水库大坝渗漏成因分析及设计方案比选

1、西郊水库情况
　　1．1 工程概况
　　泾惠渠西郊水库位于三原县城以西约2km的清河干流上，是以农业灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的三等中型水利工程，总库容3405.5万m³，其中有效库容1984.1万m³，防洪标准为50年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核。
　　水库于1997年12月开工建设，2002年4月进行了蓄水安全鉴定，2003年9月下闸蓄水试运行，2005年12月通过竣工验收。枢纽主要由大坝、溢洪道、导流排沙泄洪洞、抽水站等工程组成。
　　1．2 效益发挥
　　水库建成以来， 累计调蓄水量2．4亿m³，提供灌溉水量2．0亿m³，累计灌溉农田223万亩次。在改善当地农业生产条件，回补地下水，缓解灌区夏灌严重缺水等方面发挥了重要作用，也使得泾惠渠灌区初步形成了“渠首稳流、腹地蓄水、丰存枯用、优势互补”的供水格局。
　　2、存在问题
　　2．1 右坝肩
　　西郊水库建成近九年来，年均供水量2220万m³，远低于原设计年供水量3050万m³。其主要原因是坝肩渗漏问题，限制了水库正常蓄水位，较大的影响了水库效益的正常发挥。西郊水库投运后，按照蓄水验收会议规定的限定水位，水库在2004年9月蓄至415m高程。2005年11月、2006年12月水库先后两次蓄至419．54m高程时，发现右坝肩渗流变混，最大渗流量达2.7L/s，同时出现浑水，最大含泥量为6％，逸出高程399.34m。
　　2008年汶川地震后，泾惠局实施了西郊水库右岸渗漏处理工程，采用砼防渗墙进行右坝肩防渗处理。工程2009年1月开工，同年7月完成，2010年2月通过验收。工程实施后，水库经过两年多的调蓄过程，右坝肩渗流量明显减小，渗流清澈，未发现任何异常现象，消除了右坝肩存在的隐患。
　　2．2 左坝肩
　　但大坝安全隐患依然存在，尤其是左坝肩的渗漏问题。为此，管理局委托西北农林科技大学进行西郊水库大坝安全鉴定工作，2009年6月省厅对大坝进行了安全鉴定。2011年3月经水利部大坝安全管理中心核查，核查意见指出：“大坝两坝肩在393.50m～399.50m高程存在透水层，左坝肩地下水位高于右坝肩，存在渗透，坝后右坝肩约在400．00m高程以下岸坡渗水，最大渗流量约3.0L/s；大坝两坝肩下游岸坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求。
　　3、渗漏原因分析
　　坝肩渗流出现异常情况后，通过地质补充勘察及对以往工程资料、渗流检测、地下水位观测等的分析研究，认为发生渗流异常情况的主要原因是：
　　(1)从地层结构及岩土特性看，⑥ 、⑦ 、⑨粉质壤土层属中等透水层，⑥ 、⑦层分布高程407.0m～420.0m， ⑨ 层分布高程393.5m一405.0m，存在着渗漏的工程地质条件。
　　(2)从水文地质条件看，修库前，地下水向河床排泄，修库后，库水补给地下水，抬高了地下水位，增大了实际水力坡降，致使出水点(泉眼)水量变大。
　　(3)据竣工地质报告，右坝肩坝轴线上游15m～30m处有一落水洞塌落体，分布高程414.0m～417.0m，岩性为轻粉质壤土，松散；右岸混凝土防渗墙施工时，发现防渗墙与420.0m高程平台交点至416.4m有一空洞，南北宽2.6m～3m，深度大于3m，防渗墙开挖施工时将大量虚土填人。上两处土体抗渗性能低于原状土层。
　　(4)泄洪排沙洞开挖过程中曾多处塌方，塌方段存在严重缺陷，后经壤土水泥浆回填灌浆，质量验证基本符合要求。但在打孔取样过程中，清洗钻孔时还有不回水现象，表明局部有空洞或有松动土层存在。
　　(5)对左右坝肩渗流进行计算，年总渗漏量31万m³，加坝基渗漏量为35.4万m³，占兴利库容的1.8％，属于正常范围。
　　(6)原设计坝肩防渗墙先期施工，防渗墙底高程406m，顶高程420m，两岸长度各为1 00m。坝基清基及岸坡削坡时防渗墙已施工完成，在清基过程中发现大坝两坝肩393.5m～399.5m之间存在透水互层，两坝肩塑性混凝土防渗墙未能截断该透水互层，致使坝体与坝肩结合部位无法正常施工，虽然采用水泥固化土进行坝肩封闭处理，但坝肩渗漏通道依然存在；坝前深层搅拌桩防渗墙，在垂直方向上两墙高程不衔接，在平面位置上两墙不搭接，仍然不能解决坝肩绕渗问题。
　　4、防渗方案设计
　　目前，国内常用的截渗加固措施主要有灌浆(充填和劈裂)、高压喷射灌浆、土工膜及混凝土防渗墙等技术。结合本工程实际情况，考虑到采用灌浆和高压喷射灌浆超过30m深度后，施工难度较大，质量较难控制等因素，本次除险加固设计重点就土工膜防渗和混凝土防渗墙两种形式进行设计比较，以选出适合本工程的合理方案。
　　4．1 土工膜防渗
　　土工膜防渗方案是在大坝上游左岸岸坡上铺设复合土工膜，以达到防渗目的的施工方法。
　　土工膜铺设深度应至坝肩的相对不透水层，铺设长度应满足大坝绕坝防渗的要求。经对上游岸坡绕坝防渗的渗流分析计算，确定截渗长度以超过170m为宜。据此确定土工膜的铺设范围为：纵向自大坝与岸坡坡脚交接处起向上游170m、顺坝轴线30m．共长200m；竖向高程范围428.0～390.0m，其中在405.0m处设平台，并采用垂直铺塑方法将复合土工膜深入390.0m做垂直防渗，在大坝上趾处结束。
　　土工膜施工前需将水库放空，施工期采用泄洪排沙洞导流。为保障施工质量，土工膜施工应安排在枯水季(11月～第二年的4月)，垂直铺塑施工平台位于405.0m高程，泄洪排沙洞进口高程为398.0m，故不需修建围堰。
　　土工膜设计方案，概算直接投资478万元。
　　4．2 混凝土防渗墙防渗
　　混凝土防渗墙方案是采用塑性混凝土在左坝肩土层中成墙进行防渗处理。
　　4．2．1 防渗墙长度的确定
　　经过坝肩渗流计算分析对比，结果如表1、表2。

计算表明，未设防渗墙的80m宽渗流量为40.171m³／d，设置防渗墙后80m宽渗流量为28.422m³／d，渗流量明显减少，说明设置防渗墙是十分有效的。渗流计算流网图如图1和2。

根据计算分析，左坝肩混凝土截渗墙在桩号04-961.0断面处附近渗透比降满足渗水土层允许要求，且预留一定的富裕，由此确定混凝土防渗墙全长125m。
　　4．2．2 防渗墙设计
　　据地质资料，防渗墙底部深入坝肩下部相对不透水层2m～3m，确定底高程为390.0m。，设计将防渗墙于左坝肩上游5.5m处沿坝轴线布置，防渗墙长125m，墙顶高程426．5m、底高程390.0m，墙高36.5 m，墙体深入坝体5m。
　　4．2．3 施工工期
　　混凝土防渗墙施工不受地下水位的影响，且施工场地在坝顶平台，高程高于水库正常蓄水位422.0m，因此，施工期不需做导流，防渗墙方案施工总工期6个月，其中施工准备1个月，主体工程施工4个月，施工收尾期1个月。防渗墙设计方案概算直接投资665万元。
　　5、方案比选
　　以下从防渗效果、工期长短、施工难易程度、工程费用等方面，对两种方案进行综合分析比较。
　　5．1 防渗效果
　　从防渗效果来看，土工膜是一种透水性很小的防渗材料，其渗透系数一般为10 ̄¹¹cm／s～10 ̄¹²Cm／s，而混凝土防渗墙渗透系数也在10 ̄⁷Cm／s以下，两种方案均能满足左坝肩防渗要求，可直接截断渗漏通道，达到延长渗径，降低水力坡降的目的。但是在耐久性和可靠性方面，土工膜要远差于混凝土防渗墙，在水库以后的长期运行中，防渗效果不能确保。
　　5．2 施工条件
　　从施工条件比较，两方案工期相差不大，但土工膜必须干地空库施工，且工期应安排在枯水期，防渗墙施工则无需放空水库，可以保持一定的库水位，灵活性较大，便于施工安排，可减少施工期对水库蓄水灌溉效益的影响。
　　5．3 难易程度
　　从施工的难易程度上看，土工膜方案的施工工艺相对简单，不需专门的大型设备，缺点是由于露天铺设，受外界条件干扰较大，对土工膜的保护要求较高，施工中拆除量大，与坝肩结合要求高。而防渗墙的施工受外界干扰小，虽需专门的机械队伍施工，但其施工技术、质量均能得到保证。
　　5．4 直接投资
　　从工程直接投资比较，由于土工膜的价格较低，且施工时多为人工，较防渗墙方案节省187万元。但土工膜实施需放空水库，按一半有效库容估算，损失灌溉直接收益大约100多万元。
　　综合以上分析比较，认为防渗墙方案虽然直接费用较高，但防渗可靠性高，施工条件方面优越，更适宜本工程选用。另外，从已经实施的右岸防渗墙施工及防渗处理效果看，均比较理想。未发现任何异常现象，消除了右坝肩存在的隐患。
　　所以选定混凝土防渗墙防渗方案进行处理。
　　6、结语
　　目前，西郊水库受左岸渗漏制约，无法正常调蓄运行。为确保水库下游三原县渠岸乡、独李乡、大程镇、临潼区栎阳镇的镇政府、学校、商店、储蓄所等15个单位，4218人，2660亩基本农田以及三原县城、三原老龙桥等重点文物、西气东输天然气管道、包茂高速、京昆高速、西延铁路、107关中环线等重要设施的安全，希望早日开工建设水库除险工程，发挥西郊水库综合效益。