爆破堆石坝除险加固防渗处理设计

谢庆明，李照，彭清华

（云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明650021）

爆破堆石坝除险加固防渗处理设计

谢庆明，李照，彭清华

（云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明650021）

受地形地质条件限制，我国于20世纪六七十年代在国内采用定向爆破筑坝技术修筑了一批爆破堆石坝，由于爆破筑坝堆石体组成的复杂性，其渗漏非常严重，不能很好地发挥水库功能。结合云南省武定县在20世纪70年代修建的己衣水库定向爆破堆石坝存在的渗漏问题，详细介绍了该水库除险加固防渗处理的设计方案要点，可供从事水利工程设计的技术人员参考借鉴。

爆破堆石坝；防渗方案比较；处理效果

1 工程概况

己衣水库位于云南省武定县己衣乡，地处长江流域的金沙江南岸一级支流己衣大河的法保峡谷。水库除险加固后，枢纽工程由碾压堆石加高坝体、新建泄洪隧洞、改建输水隧洞进口竖井组成；水库坝址以上径流面积100 km2，总库容1 260.2万m3，最大坝高85.2m，坝顶长140m，是一座以灌溉为主结合人畜饮水的省属重点中型水利工程。

2 库区工程地质条件[1，2]

2.1 坝址区工程地质

坝址区为典型的深切河谷地貌，呈V形，两岸均为悬崖绝壁，基岩裸露，为二道水组薄-中层状白云岩夹硅质灰岩、泥灰岩及页岩，强-弱风化；除主、副爆区两侧发育危岩外，未见其他不良物理地质现象发育。

枢纽区内断层地质构造不发育，仅发现1条F4断层。该断层出露于坝轴线左岸偏上游约50m处，两侧为陡崖，性质为逆断层，岩性为糜棱岩、断层角砾岩，钙质胶结，弱透水性；断层影响带宽约2m，节理裂隙发育一般，岩体较完整。

坝基砂卵砾石层厚约3～5m，结构松散。但其位于爆破堆石坝体之下，受爆破堆石坝体反压，且透水性远小于爆破堆石坝体，故砂卵砾石表层可能存在接触性冲刷破坏，但不存在抗滑稳定问题，坝体压缩变形性较小，两岸主、副爆区的危岩及岸坡属稳定性差-不稳定。

2.2 坝体工程地质

大坝于1978年5月26日采用定向爆破成坝，爆破前两岸地形坡度均大于62°，爆破后地形变缓，上下游坝坡约为1∶2.5，爆破堆石坝体马鞍点高度74m，平均高度83m。主、副爆区漏斗堆积物为块石、碎石夹少量壤土及滚石，一般块径30～50 cm，最大达5m以上，爆破堆石坝体架空现象十分明显；左岸主爆破堆石坝体两侧已经形成冲沟，除局部会产生滚石外，爆破堆石坝体处于基本稳定状态；右岸副爆破堆石坝体表层的壤土含量约40%，结构松散，在雨水的冲刷作用下易产生坍滑，岸坡稳定性差。

根据1995年完成的《己衣水库定向爆破坝坝体探井原型观测研究》成果，爆破堆石坝体的不均匀系数Cu=7～1 500；一般干密度γd=1.7～2.65 g/cm3，平均为2.17 g/cm3；一般孔隙率n=6%～40%。由于不同部位存在着颗粒组成和结构上的差异，块石架空现象明显，有形成渗透的良好通道。在做原型观测过程中，实测坝体渗透系数3.0×10-3～7.2× 10-1cm/s，说明爆破堆石坝体的渗透极强，并具有明显的差异性。同时，从建于下游的量水堰渗流观测及1991、1993年两次高水头渗流原型观测试验看来，大坝在死水位以下渗漏量较小，随着水头增加其渗漏量明显增加，并经两次高水头（66.55、68.54 m）蓄水考验，测得渗漏量分别为2.24和3.23m3/s，说明爆破堆石坝体在短期水流作用下其抗渗性能基本稳定，但在长期高水头作用下其抗渗稳定会存在一定问题。为了发挥水库的灌溉效益并满足蓄水要求，必须对爆破堆石坝体及基础作防渗处理及整形加固处理，只有这样才能满足工程正常运行要求。

图1 斜墙防渗比较方案

3 防渗处理设计

己衣水库除险加固重点是对坝体防渗进行处理，防渗处理涉及到大坝轴线选择，根据坝址所处的地形、地貌及爆破堆石坝体现状以及大坝防渗结构的不同型式，结合爆破堆石坝体形态，本着安全、可行、尽可能减少工程量的原则，设计考虑3条坝轴线防渗方案[3]：①新坝轴线位于原爆破设计坝轴线位置，大坝防渗上游坡采用斜墙防渗，简称“斜墙防渗方案”；②新坝轴线与爆破设计坝轴线重合，在原坝顶及上下游坝坡进行加高培厚和整形处理，大坝防渗在坝轴线位置采用垂直帷幕灌浆防渗，简称“垂直防渗方案”；③新坝轴线布置在原爆破设计坝轴线的下游82m位置，结合当时国内防渗墙施工深度要求，在下游坝坡原爆破堆石坝体内造孔46m深的混凝土防渗墙，简称“防渗墙防渗方案”。

3.1 斜墙防渗方案

斜墙防渗方案大坝结构布置，如图1所示。针对斜墙方案可供选择的有黏土斜墙、钢筋混凝土面板斜墙、沥青混凝土面板斜墙和复核土工膜斜墙防渗方案，它们的共同点都是在爆破堆石坝体上游面采用斜墙防渗，坝基及两岸绕坝渗漏采用水泥浆液帷幕灌浆防渗，而坝前库内泥砂淤积较深已达1 984.08 m高程位置（近40 m深），经勘探分析坝前淤积层结构为湖积层，为典型的多元结构地层，并含大量的有机物（主要为腐植物）和不规则状气孔，为中等-高压缩性土，属弱-强透水性，存在渗漏、渗透变形和压缩变形问题，靠近上游坝坡的淤积物还可能被库水击穿。所以，坝前淤积物不能直接作为上游天然水平防渗铺盖，需对上游坝基进行垂直防渗。在对上游库区淤积高程以下爆破堆石坝体进行防渗处理时，由于库区淤积层不能作为水平铺盖防渗，还需对爆破堆石坝体部分进行垂直防渗，一种方案是对坝前淤泥层进行大开挖，另一种方案是在斜墙底部基础爆破堆石坝体中进行造孔混凝土防渗墙或帷幕灌浆施工，但其上游周边防渗岸墩线需布置在爆破堆石坝体上，最大爆破堆石坝体深达30m，其稳定性较差，对上游周边防渗稳定造成较大的隐患；同时，上游坝脚造孔混凝土防渗墙施工平台满足不了施工导流度汛高程要求，而且整个防渗体包括上游坝脚的混凝土防渗墙、岸墩线施工、坝基帷幕灌浆、固结灌浆以及坝面斜墙等各种防渗结构，施工工艺较为复杂，给施工导流、施工难度、施工安全带来极大风险。

3.2 垂直防渗方案

垂直防渗方案大坝结构布置，如图2所示。拟在坝轴线位置进行帷幕灌浆形成坝体、坝基防渗帷幕，结合两坝肩帷幕灌浆防渗，形成整体灌浆防渗体系。沿坝轴线布置3排灌浆孔，孔、排距均采用2.0m，上下游排采用低水灰比的膏状稳定水泥浆液灌注，可以起到灌注大孔隙、封堵大通道、节约灌浆材料和灌浆时间的作用；中间排则采用流动性好的稳定性浆液灌浆，以便对较细的裂隙进行灌注并在有效范围内进行补强。上下游排孔深入基岩0.5m，中间排孔深入至基岩相对不透水层5m。两坝肩沿坝轴线开挖灌浆平洞进行帷幕灌浆，帷幕灌浆布置单排孔，孔距2.0 m，灌浆深入基岩相对不透水层（基岩单位吸水率ω值小于或等于5 Lu）5m，帷幕灌浆最大灌浆深度为103m。

图2 垂直防渗比较方案

图3 混凝土防渗墙推荐方案

3.3 混凝土防渗墙防渗方案

防渗墙防渗方案大坝结构布置，如图3所示。根据2001年9月21日水利部江河水利水电咨询中心文件《关于印发云南省武定县己衣水库除险加固工程技术咨询意见》（水咨设〔2001〕13号），专家组认为“防渗加固处理坝轴线向下游方向移动，在爆破堆石坝体中混凝土防渗墙的高度不宜超过30m”。大坝加固设计坝轴线位于原爆破堆石坝体上，距原爆破坝轴线下游82m，防渗轴线在新坝轴线上游侧，距新坝轴线0.5 m。为满足在爆破堆石坝体中造孔浇筑46m深混凝土防渗墙的施工要求，在下游原爆破堆石坝体上新坝轴线位置开挖至高程1 980m处形成一个宽度大于15m的施工平台，造孔混凝土防渗墙厚0.8m，深入基岩1.0m左右，其次在新加高碾压爆破堆石坝体部分采用现浇混凝土防渗墙防渗，坝体二维应力-变形计算结果表明，防渗墙墙体中间部位大部分区域拉应力较小或无拉应力，为便于安全，在明浇混凝土防渗墙根部与造孔混凝土防渗墙顶结合部位设置铜片止水，并在其明浇混凝土防渗墙上游面增设1层复合土工膜联合防渗，造孔及现浇混凝土防渗墙面积为7 800 m2。防渗墙下坝基防渗帷幕用预埋管灌浆处理，先进行造孔混凝土防渗墙施工，浇筑至1980m高程时，再对混凝土防渗墙预埋灌浆管进行墙下坝基灌浆施工，两岸坝基帷幕灌浆在坝体填筑到坝顶高程时施工。在坝顶左右坝肩绕坝渗漏采用2.5m×4m的灌浆平洞进行帷幕灌浆处理，并同坝体防渗体相接，形成整体防渗体系。防渗帷幕处理最大灌浆深度92m，为单排孔布置，孔距1.5m，灌浆底界深入基岩相对不透水层（基岩单位吸水率ω值小于或等于5 Lu）内5m，两坝肩防渗边界处理原则是由正常蓄水位延伸至与地下水水位相交位置或者是与坝基相对隔水层相交位置。由于两岸地下水水位较低，正常蓄水位与地下水水位不能相交。左岸边界与岸坡交界向下游偏转11°延长27m（与坝基相对隔水层相交），右岸边界由于坝基相对隔水层较远，结合坝体绕坝渗漏和岸坡陡岩地质情况分析，在满足渗流稳定时，防渗边界向下游偏转28°延长70m，将输水隧洞包含在防渗处理范围内，整条防渗轴线长230.75m。

3.4 防渗方案选择

对上述3个方案进行投资估算，结果见表1。

表1 大坝防渗方案投资估算

经综合比较，认为“斜墙防渗方案”虽然投资最少，但其上游周边防渗岸墩线需布置在爆破堆石坝体上，最大爆破堆石坝体深达30m，稳定性较差，上游坝脚造孔混凝土防渗墙施工平台满足不了施工度汛高程要求，而且整个防渗体包括上游坝脚的混凝土防渗墙、岸墩线施工、坝基帷幕灌浆、岸墩固结灌浆以及坝体上游斜墙等各种防渗结构，施工工艺较为复杂；同时，坝顶两岸坝肩正对主副爆破漏斗区，两岸爆破松动岩体影响范围较大，防渗处理难度较大，不作推荐。

原爆破坝轴线帷幕灌浆防渗方案“垂直防渗方案”，虽投资适中，但据原型观测资料显示，爆破堆石坝体内部颗粒组成极不均匀，一般粒径30～50 cm，最大达5m以上，不均匀系数Cu值在7～1 500变化，平均孔隙率为32%，最大达40%。其难点在于上、下游排灌浆孔灌注低水灰比的膏状浓浆堵漏，其难度较大，施工质量及工程量难以控制，对造价影响较大；同时，3排帷幕灌浆孔灌浆最大深度达103m，在爆破堆石坝体中灌浆钻孔容易卡钻、掉钻、塌孔，施工处理难度较大，根据规范规定的造孔孔斜要求，成幕较为困难，不确定因素难以把握，其防渗结构可靠度较低，不作推荐。

原爆破坝轴线下游82m处的“混凝土防渗墙方案”投资虽较高，需在爆破堆石坝体中造孔46m深的混凝土防渗墙。此方案坝体采用混凝土防渗墙及坝基帷幕灌浆两种防渗结构型式，施工工艺并不复杂。2000年前后云南白龙河水库除险加固工程已在爆破堆石坝中成功做到45m深的混凝土防渗墙（其中混凝土防渗墙穿过爆破堆石坝体平均深度15m），防渗效果较好，该工程给己衣水库的坝体防渗墙施工提供了宝贵的经验。混凝土防渗墙能够彻底可靠地对坝体渗漏进行处理，该方案虽投资较高，但安全可靠、比较稳妥，施工时要加强混凝土防渗墙造孔孔斜控制力度，严格控制混凝土防渗墙的垂直度。

综上所述，选用混凝土防渗墙防渗方案，防渗坝轴线布置在原爆破设计坝轴线下游82m位置，可以避开左右主副爆破区的影响，同时满足在爆破堆石坝体中造孔混凝土防渗墙施工深度要求。现浇混凝土防渗墙高度35m，设计墙体指标为了上下墙（造孔段与现浇段）体变形协调一致，根据工程类比，采用垂直等厚0.8m布置，混凝土抗压强度大于10 MPa，混凝土弹性模量12 000～20 000MPa，抗渗强度大于W10。由于新加高碾压爆破堆石坝体部分防渗墙为现浇混凝土，国内未见有类似工程实例，为安全考虑，在现浇部分墙体前增设1层复合土工膜作为联合防渗，墙体两侧各设50 cm厚浆砌石作为现浇混凝土防渗墙施工胎膜；为便于墙体与坝体爆破堆石协调变形，在砌石体与爆破堆石坝体之间设2.0m厚的砂石混合过渡层，基础及两岸延长段采用帷幕灌浆单排孔，孔距1.5 m，形成整体防渗系统。

4 结语

己衣水库按照设计推荐的混凝土防渗墙方案于2007年9月开始施工，2008年8月完成防渗墙施工，2011年8月完成枢纽工程除险加固施工，经试蓄水运行一年，2012年12月通过了上级主管部门的枢纽工程安全竣工验收，总体工程质量被评为合格，同意竣工验收[4]。

2013年汛期库水位在2 011.58m，已超过正常蓄水位（2 010.92m）0.66 cm，下游坝脚三角量水堰（仅测坝体渗漏）测得坝体本身渗漏量为30.0 L/s，与库水位在正常蓄水位下理论计算渗漏量基本一致；另外在其下游约80m处的河床梯形量水堰观测得到坝体、输水隧洞闸门、竖井、洞身及两岸绕坝渗漏总量为0.12 m3/s，较大坝防渗处理前相同水位下渗漏3.23m3/s大为减少，防渗处理效果较为明显。并且，经观测1年多来，在相同蓄水位下其下游坝脚三角量水堰渗漏量变化不大，说明本次枢纽工程除险加固防渗处理达到了预期目的，防渗方案选择恰当，施工方法合理。

[1]陶忠平.爆破堆石坝堆石体主要工程地质研究[J].人民长江，2005，（9）.

[2]云南省水利水电勘测设计研究院.己衣水库定向爆破坝坝体探井原形观测研究[R].昆明：云南省水利水电勘测设计研究院，1995.

[3]云南省水利水电勘测设计研究院.云南省武定县己衣水库除险加固工程初步设计报告[R].昆明：云南省水利水电勘测设计研究院，2005.

[4]云南省水利水电勘测设计研究院.云南省武定县己衣水库除险加固工程竣工资料设计工作报告[R].昆明：云南省水利水电勘测设计研究院，2012.

Design of Reinforcing the Blasting RockfillDam to Avoid the Seepage

XIEQing-ming，LIZhao，PENGQing-hua
（Yunan Provincial Investigation，Design and Research InstituteofWater Conservancy and Electric Power，Kunming 650021，China.）

In the 1960s and 1970s，a number of Blasting Rockfill dams were built，with the direct blasting technology based on the condition of geography.Due to the complexity of the composition，the leakage is a very serious problem.The dams cannot reservewater.The details of Jiyi reservoir and theways of reinforcing the Blasting Rockfill Dam to avoid the seepageare discussed，which can provide someusefulwaysofavoiding the Seepage tootherengineers.

blasting Rockfill Dam；comparewith schemesofavoiding the seepage；treatmenteffect

TV641.4；TV222

B

1004-7328（2014）06-0020-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.06.007

2014-09-09

谢庆明（1964-），男，高级工程师，主要从事水利水电工程设计工作。