楊汝昆

（陜西省山陽縣色河鋪鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)站，陜西 山陽 726400）

0 前言

凌塘水庫位于江蘇省鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)中心河上游的上黨鎮(zhèn)境內(nèi)，是鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)最大的水庫，屬太湖湖西水系，積水面積25.5 km2，總庫容1492萬m3，始建于1958年，是一座以防洪灌溉為主、兼顧生產(chǎn)養(yǎng)殖的中型水庫。水庫樞紐工程為Ⅲ等工程，大壩為均質(zhì)土壩。

該水庫始建于上世紀(jì)50年代，經(jīng)多次加高達(dá)現(xiàn)有規(guī)模。經(jīng)過近50年運(yùn)行，水庫已出現(xiàn)一系列安全隱患，危及工程安全。凌塘水庫距鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)(丹徒新城)僅5 km，若水庫潰壩將直接沖擊或淹沒范圍達(dá)10 km2，主要為揚(yáng)溧高速公路、滬寧高速公路鎮(zhèn)江支線、上黨鎮(zhèn)及附近人口較密集的村莊，威脅水庫下游約5.1萬畝耕地和1.3萬人口的安全。

凌塘水庫壩身于1958年填筑，后于1972年加高續(xù)建基本達(dá)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，土壩填筑主要是人工，夯壓不實(shí)，特別是1972年續(xù)建部分，沒有經(jīng)過質(zhì)量檢驗(yàn)。高水位期間，背水坡有較為明顯的滲漏現(xiàn)象，1991年，當(dāng)庫水位達(dá)到27 m以上時，在背水坡0+380～0+580段，高程25.5 m存在散浸現(xiàn)象。故本文對凌塘水庫土質(zhì)壩滲漏原因進(jìn)行綜合分析，以期制定適用的防滲加固方案。

1 壩體填筑質(zhì)量、滲透性及運(yùn)行情況分析

1.1 壩體填筑質(zhì)量

壩體填土的天然含水量為18.8%～28.1%，平均值24.3%；干密度為1.44 g/cm3～1.60 g/cm3，平均值1.54 g/cm3。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)知，壩身土最大干密度為1.64 g/cm3，壓實(shí)度88%～97%，平均為94%，達(dá)不到《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》SL274-2001要求的3級及以下中低壩壓實(shí)度96%～98%的要求，壩體土密實(shí)度稍差。由壩體各填土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)差異不大知，主壩壩體填筑基本均勻，但局部填土干容度較小，僅14.4 kN/m3（30孔），填土壓實(shí)度合格率偏小，說明局部壩體填土質(zhì)量較差。

1.2 壩體填土滲透性

本次勘察對壩體填土進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)及現(xiàn)場鉆孔注水試驗(yàn)，測定其滲透性。壩體填土室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果見下表1，注水試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 壩體填土室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)統(tǒng)計表

表2 注水試驗(yàn)成果一覽表

由表1、表2可知，室內(nèi)土工滲透試驗(yàn)平均值為5.14×10－5cm/s，注水試驗(yàn)確定的滲透系數(shù)K為 2.42×10－5～1.42×10－4cm/s，不能完全滿足《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》中“均質(zhì)土壩壩體滲透系數(shù)不大于1×E-04 cm/s”的要求。根據(jù)現(xiàn)場注水試驗(yàn)結(jié)果可知，主壩上共進(jìn)行注水試驗(yàn)8處，大壩中段“注2孔、105孔”①層滲透系數(shù)較大，達(dá)中等透水，不滿足規(guī)范要求；23#鉆孔中出現(xiàn)沖洗液漏水現(xiàn)象。

1.3 壩基滲透性

大壩0+167斷面勘探剖面見圖1，根據(jù)現(xiàn)場勘察、室內(nèi)土工試驗(yàn)、原位測試結(jié)果，壩址區(qū)所揭示的地基土層，按其成因類型、地質(zhì)年代及性狀自上而下可分為:

②層（Q4al）:粉質(zhì)粘土（中粉質(zhì)壤土）。黃色、灰黃色，軟塑-可塑，局部粉性大。本層為微-弱透水層，切面有光澤，一般為原地表土。層頂高程為17.3 m～27.1 m，層厚為0.8 m～8.0 m，平均厚度為4.4 m。

③層（Q3al）:粉質(zhì)粘土（重、中粉質(zhì)壤土）。黃色、灰黃色，可塑-硬塑，局部粉性稍大。不均勻，局部底部較上稍軟。本層為微透水層。層頂高程11.8 m～26.8 m，平均厚度為6.2 m。

④層（k2）基巖。成分主要為浦口組砂巖，強(qiáng)～中風(fēng)化。紫紅色、暗黃色，塊狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，裂隙被鈣質(zhì)等充填，為不透水層或極微透水層。本次勘探未鉆穿。

壩基土室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 壩基土室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)統(tǒng)計表

圖1 大壩0+167斷面勘探剖面

對②、③層粉質(zhì)粘土進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)表明②、③層滲透系數(shù)為微～弱透水性；對④層砂巖進(jìn)行壓水試驗(yàn)，根據(jù)壓水試驗(yàn)成果可知，該層透水率為0.16 Lu，為微透水性。

1.4 實(shí)際運(yùn)行情況

高水位期間，背水坡高位有較為明顯的滲漏現(xiàn)象，1991年，當(dāng)庫水位達(dá)到27 m以上時，在背水坡0+380 m～0+580即200 m長、高程25.5 m處存在散浸現(xiàn)象，出逸點(diǎn)高于壩高的三分之一（參考《堤防處理》），為非正常滲流，應(yīng)進(jìn)行處理。

2 防滲加固處理方案

文中1.2節(jié)提出的三個問題注水孔分布于0+110～0+310之間的高壩段?？紤]到大壩系采用人工填筑，新老填土及分界線等處理不夠徹底、碾壓不實(shí)、高水位時背水坡滲流逸出點(diǎn)較高等因素，主壩高壩段及中壩段宜采用防滲措施處理，處理范圍為0+000～0+650段。迎水坡護(hù)砌損壞，背水坡排水設(shè)施簡易、不完整，部分壩段在高水位期間有滲水現(xiàn)象，因此應(yīng)對主壩迎水坡護(hù)坡整修加固。

2.1 主壩壩身防滲處理方案

根據(jù)本水庫除險加固的實(shí)際情況采用垂直防滲方案。深層攪拌樁法適用于軟土層、砂性土的改良，防滲墻擬采用多頭小直徑深層攪拌機(jī)施工法，多頭小直徑深層攪拌噴灌漿防滲墻，適用于各類粘性土、沖填砂、砂性土，施工條件要求低、防滲效果好、結(jié)構(gòu)簡單。故采用多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻對其進(jìn)行防滲處理。

2.2 防滲墻方案設(shè)計

防滲墻厚度按下式計算:

式中:T為最小防滲墻厚度，m；△H為最大上下游水頭差，根據(jù)滲流計算得△H=3.50 m；[J]為防滲墻允許水力坡降，參考相關(guān)資料取30。

經(jīng)計算，T=0.12 m?？紤]施工可能帶來的垂直偏差等，取有效厚度0.30 m，單樁直徑為0.4 m，搭接處取最小成墻厚度0.30 m，樁間搭接13.5 cm，滿足防滲要求。

多頭小直徑水泥土攪拌樁截滲墻水泥宜為普硅42.5級，水泥摻入量15%以上。要求室內(nèi)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1000 kPa（28天齡期），截滲墻現(xiàn)場取芯無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于600 kPa，要求滲透系數(shù)達(dá)5×10-6cm/s以下。

樁進(jìn)入第②層土以下不小于1 m，或進(jìn)入第③層土以下0.5 m，本次壩體防滲墻為 0+000（溢洪道）～0+650(DCS04)段，工段長650 m，最大孔深13.7 m，總面積7700 m2。

2.3 背水坡反濾設(shè)計

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，土石壩應(yīng)設(shè)置壩體排水，用以降低浸潤線和孔隙壓力，改變滲流方向，防止?jié)B流出逸處產(chǎn)生滲透變形，保護(hù)壩坡土不產(chǎn)生凍脹破壞。根據(jù)實(shí)際情況，本水庫大壩可采用棱體排水或貼坡式排水。

由圖2知，本水庫大壩防滲處理后，下游壩坡出逸點(diǎn)高程已較低，故選擇貼坡式排水。

2.4 壩基防滲處理方案

主壩背水坡壩腳現(xiàn)有護(hù)壩地寬12 m～18 m，寬度不足，護(hù)壩地外為魚塘，據(jù)滲流穩(wěn)定計算，護(hù)壩地外出逸比降均大于壩腳處出逸比降，護(hù)壩地外魚塘有可能成為防滲薄弱環(huán)節(jié)，需加固處理。本水庫周邊其它中型水庫護(hù)壩地寬度均為壩高的2倍左右，因此，本次除險加固擬進(jìn)行填塘固基，使護(hù)壩地寬度達(dá)兩倍壩高。

凌塘水庫最大壩高為13.0 m，設(shè)計高壩段護(hù)壩地寬度為26.0 m，范圍0+000～0+560，該段范圍內(nèi)現(xiàn)有護(hù)壩地高程在21.50 m左右，高低起伏、不齊整，本次除險加固擬將護(hù)壩地平整至高程22.50 m，需填塘固基范圍為0+069～0+477，主壩填塘工段總長380 m，需填塘寬8 m～14 m。里程0+560～0+740的護(hù)壩地按8 m控制，按設(shè)計斷面整平至高程28.0 m～30.0 m。

3 除險加固后的大壩穩(wěn)定性計算

3.1 滲流計算

（1）計算工況的選用

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）的規(guī)定，結(jié)合凌塘水庫的具體現(xiàn)狀，滲流計算按以下工況進(jìn)行:①水位在壩高1/3位置，穩(wěn)定滲流；②正常蓄水位（興利水位）26.0 m，穩(wěn)定滲流；③設(shè)計洪水位28.13 m，穩(wěn)定滲流；④校核洪水位29.23 m，穩(wěn)定滲流；

（2）計算斷面及計算參數(shù)

對DCS19(采用3-3’地質(zhì)剖面)加固后斷面采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所研制的水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)《AutoBANK v 4.0》進(jìn)行計算。滲流量計算采用土層滲透系數(shù)的大值平均值，水位降落時浸潤線計算采用各土層滲透系數(shù)的小值平均值，逸出點(diǎn)高度、比降等其它滲流計算均采用各土層滲透系數(shù)的平均值。計算參數(shù)見4。

（3）計算成果

主壩設(shè)計斷面（DCS19）滲流計算成果見表5。由表5可知，主壩壩坡及壩基出逸比降均小于允許坡降，滿足規(guī)范要求。故加固后主壩滲流穩(wěn)定計算可以滿足要求，滲流量有所減小，浸潤線明顯下降，逸出點(diǎn)高度也明顯下降。

圖2 主壩設(shè)計斷面DCS19滲穩(wěn)定計算

表4 凌塘水庫大壩滲流及壩坡穩(wěn)定計算參數(shù)采用表

表5 主壩設(shè)計斷面（DCS19）滲流計算成果表

3.2 邊坡穩(wěn)定、抗滑、抗震計算

采用推薦方案對大壩進(jìn)行除險加固后，對壩坡穩(wěn)定進(jìn)行計算。計算采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所研制的土石壩/堤防穩(wěn)定分析系統(tǒng)《Slope v1.0》，并選用簡化畢肖普法，計算采用各層土體的慢剪強(qiáng)度指標(biāo)。

（1）計算工況

根據(jù)SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，分析穩(wěn)定滲流期的上下游壩坡、庫水位降落期的上游壩坡的抗滑抗震穩(wěn)定安全性，擬定采用工況如下。

1）上游坡

①危險水位（1/3壩高水位），壩體形成穩(wěn)定滲流；②正常高水位26.50 m，壩體形成穩(wěn)定滲流；③設(shè)計洪水位28.13 m，壩體形成穩(wěn)定滲流；④校核洪水位29.23 m，壩體形成穩(wěn)定滲流；⑤死水位21.70 m，壩體形成穩(wěn)定滲流。

2）下游坡

①正常高水位26.50 m，壩體形成穩(wěn)定滲流；②設(shè)計洪水位28.13 m，壩體形成穩(wěn)定滲流；③校核洪水位29.23 m，壩體形成穩(wěn)定滲流；④死水位21.70 m，壩體形成穩(wěn)定滲流。

（2）計算成果

①主壩DCS19位于高壩段，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定、抗滑、抗震計算，地質(zhì)剖面采用3-3’地質(zhì)剖面。主壩DCS19設(shè)計斷面邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果見圖3，凌塘水庫大壩DCS19抗滑計算成果見表6，凌塘水庫DCS19標(biāo)準(zhǔn)斷面大壩抗震計算成果見表 7。

圖3 主壩DCS19設(shè)計斷面邊坡穩(wěn)定計算（單位:m）

表6 凌塘水庫大壩DCS19抗滑計算成果表

表7 凌塘水庫DCS19標(biāo)準(zhǔn)斷面大壩抗震計算成果表

由圖3知，幾種工況下邊坡穩(wěn)定性均滿足要求；由表6、表7可知，抗滑、抗震安全系數(shù)皆大于規(guī)范，滿足要求。

4 結(jié)語

根據(jù)凌塘水庫滲漏實(shí)際情況和水庫現(xiàn)況，運(yùn)用多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻+增設(shè)貼坡式排水+填塘固基防滲加固方案設(shè)計，結(jié)合《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001），采用水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)和土石壩/堤防穩(wěn)定分析系統(tǒng)《Slope v1.0》分別對加固方案實(shí)施后的壩體進(jìn)行滲流及壩坡穩(wěn)定計算，大壩經(jīng)除險加固后，能滿足滲流穩(wěn)定、抗滑、抗震要求。防滲加固方案施工后，大壩至今未再出現(xiàn)滲漏問題。因此，多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻作為凌塘水庫土質(zhì)壩主要防滲加固措施，能有效解決凌塘水庫土質(zhì)壩防滲問題。結(jié)果可為類似均質(zhì)土壩水庫滲漏加固工程提供參考。