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水庫(kù)庫(kù)區(qū)防滲處理設(shè)計(jì)方案論證論文
【摘要】
針對(duì)瀑河水庫(kù)滲漏嚴(yán)重的問題，為保證大壩滲流穩(wěn)定和減小滲漏量，通過分析庫(kù)區(qū)地質(zhì)資料，推薦采用土工膜水平防滲處理方案。根據(jù)庫(kù)
區(qū)天然鋪蓋等厚度圖分析和必要的滲流計(jì)算，確定了庫(kù)區(qū)土工膜水平防滲的范圍。該方案可以基本解決大壩存在的問題。保證大壩安全。
【關(guān)鍵詞】
滲流穩(wěn)定；滲漏量；防滲處理；土工膜
1 工程概況
瀑河水庫(kù)位于海河流域大清河水系的瀑河中游，壩址座落在河北省保定市徐水縣解村村北0.5km處，距徐水縣城25km。水庫(kù)控制流域面積263km2。
瀑河水庫(kù)總庫(kù)容為0.975億m3,洪水標(biāo)準(zhǔn)為1一遇洪水設(shè)計(jì)、一遇洪水校核,是一座以防洪為主兼顧灌溉的中型水利樞紐工程。
2 工程存在的主要問題
長(zhǎng)期以來(lái)，由于壩基滲漏嚴(yán)重，致使工程不能正常發(fā)揮應(yīng)有的效益。壩后曾多次出現(xiàn)管涌和大面積沼澤化現(xiàn)象，大壩存在滲透破壞的危險(xiǎn)。經(jīng)過多年的運(yùn)用觀測(cè)表明：當(dāng)水庫(kù)蓄水時(shí)，壩下游地下水隨庫(kù)水位的增高變化明顯，說明壩基滲透強(qiáng)烈。1973年10月蓄水后，庫(kù)水位達(dá)到39.4m，至1974年3月庫(kù)水位已下降到36m，總滲漏量1300萬(wàn)m3；當(dāng)庫(kù)水位高于38m時(shí)，庫(kù)水滲漏明顯加劇。水庫(kù)實(shí)際運(yùn)用過程中也曾發(fā)生過多次管涌破壞，1960年6月，當(dāng)庫(kù)水位達(dá)40m時(shí)，水庫(kù)下游3～4km處的戶木、南城村一帶，出現(xiàn)嚴(yán)重沼澤化。主壩后發(fā)生管涌，河灘出現(xiàn)涌泉，井水外流，戶木村局部住房地面滲水。
1963年8月8日，當(dāng)庫(kù)水位達(dá)45.18m時(shí)，樁號(hào)1+050處壩后反濾溝出現(xiàn)管涌13處，冒出帶泥沙的渾水。
1977年8月27日，當(dāng)時(shí)庫(kù)水位40.38m，在樁號(hào)0+406的壩后反濾溝溝頭，距壩軸線58.75m，高程33.83m的位置，發(fā)生管涌。為保大壩安全，采取放水降低庫(kù)水位措施，使集中滲流有所減少。但在一個(gè)月后，即9月25日，庫(kù)水位40.05m，上述位置再次出現(xiàn)管涌。1978年和1979年為了渡汛安全，用濾料對(duì)管涌部位進(jìn)行臨時(shí)處理,并將反濾溝改為盲溝。1979年8月20日～12月10日4個(gè)月內(nèi)，庫(kù)水位保持在40.13～40.40m之間，壩后未發(fā)生管涌現(xiàn)象，但壩后地下水位明顯升高，與上游庫(kù)水位幾乎同步變化，水位最高達(dá)到38.56m。
3 水庫(kù)滲漏和發(fā)生管涌原因分析
3.1 地質(zhì)條件
根據(jù)工程地質(zhì)資料，樁號(hào)0＋100～0＋380段河床砂卵石與下部卵礫石層連通，下部卵礫石層不僅厚度大，而且分布在庫(kù)區(qū)下部、壩基和庫(kù)外的廣大范圍內(nèi)，形成庫(kù)內(nèi)外的連通，因此形成良好的滲漏通道。樁號(hào)2＋080～3＋220段表層黃土狀壤土中所夾粗砂層，層厚4～6m；埋深3～11m，頂板高程32～39.5m，與河漫灘砂卵石層相通，庫(kù)內(nèi)外亦連通。在枯水年，該砂層無(wú)水，當(dāng)庫(kù)水位上升時(shí)，該段成為水平集中滲漏段。樁號(hào)4＋200～5＋700段，砂卵石層埋深為2～10m，頂板高程34．6～44m，與河漫灘卵礫石層相通,庫(kù)內(nèi)外亦連通。該層厚度大且與樁號(hào)4+200段以前的深層卵礫石層為一層。庫(kù)水位一旦上升，這里將成為集中滲漏帶，其滲漏量將比樁號(hào)2+080～3+220段滲漏量還大。
范村村北地表以下6～7m,廣泛分布有粗砂層透鏡體,回水淹沒后易形成水平滲漏。1985年勘探時(shí),在樁號(hào)0+500～0+800段發(fā)現(xiàn)埋深8.0m，厚0.8m的透水砂帶，按其走向和高程分析，此砂帶從壩前延伸至壩外，副壩壩后管涌與該透水砂帶有關(guān)。水庫(kù)水平防滲重點(diǎn)應(yīng)放在庫(kù)區(qū)上游段現(xiàn)代河床和二級(jí)階地以下砂層出露或埋深較小地段，其它部位要視天然鋪蓋分布厚度考慮。防滲的目的是要最大限度地減小壩基滲漏量和壩下卵礫石層的滲壓水頭。
3.2滲漏和管涌原因分析
通過以上現(xiàn)象和地質(zhì)條件分析可知，壩基滲漏基本上是沿庫(kù)區(qū)現(xiàn)代河床以及二級(jí)階地的砂層出露部位，滲入下部的深厚砂卵石層，通過深厚的砂卵石層排泄到庫(kù)外的。由于存在良好的滲流通道，因此滲漏嚴(yán)重。由鉆探剖面可知，發(fā)生管涌范圍上游在高程33.5m左右夾有薄層砂層呈條帶狀分布區(qū)域，走向幾乎與該段壩軸線平行,分布寬度約70m，厚度一般0.2～0.7m。砂層的存在是壩后管涌形成的基本條件，反濾溝將砂層切割形成臨空面是誘發(fā)管涌的外在原因。由管涌發(fā)生時(shí)庫(kù)水位分析，砂層與庫(kù)區(qū)上游二級(jí)階地所夾砂層特別是與某處階地坎壁出露的砂層相連通。當(dāng)庫(kù)水位升高，庫(kù)水進(jìn)入階地坎壁出露砂層形成滲流時(shí)，滲透坡降增大，流速增強(qiáng)，在反濾溝內(nèi)的臨空出逸點(diǎn)附近形成較集中的滲流，且對(duì)與砂層接觸的土層產(chǎn)生接觸沖刷，并攜帶細(xì)顆粒出逸，造成管涌現(xiàn)象的發(fā)生。
4 庫(kù)區(qū)防滲處理方案比較
通過對(duì)和在下庫(kù)庫(kù)區(qū)進(jìn)行的地勘資料及天然鋪蓋等厚度圖分析，除沖溝以外，壩前200m范圍內(nèi)的天然壤土鋪蓋較為連續(xù)，厚度達(dá)4～15m，具有弱～中等透水性，因此，通過這部分滲漏的水量不會(huì)很大。一級(jí)階地和右側(cè)二級(jí)階地以及主河床部位，大面積的土層較薄，厚度不足3m，甚至小于2m，而且還存在局部砂層、砂卵石層出露的現(xiàn)象，這些部位出露的高程大多在38m以上。這也是庫(kù)水位在38m以上壩基滲漏加劇的原因。雖然這些部位距壩體較遠(yuǎn)，但由于其下的卵石層連續(xù)性較好，厚度較大，滲透性強(qiáng)，滲漏量還是相當(dāng)大的。
大壩壩基的地質(zhì)勘探資料表明，壩基的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，卵礫石層厚度大、分布范圍廣，滲透性強(qiáng)，基巖埋深最大83.6m，河床寬度大，施工難度大，而且費(fèi)用高。如果為了達(dá)到徹底解決滲漏問題，保證壩基不發(fā)生滲透破壞和下游不再發(fā)生沼澤化的效果，可以采用深入基巖的垂直防滲墻。另外，如果本著上堵下排的原則，也可以采用上游加強(qiáng)防滲與下游排滲減壓相結(jié)合的防滲措施，采用水平防滲方案。針對(duì)瀑河水庫(kù)的地層分布情況及水庫(kù)滲漏的特點(diǎn)，分別對(duì)水平防滲和垂直防滲方案進(jìn)行了分析比較。提出以下3個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選。
4.1土工膜水平防滲方案
根據(jù)工程地質(zhì)資料分析，水庫(kù)大壩附近的壤土覆蓋層平均厚度為5～20m；也就是說，主壩前的人工鋪蓋及副壩前的天然鋪蓋較好，不是主要的垂直入滲的部位。在庫(kù)區(qū)沿原河道部位，存在一條天然鋪蓋薄弱帶，且在河道二級(jí)階地部位，有砂層或者砂卵石出露，為主要的垂直入滲部位，是造成滲漏的主要原因。因此對(duì)庫(kù)區(qū)弱透水層較薄部位和砂層出露部位，采用土工膜水平防滲處理。土壩水平防滲處理的原則是上堵下排，以保證大壩滲流穩(wěn)定。從庫(kù)區(qū)天然鋪蓋等厚度圖可以明顯看出，壩前壤土層的厚度較大，垂直入滲量不大，而現(xiàn)代河床部位弱透水層很薄，局部砂層出露直接與深層砂卵石層相通，主要垂直入滲部位為現(xiàn)代河床，因此水平防滲重點(diǎn)為庫(kù)區(qū)大面積的現(xiàn)代河床位置。對(duì)于局部的采砂坑和范村舊址的坑圈井窖導(dǎo)致局部的滲漏通道，也進(jìn)行封堵處理。在主壩和靠近主壩的部分副壩，也就是曾經(jīng)發(fā)生管涌的位置，需增加壩體排水。
根據(jù)計(jì)算成果分析，當(dāng)砂卵石層滲透系數(shù)與上層壤土滲透系數(shù)相差100倍以上時(shí)，庫(kù)區(qū)滲漏量與上層壤土的厚度和滲透系數(shù)有直接的關(guān)系。當(dāng)壤土的滲透系數(shù)為1.010-4cm/s，上層壤土的厚度較大時(shí)，砂卵石層的滲漏量有大幅度降低,或者當(dāng)上層壤土厚度較小，但是滲透系數(shù)也較小時(shí)，達(dá)到1.010-6cm/s，滲漏量也會(huì)有大幅度的降低。由滲流計(jì)算可知，當(dāng)壤土厚度達(dá)到3.0m時(shí)，滲透系數(shù)達(dá)到1.010-5cm/s，當(dāng)水位為40m的情況下，水庫(kù)滲漏量為0.28m3/d?m；當(dāng)水位為46.59m時(shí),水庫(kù)滲漏量為1.92m3/dm。基本可滿足防滲要求.而土工膜的滲透系數(shù)為1.010-14cm/s，根據(jù)達(dá)西定律可知，滲漏量與滲透系數(shù)成正比關(guān)系，所以土工膜防滲可滿足防滲要求。
根據(jù)地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，對(duì)于水庫(kù)的滲流穩(wěn)定問題，主要原因應(yīng)為存在滲流通道導(dǎo)致庫(kù)區(qū)滲漏嚴(yán)重，而壩體下游較單薄的壤土層，不能承受幾乎沒有消減的上游水頭,使土體承受的水力坡降大于土體允許的出逸坡降，發(fā)生管涌等滲透破壞。因此通過在上游滲流通道進(jìn)口采取防滲措施，消減水頭，使下游土體承受的水頭減小，達(dá)到解決大壩滲流穩(wěn)定的目的。
根據(jù)滲流計(jì)算分析，庫(kù)區(qū)天然鋪蓋厚度小于3.0m時(shí)，滲漏將加��；當(dāng)天然鋪蓋厚度大于3.0m時(shí)，滲漏量相對(duì)較小。因此，水平防滲處理范圍為天然鋪蓋厚度小于3.0m的部位，主要分布在現(xiàn)代河床部位。
4.2壤土水平防滲方案
對(duì)天然鋪蓋厚度小于3.0m的部位,先進(jìn)行平整,用壤土進(jìn)行鋪蓋補(bǔ)強(qiáng)。與土工膜水平防滲方案不同的是防滲體由土工膜改為壤土.因此，要求作為防滲鋪蓋的壤土必須有較小的滲透系數(shù)。施工過程中，采用分層碾壓，控制最大干容量和最優(yōu)含水量。土料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)要根據(jù)當(dāng)?shù)赝亮嫌脫魧?shí)儀進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)來(lái)決定。壤土平均補(bǔ)強(qiáng)厚度為2.0m，要求土料粘粒含量不少于20%，壓實(shí)度不低于0.93。該方案要到庫(kù)區(qū)以外尋找料場(chǎng)，運(yùn)輸?shù)綆?kù)區(qū)。防滲鋪蓋占用部分庫(kù)容。
4.3垂直防滲方案
根據(jù)地質(zhì)勘察資料可知，壩前天然鋪蓋厚度不均，具中等透水性，大范圍的垂直入滲較強(qiáng)烈；庫(kù)區(qū)河床靠上游段壤土層較薄，局部卵礫石層出露，壩基卵礫石層厚度較大，且分布連續(xù)廣泛，并與河床卵石層相通，導(dǎo)致庫(kù)水垂直入滲后通過卵礫石層向庫(kù)外排泄,造成壩基滲漏嚴(yán)重。由于局部地段卵礫石層與上部土層直接接觸，卵礫石層粗粒含量較高，缺少砂粒填充，透水性強(qiáng)，高水頭作用下易產(chǎn)生層間接觸沖刷，潛蝕作用會(huì)影響壩基滲透穩(wěn)定。為解決壩基嚴(yán)重滲漏與壩基滲透穩(wěn)定，對(duì)深厚的砂卵石地基采用混凝土防滲墻防滲是行之有效的措施�；炷练罎B墻布置在壩軸線上游壩腳位置。防滲墻頂端埋入壩腳，下端要求穿透深層的砂卵石層,打入相對(duì)不透水層。壩基為粘性土、砂性土、碎石土及堅(jiān)硬巖多層結(jié)構(gòu)，其中砂卵石層下分布有較連續(xù)的粘土層，滲透系數(shù)較小，可作為相對(duì)隔水層，為減少工程量及施工難度，在粘土層較厚部位，防滲墻下端打入粘土層內(nèi)不小于2.0m，粘土層較薄的部位要求防滲墻嵌入基巖。防滲墻平均深度為62m，墻體厚度0.8m，混凝土強(qiáng)度為c10。
4.4方案比較
經(jīng)比較分析可知：①垂直防滲方案。防滲效果好，但是防滲墻深度大，壩線長(zhǎng)，防滲墻總面積達(dá)32萬(wàn)m2，施工難度大，工期長(zhǎng)達(dá)4年。工程總投資最高，達(dá)46371萬(wàn)元。②壤土水平防滲方案。施工較易，但防滲處理效果不如土工膜水平防滲方案，總投資為13998萬(wàn)元，比土工膜水平防滲方案大。施工用的粘壤土要到庫(kù)區(qū)或庫(kù)外較遠(yuǎn)的地方運(yùn)土，對(duì)庫(kù)容有一定減小。施工時(shí)要嚴(yán)格控制碾壓質(zhì)量，對(duì)施工要求嚴(yán)格。③土工膜水平防滲方案。施工容易，防滲效果好。
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