阳坡水库除险加固工程大坝防渗措施浅析

1 工程概况

临县阳坡水库位于山西省临县湫水河上游, 兴、临两县的接壤处, 距阳坡村约1km。湫水河发源于兴县的白龙山东北麓大坪头, 自东向西流入黄河。阳坡水库是一座以防洪、灌溉为主, 兼顾养殖等综合利用的中型水利枢纽工程。坝址控制流域面积251km2, 阳坡水库现状总库容1757m3。水库所在区域为大陆性气候, 多年平均降雨量467.6mm, 最大降雨量为894.9mm, 最小降雨量仅达到228.9mm。1958年4月动工, 1959年7月竣工蓄水后, 发现坝下游有部分渗漏。经过多次加固和两次改扩建, 阳坡水库目前仍存在诸多问题, 经安全评价鉴定, 阳坡水库为三类病险水库。因此, 为确保水库工程安全运行, 对水库工程进行除险加固是十分必要的。

大坝为均质土坝, 坝顶长705m, 坝顶宽5.0m, 坝顶高程1029.2m, 最大坝高30.2m, 坝顶筑防浪墙高1.2m, 墙顶高程1030.4m。大坝坝基河床高程为999.0m左右。

2 坝基工程地质条件

大坝位于湫水河上游白文镇阳坡村东偏南约500m处, 河流方向自东向西, 主河道位于河床右侧, 河床高程994m~998m, 宽约500m, 地形平坦, 向下游变的较为开阔, 总体呈“U”字型河谷断面。坝基地层岩性主要为:第四系全新统洪冲积卵石混合土及低液限粘土, 上部为低液限粘土, 厚1m~3m, 下部为卵石混合土, 稍密, 主要分布于坝基河床及河漫滩, 厚5m~24m;上第三系上新统静乐组卵石混合土, 局部胶结, 杂色, 次棱角~次圆状, 岩性主要为变质岩、灰岩, 分布于左坝基古河道, 厚5m~8m;下元古界黑茶山群长石石英岩, 粗粒结构, 块状构造, 岩性坚硬, 岩体较完整, 分布于坝基覆盖层以下, 基岩为单斜构造, 岩层产状N45°~50°E/NW∠54°~62°, 岩层倾向右岸偏下游。岩体强风化层厚度一般1m~3m。

据钻孔压 (注) 水试验资料, 右坝基第四系全新统晚期洪冲积卵石混合土渗透系数为10.23m/d, 属强透水层;左坝基古河道第四系全新统早期洪冲积卵石混合土渗透系数为5.01m/d, 属中等透水层;左坝基古河道上第三系上新统卵石混合土渗透系数为5.93m/d, 属中等透水层;坝基基岩透水率小于5Lu, 属弱透水层。

按坝基古河床与现代河道所在位置、第四系全新统洪冲积厚度及设截水槽情况将坝基分为左、右坝基两部分。左坝基为桩号0+625~0+240m段, 该段为古河道段, 河谷深切, 覆盖层厚达26m~31m, 岩性为第四系全新统洪冲积卵石混合土与低液限粘土和上第三系上新统静乐组卵石混合土, 局部夹级配不良砂透镜体, 该段坝基无截水槽。该段坝下覆盖层上部为低液限粘土, 厚度一般1.4m~7.1m, 左厚右薄, 上游厚下游薄;低液限粘土以下为卵石混合土夹低液限粘土透镜体。右坝基为桩号0+240~0+030m段, 该段为现代河床, 基岩埋深浅, 覆盖层厚5.3m~6.6m, 岩性为第四系全新统洪冲积卵石混合土, 坝基设截水槽, 长190m。

3 坝基工程地质问题及评价

3.1 截水墙设置不连续问题及评价

根据水库有关资料记载, 坝基截水槽平行坝轴线布置, 位于坝轴线上游32.5m处。从右向左:桩号0+050~0+240段 (长190m) 设截水槽, 槽底置于基岩之上, 宽0.5m, 深3~4m, 但右端长约10m一段未挖至基岩;桩号0+240~0+261.7段设截水槽, 该段截水槽从桩号0+240后转向上游, 与坝轴线呈76°夹角, 延伸长9 0 m, 深度3 m~4 m;桩号0+261.7~0+625段未设截水槽。据水库有关资料记载和当时参加水库建设人员介绍, 建库初期左坝基曾发生严重渗漏与管涌险情, 之后进行了封堵铺盖处理。该水库未经受正常蓄水位的考验, 本次勘察时发现坝下游坡脚处桩号0+188~0+365m段有五处渗水点, 分析由于该段坝基无截水槽, 在正常蓄水位条件下产生渗漏, 并可能产生渗透变形。

3.2 坝基卵石混合土与坝体土界面渗透变形判别

坝基卵石混合土与坝体土为粗细悬殊的颗粒接触, 具双层结构, 二层接触面可能产生接触冲刷。按《水利水电工程地质勘察规范》 (GB50287-99) 中有关规定采用以下公式进行评价。当上、下两层粒径组成符合下式时不会发生接触冲刷。

式中:D10, d10——分别代表粗粒土和细粒土的某一粒径 (mm) , 小于该粒径的土粒质量为总土粒质量的10%。

据坝基卵石混合土和坝体土颗分资料, 分别取D10和d10的平均值D10=0.39、d10=0.0028, 经计算D10/d10=139.3, 大于不会发生接触冲刷的条件D10/d10≤10的标准, 故坝体土和坝基卵石混合土层接触面可能存在接触冲刷问题。

4 坝基防渗处理方案选定

大坝坝基存在渗透破坏, 经大坝渗流稳定分析计算, 坝基未设截水槽段坝基卵石混合土出逸比降大于允许值, 不满足规范要求, 而且坝体土和坝基卵石混合土层接触面可能存在接触冲刷问题。由于上述原因, 为了使水库能够安全运行, 必须对坝基进行防渗处理, 以解决目前存在的安全隐患问题。

本工程坝基处理的基本特点是: (1) 处理深度较大, 为坝顶以下34.84m~50.68m; (2) 处理范围内坝基土第四系全新统洪冲积卵石混合土与低液限粘土和上第三系上新统静乐组卵石混合土, 局部夹级配不良砂透镜体。结合本工程的实际情况, 比较适合防渗加固的工程措施为:混凝土防渗墙, 深层搅拌法防渗墙, 高压喷射防渗墙等方法。

混凝土防渗墙是采用薄型液压抓斗在坝体及下伏土层中挖掘成槽, 然后浇筑混凝土形成连续防渗墙, 其特点是:墙体连接可靠, 整体性好, 平整度高, 施工质量易于保证, 处理深度大、防渗效果好, 但单位面积造价高。混凝土防渗墙施工时需从坝顶开槽至坝基, 将混凝土防渗墙自槽底浇筑至坝顶, 而本工程中需防渗处理的是坝基覆盖层, 坝体为均质土坝, 渗透性能满足要求, 不需进行防渗处理, 可见如在本工程中采用混凝土防渗墙将造成了不必要的浪费, 加大投资。

深层搅拌法防渗墙主要是利用水泥作为固化剂, 通过特别的深层搅拌机械, 在地基深处就地将软土和水泥 (浆液或粉体) 强制搅拌后, 水泥和软土将产生一系列物理—化学反应, 使软土硬结改性。改性后的软土强度大大高於天然强度, 其压缩性, 渗透性比天然软土大大降低。深层搅拌法防渗墙施工简便, 工效高, 料源广, 造价低, 与坝体及基岩面搭接部位防渗效果好, 工程投资小。但深层搅拌法防渗墙处理深度一般不大于30m, 在本工程中不适用。

高压摆喷灌浆防渗是借助于高压水泥浆液射流冲击破坏被灌地层结构, 使水泥浆液与被灌地层土颗粒掺混, 形成壁状固结体而起防渗作用。本工程中对大坝下覆卵砾石层采用双排梅花型摆喷灌浆防渗墙。其优点是:施工工艺设备简单, 施工简便, 工效高, 料源广, 处理深度大, 与基岩面自然结合, 搭接部位防渗效果比较可靠。缺点是垂直度要求较高, 需要专业施工力量。

经上述分析比较, 高压喷射防渗墙方案可有效且经济地解决本工程中的坝基渗漏问题, 故本次设计将此方案作为推荐方案, 即本工程中采用单排旋摆喷灌浆方式。

5 结语

临县阳坡水库阳坡水库为三类病险水库, 其中大坝坝基截水槽未全断面封闭, 经计算存在渗流稳定问题, 又坝体土和坝基卵石混合土层接触面可能存在接触冲刷问题, 为了使水库能够安全运行, 必须对坝基进行防渗处理。高压摆喷灌浆防渗施工简便, 工效高, 料源广, 处理深度大, 与基岩面自然结合, 可有效且经济地解决本工程中的坝基渗漏问题, 文中通过对几种防渗方案进行浅析比较将此方案作为推荐方案为本大坝安全运行提供了依据。

摘要：临县阳坡水库大坝坝基截水槽未全断面封闭, 存在渗流稳定问题, 威胁大坝安全, 必须对坝基进行防渗处理。高压摆喷灌浆防渗施工简便, 工效高, 料源广, 处理深度大, 与基岩面自然结合, 可有效且经济地解决本工程中的坝基渗漏问题, 文中通过对几种防渗方案进行浅析比较将此方案作为推荐方案。

关键词：大坝,防渗措施,高压摆喷灌浆防渗