关田坝水库大坝渗漏原因分析及加固方案

左雅楠，谢新生，雷 蕾，王红莉

(四川大学水利水电学院，四川成都 610065)

1 工程概况

关田坝水库位于重庆市万州区恒合乡境内，校核洪水位1 172.23 m，设计洪水位1 171.87 m，正常蓄水位 1 170.90 m，死水位1 153.58 m;总库容159 万 m3，正常库容 137.5 万 m3，死库容 1.5万m3;水库设计灌溉面积733.33公顷。该水库系一座以农业灌溉为主的小(1)型水库。

关田坝水库始建于1976年1月，1980年完工。最大坝高 21.32 m，坝顶宽 4.5 m，坝顶长120 m，坝顶高程1 173.00 m。大坝上游采用400 mm 厚的水泥土护坡，坡率为1∶2.3 ～1∶3.2;大坝下游未护坡，坡率为 1∶1.75 ～1∶3.18;坡脚设置干砌条石排水棱体，棱体顶部高程1 156.3 m，棱体内侧无反滤。

2 坝体渗漏分析

2.1 渗漏现象

2009年现场检查发现:大坝左坝肩1 167 m及1 156 m高程处见有少量渗漏，坝体外坡1 165 m高程局部渗漏。

2.2 计算分析

2.2.1 计算方法和计算参数

为进一步分析大坝渗漏原因和拟定正确的除险加固方案，本文渗流计算采用Geo－slope分析软件中的SEEP/W模块，该程序用有限元方法分析计算坝体的浸润线、渗流量和渗透比降等主要参数。

为了计算的方便，将大坝最大横剖面进行简化，计算范围为顺水流方向上下游分别取一倍坝高，沿深度方向取一倍坝高。

渗流计算参数采用关田坝水库土工试验的成果参数值，坝体各主要材料渗透系数见表1。

表1 各材料渗透系数

2.2.2 渗流计算结果

渗流计算分析的结果为各个工况下坝体的浸润线、等势线、渗流量和渗透比降。本文只给出了设计工况下的浸润线和等势线结果图，见图1。各个工况下的渗漏量及坝坡出逸坡降见表2。

图1 设计工况下浸润线和等势线结果图

表2 大坝渗流计算结果表

2.3 结果分析

计算结果表明:

(1)在多个工况下，水库大坝的年渗漏量占总库容的百分比超过1%，渗漏量过大。

(2)采用《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287－99)附录M中的判别方法，大坝渗流变形破坏为流土型。流土型的临界水力坡降由下式计算:

Jcr=(Gs－1)(1－n)

式中 Jcr为土的临界水力坡降;Gs为土的颗粒密度与水的密度之比;n为土的孔隙率。

经计算，坝体土的临界水力坡降为0.94。

坝体土的允许水力坡降由下式计算:

Jp=Jcr/ka

式中 ka为安全系数，一般情况下取1.5～2。

取ka=1.5，经计算可得允许水力坡降Jp=0.63。由表2可见，在多种工况下，坝坡的出逸坡降都大于渗透变形允许水力比降，且棱体内侧无反滤层，大坝渗透稳定性不满足规范要求，可能产生流土破坏。

综上所述，判定大坝坝体渗流性态处于不稳定状态，其主要原因是由于坝体土料渗透性过强，棱体内侧无反滤层造成的。

3 坝体防渗除险加固方案比选

3.1 除险加固方案的拟定

对于土坝的渗漏处理，总的原则是“上堵下排”。“上堵”的措施有垂直防渗和水平防渗;“下排”主要是在坝体背水坡脚采用工程措施排除渗水。垂直防渗处理可以比较彻底地解决坝基和坝身渗漏问题，而水平防渗结合下游排水减压导渗，虽可保证坝体渗透稳定，但仍有一定的渗漏损失。

根据本工程除险加固的要求，结合工程的具体条件，为彻底解决渗漏问题，保证水库大坝的安全运行，处理措施宜采用垂直防渗。大坝现有的排水棱体外坡偏陡，内坡无反滤层，基本失效，故排水棱体需拆除重建。为此，拟定如下处理方案:

方案1:劈裂灌浆+排水棱体方案

方案2:充填灌浆+排水棱体方案

方案3:高压摆喷灌浆+排水棱体方案

3.2 方案的比较与选择

3.2.1 防渗效果

劈裂灌浆机理明确，操作简单，能取得较好的防渗效果。高压摆喷灌浆可形成结构密实、强度较大、有足够防渗性能的连续防渗体，防渗效果良好。充填灌浆主要是针对局部裂缝或空洞的防渗处理措施，当用于土坝全断面的防渗处理时，由于不能施加太大的灌浆压力，因此会对灌浆效果有一定的影响.

3.2.2 施工条件

充填灌浆方法简单，易于控制，是常用的坝体防渗处理措施。

劈裂灌浆施工方法虽然简单，但在灌浆孔距和灌浆压力控制上要求高，相对对浆液的要求低些。

高压摆喷灌浆但施工工艺高，同时对施工队伍的选择要求也高。

3.2.3 施工对坝体结构的影响

劈裂灌浆是运用坝体应力分布规律，用一定的灌浆压力，将坝体沿轴线方向劈裂，同时灌注合适的泥浆，形成连续防渗泥墙防渗。只要控制好灌浆压力，就不会破坏坝体结构。

高压摆喷灌浆室用钻机造孔，将带有喷头的灌浆管下至预定位置的地层，用高压水泵把水经过灌浆管所形成的高压、高速水流、气射流从喷嘴中同轴喷射，直接冲击、切割、粉碎、剥蚀土体。地层破坏后剥落下来的土石料湿化崩解、升扬置换，而灌注的水泥浆与土体颗粒之间发生强制性的掺搅混合、凝结硬化，从而形成结构密实、强度较大、有足够防渗性能的连续防渗体。

充填灌浆、劈裂灌浆和高压喷射灌浆形成的防渗体属逐渐过渡性接触，灌浆时对坝体起挤压作用，不会导致坝体应力释放，凝结体的强度与坝体接近，这对适应和协调坝体变形是十分有利的。

因此，从对坝体结构的影响来看，三种灌浆方式对坝体的影响都不大，其中高压喷射灌浆最小。

综上所述，考虑到充填灌浆针对土坝全断面防渗处理时，对灌浆效果有一定的影响，排除方案2，又高压摆喷灌浆对施工工艺要求高，投资高，排除方案3，故选取方案1:劈裂灌浆+排水棱体方案.

4 坝体劈裂灌浆设计

4.1 灌浆范围

劈裂灌浆范围为沿坝轴线的整个坝体段。

4.2 排距和孔距

劈裂灌浆设计为一排孔，沿坝轴线布置。根据规范规定，孔深大于15 m时，孔距布置为10 m，小于15 m时，孔距5 m。依据地勘报告，坝体粘性较大，孔距宜小。该坝最大坝高21.3 m，大于15m的坝段长度为50 m，综合考虑，在坝高大于15 m的中部坝段，孔距按10 m设计，设计6孔。孔深小于15 m，大于8 m坝段，孔距按6m布置，该段长32 m，设计4孔。岸坡段(坝高小于8 m)因应力比较复杂，灌浆时容易发生横向裂缝和斜向裂缝，依据规范孔距宜小(规范建议为2～3 m布置)，考虑基础灌浆孔距为2 m，与劈裂灌浆孔可共用，故岸坡段孔距设计采用2 m，该段长34.70 m，设计18孔。劈裂灌浆共布置灌浆孔28个。

4.3 灌浆深度

劈裂灌浆深度从坝顶至坝底基岩，最大孔深21 m，灌浆深度共计202 m。

4.4 灌浆材料

坝体灌浆材料采用重粉质壤土或轻粉质壤土，粘粒含量需大于20%，如适用有砂粒，砂粒粒径应小于0.5 mm。为加速浆液的凝固，在土料中掺入一定量的水泥，制成水泥粘土混合浆，其水泥粘土比值按1∶9或2∶8配制。

4.5 灌浆方式

劈裂式灌浆一般采用孔底注浆全孔灌注的方法，即注浆管下到孔底以上0.5～1.0 m处，不设阻浆塞灌浆，经过几次灌注基本不吃浆或孔口压力达到或接近设计灌浆压力时，应立即停灌，提升注浆管3～4 m，继续灌到设计要求。如此反复灌注，直至该孔灌浆达到设计要求为止。

4.6 灌浆压力

灌浆压力是保证和控制灌浆质量，提高灌浆效益的关键因素。最大控制灌浆压力根据其他工程经验，设计定为2.5×105 Pa，最终由现场试验确定。

对坝体霹裂灌浆的最大允许压力按规范也可采用如下公式计算:

孔底灌浆压力ΔP=γH+σt–γ'h

式中 γ为坝体土容重，N/m3;γ'为浆液容重，N/m3;σt为土的单轴抗拉强度，由试验确定;h为全孔灌浆时注浆管高度，m;H为计算点以上坝高，m

5 处理后渗流计算结果

本文只给出了设计工况下的浸润线和等势线结果图，见图2。各个工况下的渗漏量及坝坡出逸坡降见表3。

图2 设计工况下浸润线和等势线结果图

表3 大坝渗流计算结果表

从图2可以看出，劈裂灌浆有效地降低了浸润线，从表3可以看出，单宽渗流量有效降低，各个工况下坝坡出逸坡降均小于允许坡降。

6 结语

渗漏问题是病害土石坝的一个重要问题，选取有效的模型对土石坝进行渗流分析，进而确定有效的除险加固方案是十分有必要的。对于小型土石坝工程来说，劈裂灌浆具有操作简单、性能稳定、节约投资等优点，是一种不仅技术可行，而且经济合理的除险加固方案。

[1]牛云光.病险水库加固实例[M].北京:水利水电出版社，2002

[2]张启岳.土石坝加固技术[M].北京:水利水电出版社，1999

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[4]SD266－88，土坝坝体灌浆技术规范[S]

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