原平市小型水库大坝防渗措施研究

2015-07-25张志平

山西水利科技 2015年1期

张志平

（忻州市水利勘测设计院山西忻州 034000）

1 原平市小型水库现状及大坝存在问题

原平市位于山西省北中部，境内共有小型水库17座，分别坐落于滹沱河支流阳武河、长乐河、永兴河、同河、北云中河上，其中小（1）型水库7座，小（2）型水库10座。多年来，小型水库在原平市防洪、灌溉、保护生态及农村经济发展和农民生产生活水平提高等方面发挥了不可替代的作用，但由于本身的先天不足，经过多年运行，各小水库都不同程度地出现险情。尽管国家每年都给水库安排了一定数量的资金，对一些水库进行除险加固处理，但由于投入少，而需要加固的水库多，只能对部分水库较大的工程隐患进行简单地修补，不能从根本上解决问题，一直存在“两多一低一少”的严重隐患，即病险水库多、安全隐患多，防洪标准偏低，通讯、预警等设施完善少等问题，使水库的灌溉功能不能正常发挥。同时，水库的病险问题也给水库下游城乡人民群众生命财产的安全构成威胁,犹如水库下游人民“头顶一盆水”，不仅效益难以充分发挥，而且成为重大安全隐患。

由于全市小水库均建于20世纪50年代后期至7O年代初期，属典型的“三边”和“三无”工程，受建库时的历史条件、工程技术等客观因素的限制，很多水库在缺乏必要水文、地质资料和可靠的工程技术条件下，就仓促动工，使工程质量难以得到保证，存在很多缺陷，给水库留下诸多安全隐患，加之运行多年，年久失修，使水库一直带病运行，这些都是造成大坝渗漏的主要原因。

大坝渗漏主要有坝基渗漏、坝肩绕坝渗漏、坝体渗漏等三方面。

本文针对小型水库主要组成部分大坝的渗漏问题，分别以原平市神沟和将军山两座小（I）型水库为工程实例阐述几种技术可靠、施工方便的大坝防渗方案在小型水库除险加固工程设计中的应用。

2 坝基渗漏

多数病险库都存在坝基渗漏问题，①在坝体填筑前，坝基未按规范要求进行清基处理，清基不彻底导致坝基与坝体接触面间产生渗水薄弱环节，形成渗水通道；②有些水库坝基渗漏是因为坝基坐于渗透系数较大的覆盖层上，渗透比降较大，原坝基截水槽或其它垂直防渗处理措施的深度不够，未达到相对不透水层，不能有效地截断渗漏或延长渗径；③未进行坝基处理。

针对上述情况，根据坝址所在位置覆盖层的深浅采取垂直防渗或者水平铺盖措施。若覆盖层很厚，可采取水平铺盖，根据附近是否有可保证开采量的黏土料场，采用黏土铺盖或土工膜铺盖；若覆盖层较薄，可采取垂直防渗形式，垂直防渗墙的方案还应根据覆盖层的颗粒级配情况选择高喷灌浆或混凝土防渗墙。

神沟水库位于原平市解村乡西南3 km处，海河流域神沟河支流。水库原设计总库容105万m3，控制流域面积3.6 km2。1973年建成受益。枢纽工程由大坝、放水工程、溢洪道三部分组成，大坝为均质土坝，原设计坝高15 m，坝宽4 m，上游坡1：3，下游坡1：2.5。建库时未彻底截断坝基渗漏层，坝基砂卵石层是坝基的主要渗漏通道，其渗透系数极大，致使水库蓄水后，坝基渗漏隐患充分暴露，坝后呈现沼泽，对水库正常蓄水和坝体的稳定极为不利。坝基主要为第四系中更新统(Q2)黄土类土，16.5～17.5 m处含有卵砾石层，灰色，松散～中密，砾石含量大于50%，母岩成分为变质岩，含10%～20%土砂，层底埋深3.1 m，层厚1.0 m，透水性强，最大渗透系数为15 m/d。正常水位时实际水力坡降为0.504，而允许水力坡降为0.18，显然，实际水力坡降大于允许水力坡降，故存在坝基渗漏稳定问题，可能产生管涌破坏。

在坝基防渗设计中，针对坝基存在的问题，选用水平防渗与垂直防渗相结合方案，但考虑到水库经过淤积多年，坝前淤积层已形成一层天然铺盖，亦可起到延长渗径、水平防渗的作用，且加之水平铺盖投资较大，故坝基处理采用垂直防渗形式高喷防渗墙。高喷防渗墙沿坝轴线布置,工作平台设在大坝坝顶,防渗墙顶部控制在坝基淤积土层以上1 m处，底部伸入坝基面下穿过卵砾石层下1 m相对不透水层，长度76.8 m,墙体平均高度7 m，形成一道连续板墙，见图1神沟水库高喷防渗墙及右坝肩防渗剖面图。正常水位时计算水力坡降为0.15，小于允许水力坡降为0.18，坝基出逸点渗透坡降均小于允许水力坡降，大坝坝基渗流是稳定。

经过三年运行，坝后无积水，截流防渗效果显著。

3 坝肩绕坝渗漏

坝肩绕坝渗漏是指水库蓄水后，由于上下游水头差，使库水沿坝两岸孔隙、裂隙、溶洞、断层等向坝下游的渗漏。

神沟水库右坝肩处在水库低水位运行时，渗漏现象已十分明显，有出水现象，该位置出现严重的湿软塌陷，实际水力坡降大于允许水力坡降，存在坝体严重的渗漏问题。

根据现场踏勘及钻孔揭露，大坝填筑过程中，右坝肩处理未按规范进行，坝体直接与2 m厚的钙质结核层接触，致使水库运行时坝肩渗漏严重。根据钻孔揭露，该段地层主要为第四系中更新统（Q2），岩性为亚黏土，低液限黏土，浅红，粉红色，含水量高，顶部有2 m厚的钙结核层，白色，坚硬，为右坝肩绕坝渗漏的主要通道。因此，除险加固设计将与坝体直接接触的2 m厚的钙质结核层彻底挖除，换填干容重不小于1.6 t/m3的黏土，换填至校核水位，校核水位线以上至坝顶公路垫层用普通黄土回填，要求回填土干容重仍不小于1.6 t/m3。工程布置沿坝轴线方向开挖底宽2.0 m，底高程控制在钙质结核层以下1 m，边坡1:0.75的沟槽，沟槽长度51 m，见图1神沟水库高喷防渗墙及右坝肩防渗剖面图。经过右坝肩换填处理，坝体出逸点渗透坡降均小于允许水力坡降，大坝渗流是稳定的，无出水和湿软塌陷的现象。

图1 神沟水库高喷防渗墙及右坝肩防渗剖面图

4 坝体渗漏

坝体渗漏由于坝体填筑材料或者填筑标准不符合要求，密实度不够，渗透系数偏大。常采用在坝体上游坡铺设复合土工膜的处理。

将军山水库位于原平市东社镇同河碾子沟支沟上将军山脚下，控制流域面积2 km2，设计总库容118万m3，水库于1975年12月运行，由大坝、放水工程、提水泵站工程组成。大坝为均质坝，现状实测坝顶宽12.14 m，坝高23.25 m，上游坝坡设干砌石护坡，上游坝坡坡比为1：2.5、1：3.0；下游坝坡坡比为1：2.3、1：2.6。

大坝坝体孔隙比偏大，干密度偏小，当库水位达到兴利水位时，坝内浸润线在下游坝坡出逸，而且出逸点较高，出逸比降很大，坝体渗流安全存在严重的安全隐患，详见图2将军山水库上游坝坡铺土工膜前浸润线。

图2 将军山水库上游坝坡铺土工膜前浸润线图

在大坝除险加固设计中，拆除原变形塌陷的干砌石护坡，并利用拆除原护坡干砌石在上游坝脚填筑干砌石，然后按原坝坡1:2.5、1：3.0整坡，护坡采用16 cm预制砼块下铺3 cm厚水泥砂浆、150 g/0.5 mm/150 g复合土工膜，以降低坝体浸润线、改善坝体质量。对局部沉陷较严重的坝坡段，进行先夯填补平到设计坝坡。

采用有限元法进行计算，计算断面选择坝体最大横断面，计算参数根据大坝安全鉴定时的土工实验成果确定，土工膜渗透系数采用值，可以把渗透系数（Ks=1×10-12cm/s）很小、厚度很薄的土工膜换算为1 m厚的渗透系数为Ks=1×10-9cm/s的黏土层进行计算，同时考虑土工膜不可避免的缺陷，再将其渗透系数加大100倍，即Ks=1×10-7cm/s的不透水材料进行计算［1］。

由渗流计算可知，上游坝坡铺设土工膜后防渗效果显著，浸润线明显降低，出逸于下游坝脚新增贴坡排水体，坝体、坝基出逸点渗透坡降均小于允许水力坡降，认为大坝渗流稳定，见图3将军山水库上游坝坡铺土工膜后浸润线图。

经过二年的蓄水，将军山水库运行良好，大坝防渗效果显著。