土石坝坝体坝基防渗墙衔接段加固方案比选分析

李 焱 ，吴晓彬 ，高江林 ，简鸿福

（1.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全工程技术研究中心，江西 南昌 330029）

0 前言

近几年江西省对数百座土石坝进行了加固，并重新设计建造了大坝的防渗体系[1]。对于除险加固中坝体和坝基防渗的特殊问题，尤其是坝体防渗墙与基础帷幕灌浆衔接问题，如何选用合适的防渗方案，以达到理想的防渗效果并在经济上最优，目前还没有系统的研究[2～5]。因此，对我省土坝基础防渗方案进行及时总结和分析，对指导我省今后的大坝基础防渗工程实施，具有重要意义。

本文对全省土坝基础防渗实施情况进行了调研，总结了我省应用较多的防渗方案；在调研的基础上，选用典型工程，对几种防渗方案进行现场压水试验，比较了各方案的防渗效果；对各防渗方案进行了有限元分析计算，和现场试验资料互相验证；对各防渗方案进行了经济评价，通过单价分析并结合施工工序分析，给出了合理的技术方案。

1 江西省防渗方案应用情况

目前，在江西省水库土石坝的除险加固中，主要采用以下4种方案进行坝基防渗：

方案一：防渗墙和帷幕灌浆综合应用，防渗墙和帷幕灌浆布置在同一轴线上。在混凝土防渗墙施工时，预埋灌浆钢管，待墙体凝固具有一定强度后，在预留的灌浆管内钻孔进行帷幕灌浆。

方案二：防渗墙和帷幕灌浆综合应用，防渗墙和帷幕灌浆布置在同一轴线上，待防渗墙具有一定强度后进行钻孔灌浆。这种方法从本质上讲，和第一种灌浆方法是一样的，只是灌浆孔的成孔方法不同。

方案三：防渗墙、帷幕灌浆、高压喷射灌浆综合应用，墙前布置“压浆板”。帷幕灌浆轴线一般布置在防渗墙轴线前30 cm左右。在基岩帷幕灌浆施工前，在基岩上方利用高压喷射灌浆形成一道“压浆板”，以利于基岩帷幕灌浆。

方案四：防渗墙、帷幕灌浆综合应用，墙前未布置压浆板。帷幕灌浆轴线一般布置在防渗墙轴线前30 cm左右。

2 各防渗方案现场试验分析

2.1 现场试验方法

分别针对坝体防渗墙和坝基帷幕灌浆的研究已经很多[5]，本文不再赘述。本文主要针对防渗墙和帷幕灌浆的衔接段进行了研究，各方案的防渗效果也主要根据施工后衔接段的压水试验透水率结果来进行判定。各试验孔均布置在帷幕轴线上、相邻两个灌浆孔的中点，压水试验的方法采用单点法。

2.2 各方案现场试验结果

给出各方案的现场压水试验结果，如表1～表4。

表1 方案一压水试验成果汇总表

表2 方案二压水试验成果汇总表

表3 方案三压水试验成果汇总表

表4 方案四压水试验成果汇总表

各水库在加固前，各衔接段透水率均在15～40 Lu范围内。通过以上实际试验数据可以看出，无论是采用哪种防渗方案，其衔接段的透水率较处理前均有较大降低，说明近几年我省采用的坝体和坝基防渗方案是可靠、有效的。而从实测的数据，特别是加固后的透水率来看，各种防渗方式在衔接段的防渗效果差别并不明显。

3 各防渗方案数值分析

本文利用GEO-Studio有限元软件，对4种坝基处理方案进行渗流分析。

3.1 基本情况

选用的典型工程为宜春市某中型水库。该水库坝址以上控制流域面积30 km2，水库总库容1745万m3，设计正常高水位 112.30 m，坝顶高程 116.60 m，最大坝高26.60 m，坝顶宽6.00 m。上游坡比自上而下分别为1∶3.00、1∶3.16，下游坡比为 1∶2.50。

由于本文主要是探讨防渗方案的效果，因此选择坝体材料能够反映整个大坝情况的断面作为计算断面。大坝的主要断面材料有：坝体填土、排水棱体、坝基砾质土层、坝基风化基岩、坝基未风化基岩（见图1）。各分区材料渗透系数（由该工程的勘察单位提供）如表5。渗流分析采用的水位为正常蓄水位，即112.30 m。

3.2 渗流场分析

加固前某水库大坝的渗流场如图2所示；图3、图4、图5分别表示采用帷幕与防渗墙同轴线灌浆（包括预留钢管灌浆和墙体钻孔灌浆）、墙前压浆板灌浆、墙前未设置压浆板等四种方案进行渗流分析的渗流场。

图1 渗流计算断面图

图2 某水库大坝加固前渗流等势线 （单位：kPa）

图3 帷幕与防渗墙同轴线灌浆渗流等势线 （单位：kPa）

图4 墙前压浆板方案灌浆渗流等势线 （单位：kPa）

图5 墙前未设置压浆板方案渗流等势线 （单位：kPa）

从图2可以看出，在某水库大坝加固前，其浸润线较高，不利于坝体稳定。从图3～图5可以看出，利用四种防渗方案对大坝进行防渗处理后，坝体内浸润线明显降低，坝体浸润线下游坝坡出逸点均有大幅度降低，出逸点均在反滤设施以内，防渗效果较好。

各防渗方案下，某水库大坝的单宽渗流量见表6。

从图3、图4、图5和表6也可以看出，4种防渗方案的渗流场分析图区别较小，浸润线及溢出点基本保持一致，其单宽流量也差别不大。说明在理论上施工质量达到设计要求的情况下，不论采用何种防渗方案，都可以达到理想的防渗效果。

表5 某水库渗流分析有限元模型材料渗透系数表

表6 各防渗方案下大坝渗流量

4 经济及施工工艺对比分析

对各防渗方案进行效益分析时，选用实际工程仍为上述水库。该水库4种防渗方案的工程量及造价见表7。

通过对4种防渗方案进行工程量和造价比较，经简单分析后可以发现：

方案一施工工序较少，由于预埋了灌浆管，可减少后期帷幕灌浆的钻孔工作量。缺点是如果施工水平较差，则在防渗墙施工时很容易造成预留的钢管倾斜甚至变形、封堵，这就需要在防渗墙内重新钻孔。由于不能在原位钻孔，会使个别灌浆孔孔距加大，可能影响灌浆效果。

方案二具有造价低、施工简单的特点，但在防渗墙内钻孔进度稍慢，且容易产生偏孔的可能。

方案三在工程施工时，需投入高压喷射灌浆设备。由于高压喷射的工艺要求和造价较高，在4种方法中，投资最多、成本最大、工序最复杂。

方案四不足之处是对衔接段质量控制的要求较高，但其投资最少，施工工序也较简单。通过现场压水试验，此方案在防渗效果上可以达到与另外两种防渗方案相同的水平。该方案可以节省资金、缩短工期，是比较经济合理的坝基防渗方案，具有推广价值。

表7 某水库各防渗方案工程量及造价表 万元

5 结论

（1）近几年在我省主要采用的土坝防渗方案主要有：防渗墙预留钢管灌浆、防渗墙钻孔灌浆、墙前布置压浆板灌浆、墙前未布置压浆板灌浆4种。

（2）对4种防渗方案的现场压水试验结果表明：应用上述4种防渗方案进行处理后，坝基透水率均有大幅下降，说明应用在我省较多的几种防渗方案，是可靠、有效的，4种防渗方案的防渗效果差别不明显。

（3）对4种防渗方案的有限元分析表明：4种防渗方案在理论施工质量达到设计要求的情况下，不论采用何种防渗方案，都可以达到理想的防渗效果。

（4）对4种防渗方案的工程量及费用分析结果表明，施工工序较少、相对节省资金的两种防渗方案是：在防渗墙中钻孔灌浆，或在防渗墙前不设置压浆板灌浆。这两种方案比较，后一种方案在保证衔接段灌浆质量的前提下，可以节省资金、缩短工期。

[1］潘海军，贺事忠.土石坝坝基接触段静压灌浆工艺研究[J］.江西水利科技，2011（37）：247～249.

[2］程丽荣.浅议土石坝防渗加固技术[J］.甘肃农业，2005（2）：92.

[3］闫晓兵.土石坝防渗技术综述[J］.山西水利，2005（8）：59～60.

[4］徐庆强.帷幕灌浆在土石坝除险加固中的应用 [J］.浙江水利科技，2005，（1）：64～66.

[5］张景秀.坝基防渗与灌浆技术[M］.北京：中国水利水电出版社，2002.