大坝渗流作为土石坝工程中最常见的病害类型之一,其本质是水体在水头差作用下沿坝体、坝基或坝肩的孔隙、裂隙发生渗透的物理过程。若渗流问题长期得不到有效控制,可能引发管涌、流土等渗透破坏,进而导致坝体沉降、滑坡甚至溃决,不仅直接威胁大坝结构的长期稳定性,更对下游区域的人民生命财产安全构成严重隐患。因此,精准识别渗流风险、科学制定防渗加固方案,是保障水库工程安全运行的核心环节。
松坪水库坐落于广东省封开县河儿口镇庙边村委东北方向 2.0km 处,地处渔涝河支流松坪水上游,是区域水资源调控体系中的关键骨干工程。经水文复核,水库集雨面积达 13.6km²,总库容 323.94 万 m³,其中兴利库容 223.32 万 m³,按水利工程等级划分标准属小(1)型水库。该水库承担着多重核心功能:现状灌溉面积覆盖 2500 亩农田,为区域农业生产提供稳定水源;下游 1300 余名居民的生命财产安全依赖其防洪调蓄能力;同时为装机容量 250kW 的松坪水电站提供发电用水,并保障坝后镇级水厂 2000m³/d 的供水规模,是一座集灌溉、防洪、供水、发电于一体的综合性水利工程。其安全运行直接关系到当地民生保障、经济发展和生态稳定,具有不可替代的社会价值。
为全面掌握大坝渗流状况,工程技术人员采用现场监测与数值模拟相结合的方法开展专项勘察。渗流稳定计算结果显示,在各级设计水位工况下,坝体浸润线分布态势基本合理,渗流出逸点均集中于背水坡坡脚棱体位置,未出现异常抬升现象;坝坡稳定性验算表明,现状坝坡抗滑稳定系数满足现行《碾压式土石坝设计规范》要求,整体结构处于稳定状态。
尽管大坝整体稳定性暂达规范标准,但多项关键指标暴露的渗流风险不容忽视:
- 土料渗透性超标:现场土工试验数据显示,坝体填土渗透系数为 6.48×10⁻⁴cm/s,超出规范要求的 1×10⁻⁴cm/s 近 6.5 倍,坝体填土整体呈中等透水性,为水体渗透提供了天然通道。
- 填筑质量缺陷:检测发现大坝填筑土料的天然含水率、孔隙率均不符合设计标准,整体压实度未达到规范要求,导致坝体内部孔隙发育,进一步加剧了渗流可能性。
- 渗流量实测异常:通过坝体渗流量水堰长期监测,发现实际渗流量持续偏大,结合土料渗透性特征,判定坝体已存在隐性渗漏通道,若持续发展可能引发严重渗透破坏。
土石坝渗漏处理遵循 '上堵下排、堵排结合' 的经典原则。其中 '上堵' 旨在截断或减少渗流来源,核心技术分为垂直防渗与水平防渗两类:垂直防渗通过在坝体或坝基设置连续防渗体阻断竖向渗流,常见措施包括混凝土防渗墙、高压喷射灌浆、劈裂灌浆、防渗土工膜等;水平防渗则通过上游铺设黏土铺盖延长渗径,需配合下游排水减压措施方能保障效果,但存在一定渗漏损失。'下排' 则通过设置排水系统降低渗透压力,防止渗流出逸点产生破坏。
结合松坪水库大坝实际情况,对主流防渗方案进行综合比选:
- 混凝土防渗墙虽防渗效果可靠,但施工周期长、造价高,且对坝体扰动较大;
- 高压喷射灌浆适用于深层地基防渗,针对本工程坝体表层渗漏问题经济性不足;
- 黏土铺盖需大量优质黏土材料,且需配套复杂排水系统,存在后期维护成本高的问题;
- 复合土工膜由土工布与 HDPE 等防渗膜复合而成,兼具防渗性强、适应变形、耐腐蚀等优势,其渗透系数极低,可有效阻隔水体渗透,且土工布层能缓冲基层不均匀沉降,降低膜材撕裂风险。
同时,本次除险加固需拆除原干砌石迎水坡并新建砼护坡,复合土工膜可与新建护坡及周边建筑物实现良好搭接,避免形成防渗薄弱环节。从经济角度考量,相比传统混凝土防渗方案,复合土工膜施工周期可缩短 40% 以上,工程成本降低约 20%,且材料运输便捷,适配偏远山区施工条件。综合防渗效果、施工可行性与投资效益,最终确定采用迎水坡复合土工膜防渗方案。
- 坝体整体结构参数:加固后大坝坝轴线长度 140.51m,坝顶宽度 4.0m,坝顶高程 125.82m;防浪墙顶部高程 126.22m,满足防洪挡水要求。迎水坡坡比统一为 1∶2.5,背水坡经修整后采用分级坡比设计,分别为 1∶2.5、1∶2.76、1∶3.34,适配坝体应力分布特征。
- 防渗系统设计:在迎水坝面全断面铺设复合土工膜作为核心防渗体,防渗体底部深入前坡挡墙脚,形成连续封闭的防渗屏障;为强化 '下排' 效果,背水坝设置马道及贴坡排水系统,坝坡脚布置反滤体及集渗沟,有效降低坝体渗透压力。
- 计算参数与方法:本次加固效果验算采用与加固前一致的工况条件、计算方法及程序,土料参数均取自完整的土工试验报告(详见地质勘察报告),涵盖渗透系数、压实度、孔隙率等关键指标,确保计算成果具有充分代表性与可靠性(坝体及坝基参数详见表 5)。
松坪水库大坝防渗加固方案的实施,通过复合土工膜防渗体与下游排水系统的协同作用,可从源头上阻断坝体渗漏通道,将渗流量控制在规范允许范围内,彻底消除渗透破坏风险。该方案既遵循了 '上堵下排' 的防渗原理,又充分结合工程实际实现了技术优化,其经济性与可靠性已在众多水利工程中得到验证 —— 某水电站采用类似方案后,运行 5 年渗漏量仅为设计允许值的 1/3。方案实施后,将显著提升大坝结构稳定性,保障水库灌溉、防洪、供水、发电等综合功能的持续发挥,为下游群众构建坚实的水利安全屏障。