3.0 m的弱透水中帶，透水率(3 Lu≤q<5 Lu)。改擴建將水庫正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位抬高，總庫容增大后首先要對土壩段壩基滲流穩(wěn)定、滲流量、壩體抗滑穩(wěn)定等進行計算分析，本文重點對水庫改擴建后右岸土壩壩基防滲提出2個方案進行研究。

2 壩基防滲改擴建設計方案

改擴建后要確保土壩壩基防滲方案滿足大壩各特征水位抬高后土壩段的防滲及穩(wěn)定性要求。土壩壩基防滲根據(jù)土壩趾防滲線和壩軸線防滲線地質勘探成果，初步擬定了兩種設計方案[12-14]：(1) 壩趾設防滲墻+單排帷幕灌漿。在除險加固壩面鋪設防滲土工布工程完成的基礎上，自壩趾防滲線樁號0+167.40—0+632.52段人工堆積填土和殘坡積土層中增補C15塑性混凝土防滲墻，墻下基巖透水層設單排帷幕灌漿；(2) 自壩頂設防滲墻+單排帷幕灌漿。在除險加固工程完成的壩體斷面基礎上，自圓錐裹頭壩軸線樁號0+182.46—0+540.71段在壩頂設C15塑性混凝土防滲墻，墻底伸入基巖強風化層內1 m控制，云母石英片巖層滲透率≤5 Lu以下5 m控制設單排帷幕灌漿。

各方案詳細改擴建典型斷面如圖1所示。

圖1 各方案土壩防滲改擴建方案典型斷面(0+319)

3 各方案比選研究

為了研究上述兩方案是否滿足防滲要求及對比兩方案的優(yōu)劣，以便確定最優(yōu)方案，本節(jié)從滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定和工程投資等幾個方面進行了分析論證。

3.1 滲流穩(wěn)定計算

3.1.1 計算方法及模型

考慮水庫工程現(xiàn)狀，對上述擬定的二個方案在水庫蓄水位從52.23 m抬升至60.00 m的土壩壩體、壩基滲流情況進行分析。計算方法采用三維有限元計算，有限元模型見圖2。

圖2 壩區(qū)滲流場三維網格計算模型

計算域邊界條件設定為：上下游邊界以及底邊界均視為隔水界面；對于地表邊界，壩軸線上游側低于庫水位的地方為已知水頭邊界，高于庫水位的地方為滲流逸出面；壩軸線下游側，同樣低于下游水位的地方為已知水頭邊界條件，高于下游水位的地方為滲流逸出面。

3.1.2 計算參數(shù)

根據(jù)勘探試驗結果及反演分析確定的各地層及防滲材料的滲透參數(shù)如表1所示。

3.1.3 計算工況

土壩改擴建后的特征水位條件下的滲流計算工況見表2。

表1 陀興水庫土壩改擴建壩區(qū)各材料滲透系數(shù)

表2 滲流計算工況

3.1.4 結果分析

兩種改擴建方案在不同工況下的滲流場如圖3所示(限于篇幅文中僅給出部分結果)，整理得到的各工況條件下滲透坡降和滲流量見表3和表4。

根據(jù)滲流計算結果(圖3及表3和表4)可以看出，方案1(壩趾防滲墻+基巖帷幕灌漿)和方案2(壩頂防滲墻+壩基帷幕灌漿)均對壩體、壩基滲流有一定控制作用，可有效消減水頭和基礎覆蓋層中的滲透坡降，降低下游壩坡浸潤線。庫水位抬高后方案1各工況下總滲漏量分別為82.56 m3/d、92.44 m3/d、116.41 m3/d；方案2較方案1降低了約0.2%～3.2%。方案2主要部位的滲透比降和壩體下游水頭分布也比方案1略有減小，特別是漿砌石部位僅為方案1的60%(方案1還存在刺墻破壞后帶來的滲透隱患)。方案1在各種工況下土工膜和防滲墻共消減水頭分別為5.79 m、7.7 m和8.73 m，而方案2各種工況下消減水頭分別為5.99 m、7.87 m和8.83 m。兩方案逸出點與排水溝頂部高程(39.00 m)均基本齊平，出逸點部位滲透穩(wěn)定。綜上可知兩方面均滿足滲透穩(wěn)定要求，但無論從滲流量、滲透比降還是削減水頭方面方案2均優(yōu)于方案1。

圖3 設計洪水位時0+319壩斷面水頭等值線分布(m)

表4 各工況下的滲漏量計算結果

注：右岸山體的滲漏量只是對模型中反映出的那一部分山體進行計算獲得的。

3.2 壩體抗滑穩(wěn)定計算

3.2.1 計算方法及模型

土壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算根據(jù)規(guī)范要求，采用簡化畢肖普(Simple Bishop)法。抗滑穩(wěn)定各方案分別選取1個典型斷面進行分析，見圖1。兩方案僅在防滲措施設置的位置不同，即方案1在壩趾處設防滲墻+帷幕灌漿，方案2在壩頂設防滲墻+帷幕灌漿。3.2.2 計算參數(shù)

根據(jù)工程地質提出的土壩壩基殘積土和原土壩填土的物理力學參數(shù)建議值，土壩改擴建前后主要參數(shù)見表5。

3.2.3 計算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》[15](SL 274—2001)要求，土石壩穩(wěn)定分析主要計算工況如表6所示。

表5 土壩壩體主要參數(shù)

表6 抗滑穩(wěn)定計算工況

3.2.4 結果分析

抗滑穩(wěn)定分析主要對改擴建后的土壩正常運用條件和非常運用條件下不同水位組合進行計算?？紤]到陀興水庫區(qū)域構造相對穩(wěn)定，相應地震基本烈度為Ⅵ度，按規(guī)范要求可不進行地震工況下穩(wěn)定分析，主要對正常蓄水位60.00 m、設計洪水位61.26 m、校核洪水位64.40 m的壩體下游坡，以及水位驟降情況(初期為校核洪水位驟降至設計洪水位，后期為校核洪水位驟降至正常蓄水位)時壩體上游坡等工況進行分析。兩方案典型斷面上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)如表7所示。

表7 土壩典型斷面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

由表7可以看出，方案1和方案2在各種工況下壩體典型斷面上游壩坡和下游壩坡抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。對比兩方案可知，前三種工況條件下(正常蓄水位、設計洪水位及校核洪水位)方案2的安全系數(shù)均大于方案1，但第四種工況條件下(校核洪水位驟降)方案1的安全系數(shù)大于方案2?？梢姺桨?對校核洪水位驟降工況更為有利。但鑒于第四種工況出現(xiàn)概率低且方案2也滿足安全要求，所以可以認為方案2較方案1抗滑穩(wěn)定性略好。

3.3 投資分析

為能提出經濟合理的方案，對兩個方案進行了同精度概算。

方案1主體工程投資為1 241.3萬元；方案2主體工程投資為1 125.2萬元。方案2較方案1節(jié)節(jié)省投資9.35%，約為116.1萬元。

4 討 論

前文從滲透穩(wěn)定、壩體抗滑穩(wěn)定和投資方面對擬定的兩種改擴建方案進行了全面對比分析，其匯總結果如表8所示。

表8 兩種方案綜合分析表

綜合表8及前述分析可以看出，無論從滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定還是工程投資方面方案2均優(yōu)于方案1。特別是由于刺墻滲徑短且滲透坡降較大，方案1的刺墻一旦出現(xiàn)裂隙，庫水將會在刺墻中形成滲漏通道，對刺墻部位以及整個庫水的防滲不利。但方案2自壩頂布置的防滲墻+基巖帷幕灌漿并自土壩圓錐裹頭與刺墻接觸部位起平行刺墻布置，防滲由防滲墻承擔，刺墻既是否出現(xiàn)裂隙，也不會產生較大滲漏。因此綜合考慮多方面的影響因素，本文推薦采用方案2。

5 結 論

根據(jù)海南省陀興水庫現(xiàn)狀條件和改擴建工程地質勘探成果，針對土壩壩基擬定了兩套防滲設計方案(方案1為壩趾設防滲墻+單排帷幕灌漿；方案2為自壩頂設防滲墻+單排帷幕灌漿)并從滲流穩(wěn)定、滲流量、壩坡抗滑穩(wěn)定以及工程投資等方面開展了對比研究。研究表明，無論從滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定還是工程投資方面方案2均優(yōu)于方案1，且方案1壩趾防滲墻+單排帷幕灌漿在土壩圓錐裹頭段布置困難，同時存在與漿砌石溢流壩前帷幕灌漿的銜接問題。故為保證陀興水庫改擴建后土壩的運行安全，土壩改擴建壩基防滲推薦方案2(即壩頂設防滲墻+壩基單排帷幕灌漿)。

[1] 郭 芳，李鳳桃，汪孝宗，等.病壩之患4萬病險水庫的威脅[J]．中國經濟周刊，2011(33)：25-29.

[2] 解家畢，孫東亞.全國水庫潰壩統(tǒng)計及潰壩原因分析[J]．水利水電技術，2009，40(12)：124-128．

[3] 王 博，紀園可，周厚貴．國內大壩加高情況概述[J]．水利水電技術，2014，45(2)：57-60．

[4] 侯 雋.帶病運行的“亞洲最大”[J]．中國經濟周刊，2011(33)：34-36.

[5] 嚴祖文，魏迎奇，張國棟.病險水庫除險加固現(xiàn)狀分析及對策[J]．水利水電技術，2010，41(10)：76-79．

[6] 唐巨山，丁邦滿．橫山水庫擴建工程混凝土面板堆石壩設計[J]．水力發(fā)電，2002(7)：35-37．

[7] 文會祥．赤金峽水庫加高加固工程壩基防滲處理[J]．甘肅水利水電技術，2006，42(1)：104-105．

[8] 王 莉，鄧 迎．丹江口大壩加高左右岸土石壩設計[J]．人民長江，2004，35(11)：38-40．

[9] 翁 湛．土石壩加高加固防滲措施及邊坡穩(wěn)定的分析研究[J]．浙江水利水電學院學，2015，27(2)：17-20．

[10] 劉洪輝，朱尊亮，劉祥高．均質土壩除險加固防滲設計研究[J]．水利與建筑工程學報，2003，1(1)：18-21．

[11] 劉 文，鐘小彥，覃昕慧，等．西夏水庫防滲方案滲流場的有限體積法數(shù)值模擬研究[J]．水利與建筑工程學報，2008，6(3)：58-61．

[12] 秦鵬飛．新疆某水利工程垂直防滲方案比選[J]．水利與建筑工程學報，2017，15(1)：231-237．

[13] 陳燦明，蘇曉棟，王 馳，等．高噴灌漿在水閘滲漏隱患治理中的運用[J]．水利與建筑工程學報，2017，15(1)：131-135．[14] 楊 敏，李 寧，劉新星，等．土工布加筋土界面摩擦特性試驗研究[J]．西安理工大學學報，2016，32(1)：46-51．[15] 中華人民共和國水利部.碾壓式土石壩設計規(guī)范：SL 274—2001[S]．北京：中國水利水電出版社，2002：43-49.

Foundation Seepage Control for the Earth Dam of the Tuoxing Reservoir

JIANG Fuji1, LIU Naifei2, YE Zhihui1, RAN Tongjun1, YU Hong1

(1.GansuProvinceInstituteofWaterResourcesandHydropowerInvestigationandDesign,Lanzhou,Gansu730000,China； 2.InstituteofGeotechnicalEngineering,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an,Shaanxi710048,China)

Tuoxing reservoir was constructed in the 1960 s and 1970 s, which was divided into two stages. Now the second phase will raise the normal water level from 53.23 meters to 60.00 meters. According to the present situation of reservoir and geological exploration results, two seepage control schemes were proposed. Some comparative analysis of the two schemes were carried out which focusing on the seepage stability, sliding stability, construction cost etc. The study shows that regards to seepage stability, sliding stability or construction cost, the scheme II is better than Scheme I. The research results can provide useful reference for the design and construction of nd similar projects.

Tuoxing reservoir; earth dam; foundation seepage control; seepage stability; sliding stability

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.012

2017-03-12

2017-04-28

國家自然科學基金資助項目(11572246)

姜福基(1956—)，男，甘肅臨澤人，高級工程師，主要從事水工建筑設計工作。 E-mail: jfj19556@sina.com

TV643

A

1672—1144(2017)04—0062—05