粘土斜墙库坝除险加固应用垂直防渗技术研究

DOI：10. 19807/j. cnki. DXS. 2019 -06 -093

地下水

Ground water

Nov. ,2019

Vol.41 NO. 6

粘土斜墙库坝除险加固应用垂直防渗技术研究

李武斌

(江西省水利水电建设有限公司，江西南昌330200)

[摘要]土石坝垂直防渗技术概要，案例工程应用直防渗技术简介，基于垂直防渗治理的粘土斜墙坝有限元

渗流分析。库坝防渗除险加固是库坝工程重中之重的技术需求之所在，本文基于案例库坝实用工程技术参数，以有 限元模拟分析的方式，对粘土斜墙库坝除险加固应用垂直防渗技术课题开展专题分析研究，以为同类工程应用提供 研究和技术参考。

[关键词]垂直防渗；除险加固；粘土斜墙库坝；有限元模拟；分析研究

[中图分类号]TV641.2 + 6 [文献标识码]B [文章编号]1004 - 1184(2019)06 -0241 -02

库坝防渗除险加固是库坝工程重中之重的技术需求之

所在，事关工程的技术与质量水准，也关系和影响着工程投 资的效率应用以及工程未来全周期运行的可靠与安全。本 文基于顾营水库库坝实用工程技术参数，以有限元模拟分析 的方式，对粘土斜墙库坝除险加固应用垂直防渗技术课题开 展专题分析研究，解析垂直防渗技术特征及适用要点，以为 同类工程应用提供研究和技术参考。

2案例工程应用垂直防渗技术简介

顾营水库是以灌溉及防洪为主要功能需求的IV等小

(1)型水库枢纽工程，其库容最大设计值141.7万nr1。其地 震烈度设计为7度。设计御洪50年一遇，校核洪水标准为 300年一遇。原防渗坝体为粘性土斜墙，墙后填筑砂卵石，下 游则为堆石体。4级粘土斜墙土石坝建筑，坝顶宽4 m，平均 坝顶高度598.7 m，最大坝顶高度26. 8m,总体坝长54 m。 浆砌石防浪墙，高度为599.9 m。

案例水库粘土斜墙坝，加固段设计坝长为54 m,平均坝 顶高度598.7 m,最大坝顶高度26.8 m,顶宽4 m,加固段坝 顶设计有高度599. 9 m的浆砌石防浪墙。全断面防渗复合 土工膜混合铺设。自下而上构造面上游依次为粘土斜墙、厚 度0. 3 mm的350 g/m2复合土工膜层、厚10 cm的砾石砂土 垫层以及厚40 cm的干砌石护坡。于坝前特定范围内铺设复 合土工膜，在坝脚位置，设计有筑砌锚固体，可以把复合土工 膜嵌在固定槽内，其上部采取砾石砂土回填。在坝顶位置， 土工膜穿过坝顶防浪墙的底部，并在防浪墙背部给与锚固。

防渗墙塑性混凝土性能参数和配比参数，详见表1、表2。

表1

密度

/t/m3

1 土石坝垂直防渗技术概要

基于特定防渗墙构造，综合运用混凝土筑体固壁、高压 定向喷射灌浆、钻机固壁冲击造孔、劈裂灌浆和铺设混合土

工膜等水工手段，在水工土石坝立体垂向沿程构筑防渗、固 壁、固基结构体系的技术系为土石坝垂直防渗技术。

为确保防渗墙体与既有粘土斜墙坝体的优质有效连接， 新型塑性混凝土防渗墙型式经常为工程应用所采用，该型式 在组分上膨润土或者粘性土基本成分较多，拥有较好的形变 协调性，水泥用量少，和易性好，适应形变能力强，抗渗机能 良好。有时根据工程防渗需要，该型式可能设计在松散透水 地里造孔，实施混凝土泥浆或者其它防渗料灌注，借助水泥 高压浆冲击，将地层颗粒与浆液混合固结起来，在地下形成 高密度固结体。有时也可能选用固壁造孔灌浆的方法，提高 坝体强韧度和增加抗渗性能。固壁钻机造孔有效解决了曾 有的成孔率不足、操作速率低以及灌浆不符合预期等问题。

劈裂灌浆是指坝体加固操作中，在特定的压力下沿坝轴 线小主应力面有控劈开坝体并注灌相应泥浆，让坝浆互混互 压，最终不间断构成整体塑性韧度泥墙，进而即强韧了坝体 又能起到增强防渗性能的作用。垂直防渗技术也注意吸收 应用土工织物或高分子聚合防渗材料，如EVA膜、PVC膜或

PE膜等，施工速率快、持久性高、安全性强，防渗效果好。

防渗墙塑性混凝土性能参数

抗拉压强度比值

S

/28d/MPa2 〜5

抗觀度

C/MPa

相对渗透系数

/cm/s)< 1 x 103

弹性模量

/MPa

2~2.2 1/7 ~ 1/120.2 - 0.3 20 - 30彡100

表2

项目砂子用量900

防渗墙塑性混凝土配比参数

扩散坍落和易度/cm度/cm

36

19

塑性混凝土各料配比量kg/m3水泥粉煤灰石子水膨润土

120

70

600

290

130

性良好

垂直防渗工艺相对成熟，机械施工适应程度高。垂直防 渗更加适用于对透水地基的水工防渗治理，其降低渗流量的 防渗效果尤其显著。该型式可处理地基深度通常较大，可以 适用于各类地层。

耐久持续性能、强韧度和抗渗性能是坝基塑性混凝土防 渗墙厚度设计要重点综合考虑的要素。厚度取值偏小，不能

够满足强度和防渗功能需要，厚度取值过大，又工程的会造 成不必要浪费。参考水工混凝土防渗墙国内外常规设计，结

[收稿日期]2019 -04 - 10

[作者简介]李武斌（1986 -),男，江西丰城人，助理工程师，主要从事水利工程施工技术管理工作。

241

第41卷第6期地下水2019年11月

合案例地质条件、工程规模以及地区库坝施工及运行经验数 据，案例坝塑性混凝土防渗墙厚度确定为0.4 m。

基于垂直防渗技术的案例除险防渗加固布型方案，见图1。

I：

77 iV 18 A lb ^ >1

图1

基于垂直防渗技术的除险防渗加固方案示意图

3基于垂直防渗治理的粘土斜墙坝有限元 渗流分析

为验证和体现垂直防渗治理技术对粘土斜墙坝整固防渗 治理的有效性，本研究在这里选取案例大坝〇 +028断面当 作典型推算断面，结合原初设计和实测资料，借助Auto bank 专业水工有限元模拟分析软件，对案例设定“无防渗墙、不铺 设土工膜”等6种工况下的渗流进程及结果开展模拟计算分 析。模拟推演尽可能贴近案例当前坝体实际运行情况。在 不影响推算结果的条件下，本研究对案例原构造实施了局部 的简化处理，比如对异质土体间的反滤层作用给与忽略不 计。

图2粘土斜墙坝有限元渗流分析网格图

3.1渗流分析模拟工况

案例水库粘土斜墙坝有限元渗流分析，设定以下不同6 种工况开展模拟推算，详见表3。

表3 渗流分析模拟工况表

工况编号

状态描述

1无防渗墙、不铺设土工膜2无防渗墙、铺设土工膜3有防渗墙、不铺设土工膜4有防渗墙、铺设土工膜

5(推荐方案）设计洪水位6

(推荐方案）校核洪水位

3.2确定渗透指标

模拟太薄的土工膜相对困难，故模型输入时对其给与一 定当量值技术处理，即把渗透常数和厚度值以一定倍数同时 给与放大，将其等效转变为等厚的斜墙防渗体，本模拟处理 渗透常数釆用1 xl0_7 cm/s,薄膜厚度常数釆用3 m,对于坝 体其它各填料的参考渗透常数，是结合同类工程经验以及案 例库坝的土工实验历次结果，综合解析确定。模拟引人的各 类渗透参数见表4。

242

表4模拟引入的各类渗透参数表

混凝

复合

填料

基岩堆石砂卵石土防 斜墙

土渗墙

工膜

渗透系数

2.2 x 9.00 K/cm/s

1〇-5

1

1〇-2x

2

1〇-7

4.35 10-6

Ax

i〇-n

3.3模拟水位参数的确定

在常规水位工况下，对下游水位釆取卵石覆盖层的水 位，取值在571.3 m。在洪水校核水位和设计水位工况下，河 道下游水深计算参考水库下泄流量，经测算，河道下游校核 工况水位取值在572.9 m。因为河道下游相对比较陡，其水 位往往较坝脚要低，故下游洪水设计水位基准取卵石覆盖层 表面高度。模拟引人的各工况水位详见表5。

表5模拟引入的各工况水位表

项目水头

下游水位

上游水位

正常蓄水位21.2571.3592.5设计洪水位25. 19571.3596.49校核洪水位

25.64

572.9

598.54

3.4垂直防渗渗流状态模拟解析

围绕上述所列6种工况，借助Auto bank有限元智能系统 开展系列推演，获得了基于各工况的对应渗流等势线状态及

水力坡降状态分布图。图3和图4是列举的推演所得的基于 工况一的渗流等势线状态及水力坡降状态例图。受篇幅所 限，其他工况渗流等势线状态及水力坡降状态图在此不再一 一罗列。

图3基于工况一的渗流等势线状态计算结果图

图4 基于工况一的水力坡降状态分布图

通过基于上述各种工况的有限元模拟推算结果可知，渗 流量单宽最大值是1.2xl〇-5 m3/m • S,最小是3.5丨xlO—6 m3/m • s,显然单宽渗流量较小。下游浸润线逸出点均在卵 石覆盖层表面，并且坝体坡基表面出逸的比降均始终非常 小，几乎可以约为0值，基于上述四种工况的坝基相对安全。

在工况一状态下，由于坝基和坝体本身的渗透常数相对 大，其自身抗渗机能严重不足，浸润线居于（下转第250页）

第

41卷

第

6期地下水

2019年11月

进度指数 SPI = BCWP/BCWS = 1 277. 5/1 446. 375 =

88.3%，该月实际完成计划工作量的88.3%，应参考进度计

护、作业质量以及安全施工措施的等方面，评议肯定分包商 执行合同和规范落实严格，施工过程没有发生严重工程事

故，工程预算使用合理，整体质量符合约定要求。

划加强检查督促，如果该进度影响总工期的概率太大，就应 该对原定进度进行必要的调整，以保障按期完成总体工程。

基于已完成疏浚工程（BCWP)预算费、计划需完成的（BC- WS)工程预算费和已完成的（ACWP)工程实际花费，我们可 以获得进度预算运行曲线一览图具体见图2所示：图线揭 示，在本工程实施中，实际花费始终在工程预算费和计划需 完成预算费附近波动并最终低于工程预算费，表明本疏浚吹 填工程工成本控制较好。

4结语

本文以疏浚工程成本控制管理为目标，以分包预算为重

点研究对象，对基于成本控制的疏浚工程分包预算模型和应 用开展了专题研究。在阐述疏浚工程分包管理的要点的基 础上，介绍了基于成本控制的疏浚工程分包预算模型管理模 型。并进行了疏浚工程分包预算控制案例的应用介绍和实 例演算，以数据验证了案例单位实施疏浚工程分包预算控制 管理的良好工程效果，可为同类工程应角提供研究和管理参 考。

参考文献

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图2进度预算运行曲线一览图

事后成本核算：本工程分包约定工程决算金的10%为项 目的质量保证金。

分包工程施工结束以后，总承包商严格按照分包合同， 对分包落实进行了严格考核。从该分包商施工现场环境保

^/////W/////W/////W/////W/////W//////W//////W/////W//////W/////yW//////W/////W/////W//////W//////M//////W//////W//////W/////W//////W/////W/////W/////W^M

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上游粘土斜墙埂体内的部位相对都高，也就是说，水头基本

都相对集结于截水槽之上的那一部分粘土斜墙坝体之内，形 成大范围存在的浸水饱和区域，这严重威胁坝体的稳定状态 的维持。在坝体之内，下游截水槽坡角lm范围区域，水力比 降值最小为4. 00,最大为6. 02,范围不在水力坡降允许度标 准范围，坝体极容易遭受渗透引发形变的破坏。

在工况二状态下，我们发现浸润线的降低已经很明显， 此时针对水头的防渗体系里，土工膜的防渗作用凸显出来， 斜墙内非饱和区向上游偏移，饱和区显著降低。在下游截水 槽坡角1 m范围区域，水力比降一般处于3.65 ~ 5. 9之间， 尽管降低变化相对不明显，但该段坝体遭遇渗透破坏的风险 仍然存在。

在工况三状态下，虽然斜墙内饱和区范围未见大幅降 低，等势线演变与工况一相较仍然不大，但水头向防渗墙下 游分布，不再集中于截水槽，使截水槽所承受的有效的水头 压力得以一定程度缓解。该工况下截水槽坡降以及单宽渗 流量均明显有所降低，集中于混凝土防渗墙内的水力坡降始 终低于3.73,满足水力坡降允许范围，渗透破坏的隐患可能 性下降很多。

在工况四状态下，坝体内水力坡降和浸润线都明显降 低，产生的防渗效果十分明显。推荐类似工程条件注意釆用 该工况下的防渗筑建措施，则遭遇坝体渗透破坏的概率会大 幅降低。

在工况五状态下，实施所推荐的防渗措施后，渗流量单 宽为4. 18 x 10 m3/m . s。下游浸润线逸出点在下游卵石 覆盖层表面，其逸出比降几乎为〇,截水槽和防渗墙水力坡降 值分别为2. 11和27. 44,均小于规范允许值范围。

在工况六状态下，渗流量单宽为1.95 x KT5 m3/m . s,

250

下游浸润线逸出比降几乎为0值，截水槽和防渗墙的水力坡

降分别为4. 19和28.06,均小于规范允许值范围。

工况五和工况六状态揭示，混凝土防渗墙加固坝脚+上 游坝体铺设复合土工膜的方法，能够在混凝土防渗墙内集中 水力坡降，极大降低上游坝体浸润线，能够最大程度发挥固 坝防渗效果，从而尽最大可能抵御渗漏风险。

4结语

本文基于顾营水库库坝实用工程技术参数，以有限元模

拟分析的方式，对粘土斜墙库坝除险加固应用垂直防渗技术 课题开展专题分析研究，解析垂直防渗技术特征及适用要 点。主要收获；（1)梳理介绍了土石坝垂直防渗技术要点； (2)对案例大坝典型断面开展了应用垂直防渗技术的渗流有 限元模拟计算和分析；（3)得出混凝土防渗墙加固坝脚+上 游坝体铺设复合土工膜的方法，能够在混凝土防渗墙内集中 水力坡降，极大降低上游坝体浸润线，能够最大程度发挥固 坝防渗效果，从而尽最大可能抵御渗漏风险的研究结论，可 为同类工程应用提供一定研究和技术参考。

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