卧虎山水库大坝防渗系统方案设计及优选

□刘琳琳 □董永霞（商丘市水利建筑勘测设计院）

一、卧虎山水库大坝概况

卧虎山水库为大（2）型水库，工程等别为II等。水库运行已50多年，工程出现了严重的安全问题，如大坝坝基、坝体和右坝肩存在渗流严重现象，溢洪闸、泄槽边墙、放水洞存在结构隐患，部分结构已开裂；溢洪道、放水洞无检修闸门，金属结构和启闭设施陈旧老化；安全监测和管理设施不完善等。2007年6月，山东省水利厅以鲁水管字[2007]24号文批复了《卧虎山水库大坝安全鉴定报告书》，同意三类坝鉴定结论。2007年11月，水利部大坝安全管理中心以坝函[2007]2874号文核查了卧虎山水库三类坝安全鉴定成果，同意三类坝鉴定结论意见。卧虎山大坝为粘土宽心墙土石混合坝，最大坝高37.0m，坝顶宽8.75m，坝顶高程139.5m，大坝总长985.0m，大坝坝基为砂砾层，厚3.0～12.2m，坝下齿槽宽10m，部分坝段宽3.0m，其下为寒武系页岩，岩层倾向西北，倾角3～10°。

二、坝体、坝基防渗处理的必要性

（一）填筑质量及沉降变形

从安全鉴定资料可以看出，大坝整体填筑质量较差，沉降变形大。大坝实际压实度与规范规定最大差别为13.6%,平均在4.5%～9.1%。统计数据表明，心墙填筑不仅压实质量差，而且不均匀。对于这样的情况，坝体容易发生裂缝。从坝的竣工后沉降也可得到同样的结论。建坝后16a的大坝坝顶平均累计沉降量为1739mm，达坝高的4.7%,最大沉降量2632mm,远远超出了不大于坝高1%的规定。当沉降量大于坝高的1%～3%时，坝体大多会发生裂缝。实际情况正是如此，在几次改建和扩建后的运行过程曾多次出现过多处纵横向裂缝。其中1964年发现较大的裂缝12条，总长度389.80m。

（二）心墙防渗料的防渗性能

心墙填筑材料为砾石土（安全鉴定文件称“壤土夹砾石”），不同剖面的砾石含量大多为5%～10%、10%～20%不等，也有的部位含少量砾石，桩号0+640剖面的勘察结果表明，砾石含量最高达50%。这一数值已经达到SL274-2001规定的上限值。不同部位防渗料的渗透系数为2.30×10-5～7.30×10-5cm/s,大多在5.00×10-5cm/s以上,已经大于SL274-2001规定的心墙防渗料≤1.00×10-5cm/s的规定。在桩号0+040～0+140坝段，心墙中普遍夹有粉细砂薄层透镜体。这些统计数据表明坝体的防渗性能不满足现行规范的要求。

（三）坝基覆盖层渗透变形

河床坝基砂砾石覆盖层厚度一般为4.00～8.00m，左岸Ⅱ级阶地下部砂砾石和上部黄土状壤土总的最大厚度＞25.00m。原设计采用开挖截水槽处理，设计截水槽底宽10.0m，依此算得原设计采用的截水槽填筑土料与坝基岩石接触面的接触渗透比降为3.15～3.45，在一般经验范围之内。根据安全鉴定资料，在实际施工中，桩号0+140和桩号0+640等处截水槽的遗留约0.70m厚砂砾石未完全清除。桩号0+820～0+930坝段实际开挖的截水槽宽度仅为3.0m。按此算得的接触渗透比降达11.5。尤其是对于风化岩石且未进行岩面处理的情况，具有产生渗透破坏的危险。

（四）基岩渗漏

从河床中右部到右岸岸坡基岩面以下10～30m的岩层透水性较强。河床部位透水率达22.15～82.27Lu,右岸岸坡山体高程106.00～126.00m的透水率达20.66～62.88Lu,最大为100.79Lu，大于规范要求的3～5Lu。坝下游岸坡和坝下放水埋涵直接与右岸岸坡连接一侧洞壁的渗漏点达30多个，其中最大渗漏点的渗漏量为6.0L/min。也表明坝基浅层基岩渗透性较强。

从上述各项资料分析可以看出，除局部渗漏比较严重外，整个坝体质量差且不均匀，坝体内部裂缝较多，心墙防渗料不满足现行规范要求。虽然以往曾先后进行过几次坝体灌浆，在一定程度上改善了心墙的防渗性能。但是，许多工程经验表明，这种灌浆对改善整个心墙质量所起的作用并不大。在灌注的泥浆浆脉逐渐排水固结过程中，固结变形仍可能形成新的裂缝。坝基覆盖层开挖过程中，有些部位截水槽底面与坝基岩层接触处层面未进行处理，且表层10多米的岩层透水性较大。这些问题的存在均是大坝发生渗透破坏的隐患，美国的提堂坝溃决事故就是这种原因引起的。

综上所述，本次大坝加固设计对坝体、坝基进行防渗处理是非常必要的。

三、防渗处理思路

本次对大坝进行防渗处理考虑以下2种设计思路：其一，以坝基防渗处理为主的思路，这种处理主要解决坝基覆盖层的渗透变形、液化和坝基岩层渗漏（包括绕坝渗漏）问题，见方案一。其二，对坝体、坝基均进行防渗处理的思路，见方案二、方案三。

方案一：截水槽部位设插入心墙≥6m的高压喷射灌浆防渗墙

该加固方案将坝顶上游134.0m马道修整后作为施工平台，在坝基截水槽中部稍靠上游部位设高压旋喷灌浆防渗墙，墙底深入基岩面1m，墙顶设计高程定为114.0m，即伸入坝体壤土夹砾石心墙的高度≥6m。范围为沿全坝长度，左段从溢洪道右边墙起，右端至右岸岸坡。防渗墙下接灌浆帷幕，帷幕底伸入基岩相对不透水层5m。帷幕左端与溢洪道铺盖齿墙下的帷幕相接，右端深入右坝肩山体。

方案二：高压喷射灌浆防渗心墙

该加固方案的高压喷射灌浆防渗心墙布置位置同方案一。仍是将坝顶上游134.0m平台修整后作为施工平台，在坝基截水槽中部稍靠上游部位设高压旋喷灌浆防渗墙。防渗墙下仍为灌浆帷幕。只是防渗心墙顶高程为134.00m，防渗墙的性质也变为防渗心墙。

方案三：上游坝面铺设复合土工膜加坝基混凝土防渗墙

结合上游护坡拆除重建，在上游坝面铺设复合土工膜。复合土工膜上部至坝顶，底部至高程115.0m马道，左侧与溢洪道边墙连接，右侧与右岸岸坡连接。115.0m平台以下的坝体和坝基覆盖层采用混凝土防渗墙处理。在靠近河床左岸与河床右岸的防渗墙下接灌浆帷幕，帷幕左端与溢洪道铺盖齿墙下的帷幕相接，右端深入坝右岸山体。坝面复合土工膜、防渗墙和灌浆帷幕紧密连接，形成完整的防渗体系。

四、方案优选

（一）各方案的分析评价

方案一的设计思路基于以下认识：虽然心墙防渗料的渗透系数不满足规范要求，但上游坝壳除右坝段一部分采用砂砾石填筑外，也主要是用砾石土（安全鉴定文件称“壤土夹砾石、壤土夹页岩”）填筑，渗透系数为2.1×10-4～8.3×10-5cm/s。从坝体填筑材料分析可知，卧虎山水库大坝虽然名曰“宽心墙土石坝”，实际上是“半均质坝”。从这种认识出发，认为渗透系数为2.1×10-4～8.3×10-5cm/s基本满足现行规范对防渗料的渗透系数要求。况且在多次扩建过程中和扩建后的运行中，进行了4次坝体灌浆，坝体防渗性能得到一定的改善。但是按这种处理思路提出的方案一不足之处是难以妥善解决坝体防渗安全问题，仍存在一定的安全隐患。分析如下：

从上述坝体质量情况和分析可知，坝体填筑质量差且很不均匀，坝体灌浆也仅仅是改善了坝轴线两侧附近的防渗料的防渗性能。对坝体变形性能的改善并不显著。工程投入运用后，对于压实度仅有88%～94.9%的现坝体，加固工程完成投入正常运用，浸润线随库水位升高而抬高，浸润饱和的上游坝体仍会产生较大的固结变形，极可能引起新的坝体裂缝，危及大坝安全。

考虑到方案一仍存在一定的问题，同时考虑到本工程的安全直接影响到济南市、津浦铁路、黄河、京福高速公路、104国道以及玉符河沿岸村庄的安全。因此提出了对坝体、坝基均进行防渗加固措施，即方案二和方案三，其目的是为进一步解决方案一未能解决的问题。两个防渗处理方案的共同特点是防渗加固处理后，坝基、坝体能形成完整的防渗体系。

（二）方案二与方案三的分析评价

方案二与方案三两种防渗加固方案有诸多的不同技术特点，解决问题的程度、大坝安全和工程投资等仍有不同。分析比较如下：

1.坝体变形和渗漏

对于粘性土坝体而言，坝体的变形主要为压缩变形和固结变形。在坝体竣工后，坝体压缩变形大部分已完成，即使碾压质量差的坝体，投入运用后增加的水荷载而产生的压缩变形也不大。但竣工后坝体的固结变形并未完成，对于像卧虎山心墙和上游坝壳填筑质量比较差且又非常不均匀的情况，在高水位下的浸润线升高引起的坝体变形仍会较大。当坝体发生裂缝时，对大坝安全有较大的威胁。根据运行管理资料，水库运行至今，所经历的最高水位仅为129.73m，而常水位在123.0～126.0m范围变化。可以预计当正常蓄水位为130.50m时，坝体仍会产生较大的变形。

在上游坝面铺设复合土工膜，坝体浸润线会大大降低，即使水位上升到正常蓄水位130.50m，也不会再产生明显的固结变形。中央高压喷射灌浆防渗心墙的渗透系数远远小于砾石土,防渗心墙上游的坝体浸润线基本与长期作用的水位持平，明显高于现状最高的浸润线。现状最高浸润线与加固后坝体浸润线之间的坝体将因坝体饱和产生新的较大变形。由于坝体填筑质量差且不均匀，很可能产生新的裂缝，对坝体安全不利。

2.坝坡稳定

防渗心墙可有效封堵坝体和坝基渗漏通道，心墙下游浸润线会明显降低。但心墙上游的坝体浸润线基本与长期作用的库水位持平，这将对坝体上游坡水位降落情况下的坝坡稳定十分不利。当坝体填筑质量较差时，往往会产生滑坡。卧虎山心墙土石坝的心墙和上游坝壳填筑质量均比较差，选用中央高压喷射灌浆防渗心墙对上游坝坡产生滑动的几率较大。在上游坝面铺设复合土工膜，膜下游的坝体浸润线很低，上游坝坡稳定基本不受水位降落的影响。

3.施工

复合土工膜铺设、土工膜两幅之间的连接和土工膜与周边的连接，以及槽孔混凝土防渗墙等施工技术均比较成熟。因此SL274-2001将复合土工膜防渗纳入规范。目前，复合土工膜在国内外坝工、渠系防渗系统中广泛应用，国内外工程长期运行情况表明，复合土工膜适应变形能力较强，防渗性能好，近几年的土坝除险加固应用比较广泛。尽管高压喷射灌浆防渗墙施工技术也比较成熟，但是不同墙段之间连接的可靠性仍不能令人十分放心。这也是最终未将高压喷射灌浆防渗墙纳入SL274-2001的原因之一。

4.投资

方案二需投资1999万元，方案三需投资1412万元。

（三）最终防渗加固方案的确定

翻阅所有的安全鉴定资料和业主提供的原设计、竣工资料，没有看到心墙下游是否设置反滤层的内容。心墙下游与下游坝壳之间填筑的为砂砾石，但未看到对砂砾石级配的任何描述，心墙与砂砾石之间、砂砾石与下游页岩堆石之间是否满足反滤要求，不得而知。对于分区土石坝而言，下游反滤层对坝的渗透稳定安全起着至关重要的作用。因此，大坝的防渗加固也需要更为稳妥的方案。

从上述分析比较可知，采用方案一的防渗加固措施对坝体坝基的防渗安全没有明显的改观，是不能令人放心的。对方案二、方案三的比较可以得出结论，结合上游护坡拆除重建，在上游坝面铺设复合土工膜，下部分坝体和坝基采用混凝土防渗墙处理是可行的和合理的。根据以上分析，从技术、经济、施工并主要考虑大坝除险加固后的效果，推荐方案三，即采用坝体上游坡铺复合土工膜、坝基采用混凝土防渗墙、基岩采用帷幕灌浆这一综合处理的方案。

五、结语

我国已建的大部分土石坝工程普遍存在防洪标准低、施工质量差的问题，而坝体和坝基的渗透破坏是引发水库失事的主要原因之一。根据目前已实施的工程经验来看，灌浆技术是一项经济技术合理、适应性广泛的防渗处理手段，值得推广应用。但产生渗漏的原因是多样的，因而防渗处理手段也不是唯一的，采取灌浆技术时，还应根据具体的渗漏原因采取其他相应的处理方式使之有机地结合。