垅头水库大坝防渗加固方案选择分析

□ 林文锋（福建省安溪县水利局）

1 水库概况

垅头水库位于安溪县城厢镇墩坂村，属晋江西溪英溪支流，水库大坝工程于1955年9月动工兴建，1959年10月建成。水库坝址以上流域面积0.84 km2，总库容34.40万m3。是一座以灌溉为主，结合养殖等综合效益的小（2）型水库。大坝坝型为均质土坝，最大坝高为10.50m，坝顶长137.00m，坝顶宽9.00m。

2 大坝渗漏问题及原因分析

2.1 存在问题

2012年4月，经安溪县水利局组织的有关专家鉴定，垅头水库大坝为三类坝，坝体存在渗漏问题。根据钻孔注水试验及室内渗透试验统计成果分析，坝体填筑土具弱～中透水性，其渗漏部位主要集中在坝体中部标高19.50～25.00m处，结合现场勘查资料，迎水坡混凝土面板局部破损，背水坡中部过坝渠道高程以下大面积湿坡，有多处集中渗水，且随水位升高而增大，需进行坝体防渗处理。

2.2 原因分析

2.2.1 历史原因

工程建设时期处于“大跃进”阶段，工程建设存在边勘测、边设计、边施工，施工阶段停停续续，造成了一些工程质量问题，工程建设严重存在先天不足。

2.2.2 地质原因

填筑土室内垂直渗透试验和水平渗透试验显示，垂直渗透系数为3.66×10-5 cm/s～3.02×10-4 cm/s，平均值为K＝9.15×10-5cm/s；水平渗透系数为 3.65×10-5 cm/s～5.12×10-4cm/s，平均值为K＝1.77×10-4cm/s。同时在现场对坝身填筑土进行注水试验，压水试验在弱风化岩进行，结果表明：填筑土渗透系数为2.18×10-5～5.39×10-4 cm/s，渗透系数算术平均值为K=5.77×10-5cm/s；残积砂质粘性土渗透系数为3.62×10-5～5.09×10-5cm/s，渗透系数算术平均值为K=5.09×10-5cm/s；强风化英安质晶屑凝灰熔岩渗透系数为3.15×10-4～5.78×10-4cm/s，渗透系数平均值为K=4.83×10-4cm/s；弱风化英安质晶屑凝灰熔岩吕荣值2.70～3.15 Lu,平均值为2.92 Lu，吕荣值＜10 Lu。上述试验表明填筑土属弱～中等透水层，渗透系数低于规范的规定。

坝体填筑土为粉砂质粘性土，为可塑状，干密度ρd值为1.50～1.71 g/cm3，为室内击实试验（轻型）成果值的90.90%～100%，压实度大部分偏低，低于规范要求。

2.2.3 渗流原因

垅头水库大坝为均质土坝，渗流计算采用的渗透系数是根据大坝钻探的试验值选用的，渗透系数为3.95×10-4cm/s。计算断面选用大坝最大断面进行计算，按水电部天津勘测设计院编写的“土坝渗流计算程序”计算。

通过土坝渗流的分析，土坝段实际的水力坡降在2.36×10-1～2.76×10-1之间，均小于计算的[J允]=0.66，能够满足设计要求；但从现场检查及日常管理情况来看，大坝背水坡中部过坝渠道高程以下大面积湿坡，有多处集中渗水，且随水位升高而增大；大坝周围存在白蚁活动的痕迹，形成渗水通道，实际渗流量远比计算值大，在造成水资源损失同时，不利于大坝安全。

3 大坝加固方案选择

针对垅头水库大坝存在的问题，根据大坝渗漏原因分析，并结合以往类似工程的实践经验，大坝防渗处理初始拟定两种方案：

方案一：死水位以下部位采用高压旋喷桩、以上上游面铺设土工膜防渗

坝体迎水坡死水位以上水库水位经常降落（高程23.40m以上），采用复合土工膜防渗，并在复合土工膜面设滤层及护面结构；坝体死水位以下(高程23.40m以下)，采用垂直防渗墙进行防渗，垂直防渗采用单管高压旋喷桩固结填料形成防渗体。

垂直防渗墙：高压旋喷桩桩径为600mm，孔距500mm，按单排布孔，孔深应穿过所有填土料层至基础面以下0.50m。平均孔深为2.90m，旋喷桩总长度270m。

上游坡上部防渗及护面结构：上游坝坡上部(高程22.40m以上)防渗采用复合土工膜防渗，拆除现有坝坡块石护面结构，平整压实坝坡，然后铺设复合土工膜（600 g/m2）。护面结构为干砌块石，先在复合土工膜上铺砂、碎石各100mm厚，压实作为垫层，再在碎石垫层上铺干砌块石250mm厚，以防止水位骤降和风浪淘刷及水库漂浮物的撞击破坏。方案一工程投资71.02万元。

方案二：全坝段高压单管旋喷桩防渗结合岩基帷幕灌浆防渗

地基灌浆帷幕顶部与坝体连接，底部深入相对不透水岩层一定深度，以阻止或减少地基中地下水的渗透；与位于其下游的排水系统共同作用，还可降低渗透水流对坝体的扬压力。

高压旋喷桩是高压喷射注浆法地基处理中的一种，就是利用钻机、注浆管、高压泥浆泵等装置，把水泥浆液形成高速喷射流束喷入土体，借助液体的冲击力切削土层，同时钻杆使土体与水泥浆充分搅拌混合凝固，形成桩柱或板墙状的凝结体，用以提高地基防渗或承载能力的施工技术。旋喷桩的特点是：可提高地基的抗剪强度；能利用小直径钻孔旋喷成大直径固结体；施工特点是噪声低，振动小；可用于任何软弱土层，并可控制加固范围；设备较简单、轻便，机械化程度高，更人性化。

此方案沿坝轴线全坝段采用单管高压旋喷桩，桩径为600mm，孔距500mm，按单排布孔，旋喷桩顶高程30.50m，桩底高程应穿过所有填料层至基础面以下0.50m，河床部分最大孔深为11.00m，旋喷桩总长度3407.00m。该方案投资98.64万元。

4 方案比较

方案一防渗效果能满足要求，造价适中，但对土工膜的整体性要求较高，坝坡较陡，死水位处没有平台，施工机械进场比较困难；方案二防渗效果好，耐久性强，可靠性高，但造价比较高；由于坝体填筑质量不均匀，方案二对大坝防渗处理的质量更有保证。综合考虑投资、工艺、质量、使用年限及坝体实际渗漏情况，推荐方案二为坝体防渗加固方案。

5 工程施工

工程施工安排在枯水期，工期5个月。本次防渗加固工程需要天然建筑材料主要为条石块、土料及砂粗骨料。原料来源：石料场：工程区一定范围内没有可供开采利用的石料场分布，附近有简易公路通至大坝区，运输较方便；砂砾石料场：工程区一定范围内没有可供开采利用的天然砂砾石料场分布，工程建设所需的混凝土粗、细骨料建议外购；土料场：位于水库大坝右岸，距大坝500m，分布于山丘表部及低缓的坡脚，土料为坡积粘性土，含砂量约15%，以粘性土为主，有用储量约0.50万m3，开采及运输方便。

按照设计，在坝顶轴线上设置两排布孔。第一排布孔，孔距500mm，桩径600m，轴线总长123.50m；高压旋喷桩底部高程12.00m,顶部高程30.30m,孔深穿过填料层至基础面以下0.50m，最大孔深18.30m。第一排高压旋喷桩总长3407.00m。第二排布孔，孔距500mm，桩径600mm，轴线总长70.00m；高压旋喷桩底部高程12.00m,顶部高程18.30m,最大孔深6.30m。第二排高压旋喷桩总长849.30m。

施工具体操作过程：坝体防渗体高压旋喷桩施工采用100型地质钻机造孔，灌浆采用中压灌浆，灌浆压力≥25MPa，注浆的主要材料为水泥，采用标号42.5及以上的普通硅酸盐水泥，通过单管高压旋喷桩固结填料形成的防渗体，达到大坝坝体防渗的效果。钻孔至设计高程后，即将旋喷管插至孔底，边喷浆边旋转提升，形成由水泥、砂或土形成的固结桩体。

考虑到施工对环境的影响较大，且主要发生在施工期，应做到施工过程中严格控制废水的排放，避免下游水质遭受污染；注意施工人员劳动保护工作；工程完工后，及时清理施工迹地，尽快开展复土、平整、植被恢复工作；做好弃渣场的坡面平整、压实，及时种草植树，减少水土流失。

6 结语

目前大坝防渗加固方法较多，各类方案各有其特点和适用条件。在垅头水库大坝防渗加固中根据其存在的问题初步拟定两种解决方案，虽然方案一较方案二经济，但考虑到工程质量及施工难度等方面，方案二较优，推荐采用方案二。垅头水库防渗加固的施工方案选择与普通工程有所差别，此现象可供类似工程借鉴，便于方案选择。