田生有 赫振平

（山西省大同市冊(cè)田水庫(kù)管理局 山西大同037300）

1 工程概況

冊(cè)田水庫(kù)位于山西省大同縣境內(nèi)，屬海河流域永定河水系，是桑干河干流上山西省出境控制性工程，壩址以上控制流域面積1.67 萬(wàn)km2，占官?gòu)d水庫(kù)以上總流域面積的38.5%，設(shè)計(jì)總庫(kù)容5.8 億m3，屬大（2）型水庫(kù)，工程等別為Ⅱ等，水庫(kù)地震設(shè)防烈度7 度。水庫(kù)任務(wù)以防洪為主，兼顧城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉，同時(shí)還承擔(dān)“21世紀(jì)初期首都水資源可持續(xù)利用項(xiàng)目”實(shí)施后向北京市輸水的任務(wù)。水庫(kù)位于官?gòu)d水庫(kù)和北京市上游，其地理位置十分重要，是山西省唯一一座全國(guó)重點(diǎn)防汛水庫(kù)。

水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，均質(zhì)土壩施工為水中倒土和碾壓法填筑，壩頂高程62 m（本文涉及的高程皆為相對(duì)高程），最大壩高42 m，正常蓄水位高程為56 m，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水為100年一遇（P=1%），相應(yīng)水位為57.07 m，校核洪水為2000年一遇（P=0.05%），相應(yīng)水位為60.04 m。水庫(kù)樞紐工程由大壩、正常溢洪道、非常溢洪道、漿砌石重力壩、左側(cè)副壩等建筑物組成。水庫(kù)壩體位于泥河灣湖相沉積頂部的玄武巖上，玄武巖厚約5～25 m 左右，表層柱狀節(jié)理發(fā)育、滲透性大，其下為湖相沉積物，壩址有多條斷層從大壩通過(guò)。

2 防滲加固設(shè)計(jì)與施工

水庫(kù)于1958年建庫(kù)，以后雖然經(jīng)過(guò)了多次防滲處理，但主壩段和北副壩段壩防滲效果較差、不理想，壩體存在軟弱層、大壩基礎(chǔ)存在“界面”接觸沖刷、壩基玄武巖層滲漏嚴(yán)重等問(wèn)題，同時(shí)考慮壩坡可能存在未徹底處理的震后裂縫，在2009—2010年的除險(xiǎn)加固工程中對(duì)主壩段和北副壩段壩基和壩體進(jìn)行了防滲處理。

由于塑性混凝土防滲墻具有優(yōu)良的力學(xué)性能，彈性模量低，極限應(yīng)變大，能與周圍土體協(xié)調(diào)變形，墻體受力狀態(tài)好，不易產(chǎn)生裂縫，尤其是在地震區(qū)，優(yōu)良的地震性能更顯示出其優(yōu)越性，滲流系數(shù)一般小于10-7cm/s，而且有便于施工、節(jié)約水泥、減少投資等優(yōu)點(diǎn)。因此，決定防滲加固方案為壩體采用塑性混凝土防滲墻，壩基采用防滲帷幕，防滲墻與帷幕形成一道垂直防滲體，大壩經(jīng)過(guò)防滲處理后，在正常蓄水位情況下，防滲墻后壩體浸潤(rùn)線可較大幅度下降，既可以解決“界面”接觸沖刷問(wèn)題，還可以減輕大壩在強(qiáng)地震時(shí)壩體裂縫產(chǎn)生滲漏通道。

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

主壩和北副壩塑性混凝土防滲墻設(shè)計(jì)指標(biāo)為:在主壩和北副壩0+150～0+629 m 段壩軸線上游2 m 處，作垂直防滲處理，塑性混凝土防滲墻成槽深度35～45 m，深入玄武巖4 m，防滲墻設(shè)計(jì)厚度0.8 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15，抗壓強(qiáng)度R28=1.0～2.5 MPa，彈性模量E28≤500 MPa，抗?jié)B標(biāo)號(hào)為W6，滲透系數(shù)Kx、Ky=8.64×10-6m/d，防滲墻頂高程60.5 m。

帷幕灌漿設(shè)計(jì)指標(biāo)為:帷幕灌漿通過(guò)壩基玄武巖，深入玄武巖下部湖相沉積亞黏土層5 m，基巖灌漿從塑性混凝土防滲墻上、下游兩側(cè)，經(jīng)壩體對(duì)大壩基礎(chǔ)巖石進(jìn)行帷幕灌漿，為雙排帷幕。基礎(chǔ)巖石灌漿排距2 m，孔距3 m，按梅花形布置，帷幕深入玄武巖下部湖相沉積層5 m，設(shè)計(jì)要求透水率q 值為3～5 Lu，其滲透系數(shù)取Kx、Ky=0.086 4 m/d。

2.2 防滲墻施工

防滲墻施工程序:構(gòu)筑施工平臺(tái)—鋪設(shè)軌道—安裝鉆機(jī)—槽孔施工—泥漿固壁—下設(shè)混凝土導(dǎo)管—澆筑混凝土—質(zhì)量檢查。

防滲墻造孔采用沖擊反循環(huán)鉆機(jī)；泥漿固壁采用2 m3泥漿攪拌機(jī)攪拌，泥漿泵輸送；混凝土采用0.8 m3攪拌機(jī)拌制，直升導(dǎo)管法澆筑。塑性混凝土墻施工配合比見(jiàn)表1。

表1 塑性混凝土墻施工配合比

帷幕灌漿采用自上而下循環(huán)灌漿法、按序逐漸加密的原則進(jìn)行施工。初始水灰比采用5∶1，灌漿漿液的變換，遵循由稀到濃的原則，逐級(jí)改變，漿液的水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1 七個(gè)比級(jí)。

3 防滲效果及滲透穩(wěn)定性分析

通過(guò)對(duì)主壩塑性混凝土防滲墻實(shí)體檢查試驗(yàn)、加固前后防滲墻上下游水位、庫(kù)水位與管水位相關(guān)分析、浸潤(rùn)線、滲流量、位勢(shì)及滲流比降等多種方法對(duì)冊(cè)田水庫(kù)主壩塑性混凝土防滲墻防滲效果以及滲透穩(wěn)定性進(jìn)行比較分析。

3.1 塑性混凝土防滲墻施工質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)冊(cè)田水庫(kù)主壩塑性混凝防滲墻分部工程施工情況，防滲墻體質(zhì)量檢查采取現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)檢查和鉆孔取芯到水工試驗(yàn)室送檢的方法進(jìn)行綜合檢驗(yàn)，對(duì)抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)、彈性模量等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢查和評(píng)價(jià)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地注水試驗(yàn)對(duì)滲透系數(shù)檢查，進(jìn)行了4 個(gè)試驗(yàn)段的鉆孔注水試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果為塑性混凝土防滲墻的滲透系數(shù)為8.46×10-8～9.75×10-8cm/s；通過(guò)水工試驗(yàn)室對(duì)8 組抗?jié)B試塊、40 組抗壓試塊、2 組彈性模量試驗(yàn)，經(jīng)測(cè)定滲透系數(shù)達(dá)8.46×10-8～9.75×10-8cm/s、抗壓強(qiáng)度為1.1～2.3 MPa、彈模值為470～480 MPa。由檢測(cè)結(jié)果可知，主壩的防滲加固基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 加固前后防滲墻上下游測(cè)壓管水位分析

水庫(kù)在主壩0+557 斷面布置了4 排浸潤(rùn)線測(cè)壓管，分別位于壩軸線上游11 m，下游4.1 m、21.5 m、45 m，見(jiàn)表2，塑性混凝土防滲墻位于壩軸線上游2 m。

主壩段防滲墻于2009年開(kāi)始施工至2010年防滲墻水壓試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)束，由于施工期防滲墻成槽時(shí)泥漿固壁以及水壓試驗(yàn)的影響，造成壩體滲流場(chǎng)極不穩(wěn)定，因此選用2009年5月底防滲墻施工前與2015年庫(kù)水位較為穩(wěn)定期的測(cè)壓管觀測(cè)資料進(jìn)行分析。

由表2可以明顯看出，在庫(kù)水位相近時(shí)，防滲墻修建前后測(cè)壓管水位變化非常明顯，修筑防滲墻后上游測(cè)壓管J5 的水位上升了3.91 m，與庫(kù)水位接近，而防滲墻下游測(cè)壓管J6 水位下降了3.56 m，下降幅度較大。J7、J8 水位從考證表中可知基本位于其沉淀管內(nèi)已不能反映壩體滲流情況，故舍棄不用。加固前后J5、J6 水位差由4.77 m 增加到12.24 m，也說(shuō)明了塑性混凝土防滲墻對(duì)滲流水頭的消減作用較大防滲效果明顯。

表2 主壩0+557 斷面防滲墻上下游測(cè)壓管水位分析

3.3 相關(guān)分析

由于J7、J8 水位位于測(cè)壓管的沉淀管內(nèi)，已不能反映壩體浸潤(rùn)線情況，因此只對(duì)J5 和J6 進(jìn)行庫(kù)水位與管水位的相關(guān)分析。首先采用逐步回歸分析，通過(guò)計(jì)算相關(guān)系數(shù)并結(jié)合水位過(guò)程線確定出測(cè)壓管的遲后時(shí)間，去除遲后時(shí)間影響后進(jìn)行相關(guān)分析，見(jiàn)圖1、圖2（注:圖中水位為相對(duì)高程）。

圖1 J5 測(cè)壓管水位與庫(kù)水位相關(guān)圖

圖2 J6 測(cè)壓管水位與庫(kù)水位相關(guān)圖

由圖1、圖2中可知，J5 測(cè)壓管（位于防滲墻上游9 m）在防滲墻修筑后水位上升約3.9 m，斜率變化不大；J6 測(cè)壓管（位于防滲墻下游6.1 m）在防滲墻修筑后水位下降約3.5 m，說(shuō)明大壩滲流條件得到了有效改善，防滲效果明顯。圖2中J6 的相關(guān)線在修筑防滲墻后呈水平，分析原因認(rèn)為，一種情況是上游水位經(jīng)防滲墻削減后對(duì)其影響較弱，另一種情況可能是J6管安裝位置偏高造成的，需補(bǔ)充測(cè)壓管或滲壓計(jì)進(jìn)一步進(jìn)行分析。

3.4 浸潤(rùn)線法[1]

根據(jù)主壩防滲處理實(shí)際情況，采用三種滲透系數(shù)對(duì)主壩0+555 斷面浸潤(rùn)線計(jì)算。滲透系數(shù)見(jiàn)表3，分情況計(jì)算的浸潤(rùn)線見(jiàn)圖3。三種滲透系數(shù)分別是:

1）2009年除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)中采用的壩體與塑性混凝土防滲墻的滲透系數(shù)；

2）由塑性混凝土防滲墻原位鉆芯與壓水試驗(yàn)，壩體測(cè)壓管注水試驗(yàn)得出的滲透系數(shù)；

3）由J5、J6 與防滲墻對(duì)壩體進(jìn)行分區(qū)，把大壩分成防滲墻前區(qū)、防滲墻區(qū)以及防滲墻后區(qū)三個(gè)區(qū)間，通過(guò)J5、J6 水位反算求得防滲墻前后壩體滲透系數(shù)。

由圖3對(duì)各種情況下的浸潤(rùn)線情況進(jìn)行分析:

1）采用除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的K 值計(jì)算出的防滲墻后浸潤(rùn)線最低，同時(shí)在正常蓄水位56 m 與庫(kù)水位為50.2 m 時(shí)防滲墻下游浸潤(rùn)線相比上升很小，說(shuō)明防滲墻防滲效果顯著。

2）采用由J5、J6 水位分區(qū)計(jì)算求出的K 值，浸潤(rùn)線雖然消減了較大的水頭（E=40.5%），但依然比設(shè)計(jì)計(jì)算浸潤(rùn)線高出較多，結(jié)合J6 與庫(kù)水位相關(guān)圖、管水位過(guò)程線分析，認(rèn)為J6 水位位于測(cè)壓管沉淀段附近，由于測(cè)壓管施工安裝時(shí)的誤差等原因，J6 可能已經(jīng)不能真實(shí)反映壩體內(nèi)實(shí)際滲流情況。

3）采用原位試驗(yàn)K 值數(shù)據(jù)計(jì)算的浸潤(rùn)線，與采用J5、J6 水位分區(qū)計(jì)算K 值的浸潤(rùn)線基本相同，這從兩者的滲透系數(shù)接近可知。

圖3 浸潤(rùn)線圖

4）由J5、J6 水位分區(qū)計(jì)算求出的壩體K 值與原位測(cè)量的K 值相差不大，而原位測(cè)定的防滲墻K 值與規(guī)范推薦值K≤10-7cm/s 較為接近，由此滲透系數(shù)計(jì)算的浸潤(rùn)線與設(shè)計(jì)相差較大。鑒于這種情況，防滲墻后的滲流監(jiān)測(cè)應(yīng)以設(shè)計(jì)浸潤(rùn)線為參照，并按照SL551-2012 土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范要求重新埋設(shè)滲壓計(jì)或測(cè)壓管，以便及時(shí)掌握主壩運(yùn)行狀態(tài)，確保水庫(kù)安全。

3.5 位勢(shì)與坡降分析[1]

位勢(shì)是指流場(chǎng)中某一位置的測(cè)壓管水頭占全部水頭的比例，通過(guò)位勢(shì)分析可得出防滲墻在土石壩滲流中所起作用的大小；滲流坡降是防滲墻或某一壩段水頭與滲徑的比值，如果理論計(jì)算的滲透坡降大于允許坡降時(shí)，產(chǎn)生滲透破壞危險(xiǎn)的可能性就比較大，兩者的計(jì)算公式如下:

式中，Φ 為位勢(shì)；hi為某測(cè)壓管水頭，m；H1為水庫(kù)上游水位，m；H2為下游水位，m。

式中，J 為比降；h1、h2為防滲體前后或某一壩段上下游水頭，m；L 為滲徑，m。

通過(guò)四種不同情況，計(jì)算的位勢(shì)與滲流坡降數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、表5。由表4、表5可知，除由J5、J6 分區(qū)計(jì)算的防滲墻有效系數(shù)為40.5%外，另外幾種情況計(jì)算的防滲墻有效系數(shù)均達(dá)到86%以上，說(shuō)明塑性混凝土防滲墻的防滲效果明顯，各種情況下滲流坡降均小于允許比降，這說(shuō)明主壩塑性混凝土防滲墻與下游壩體的滲流穩(wěn)定是安全的。

表4 位勢(shì)分析

表5 坡降分析

3.6 壩后滲流量分析

為監(jiān)測(cè)主壩的滲流量，在主壩下游設(shè)置了量4、量6 兩處量水堰，在修筑塑性混凝土防滲墻前，庫(kù)水位多年穩(wěn)定在49～51 m 之間，量4、量6 的滲流量常年維持在12 l/s、6 l/s 左右，變化不大。在主壩修筑塑性混凝土防滲墻后，此兩處量水堰的滲流量逐漸減小，至2011年已全部干枯，壩后水位下降明顯，表明塑性混凝土防滲墻的防滲效果較為明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)多種方法對(duì)冊(cè)田水庫(kù)主壩塑性混凝土防滲墻防滲效果比較分析，以及工程多年的運(yùn)行情況表明，除險(xiǎn)加固工程對(duì)主壩壩體、壩基進(jìn)行處理后，由于塑性混凝土防滲墻與帷幕灌漿的共同作用，冊(cè)田水庫(kù)主壩防滲墻后浸潤(rùn)線下降較低，壩體底部以及防滲墻的滲透坡降均小于允許坡降，壩體與玄武巖接觸界面的滲流接觸沖刷得到改善，下游滲流量明顯減小，主壩的滲流穩(wěn)定得到很大的改善，塑性混凝土防滲墻的防滲效果明顯，有效地解決了水庫(kù)主壩滲流不穩(wěn)定的問(wèn)題，達(dá)到了水庫(kù)除險(xiǎn)加固的預(yù)期目的。但在分析中也發(fā)現(xiàn)了的一些問(wèn)題，故提出如下建議:

1）由于塑性混凝土防滲墻削減水頭較大，防滲墻下游浸潤(rùn)線水位較低，防滲墻下游測(cè)壓管已不能對(duì)壩體浸潤(rùn)線進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，因此應(yīng)在防滲墻下游重新布置埋設(shè)滲壓計(jì)或測(cè)壓管。

2）從觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，測(cè)壓管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度較低，今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)管理提高數(shù)據(jù)精度，以便更加準(zhǔn)確地掌握水庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)。

3）由于防滲墻的修筑，防滲墻上游壩體的浸潤(rùn)面較防滲墻修筑前大幅度地提高，上游壩坡的穩(wěn)定性相應(yīng)變差。因此，在今后水庫(kù)正常泄水時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求控制庫(kù)水位降速，避免主壩上游滑坡的險(xiǎn)情發(fā)生。