探讨中小型水库土石坝的除险加固设计

丁昭佐，沈宽勇，简士洋

(1. 毕节市勘测设计研究院，贵州 毕节551700;2. 毕节市水利局，贵州 毕节551700)

1 工程概况

某地区水库以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的中型水利工程。

大坝坝顶高程不够，大坝施工质量较差，目前大坝中上部渗漏严重，下游坝坡散浸严重，渗流逸出点高，危及大坝安全。输水涵为浆砌石拱涵，由于施工时基础处理不彻底，砌体质量差，且经过长时间运行后，涵洞出现渗漏。目前裂缝宽度达4 ～5 cm，因此渗水大量渗入大坝，危及大坝安全。另外，溢洪道中部被毁并修建为公路，致使无法泄洪。

出现的险情已经严重影响到水库的正常安全运作，对下游居民的生命财产安全威胁很大［1］。

2 土石坝主要病险情的除险加固设计

土石坝除险加固设计包括坝顶加高、坝体防渗处理。

2.1 土石坝坝顶加高

某水库大坝坝顶高程为193.8 m，较规范要求的最小高程194.8 m低了1.0 m，大坝坝顶高程不能满足防洪要求。

因此需对大坝进行加高。坝顶加高常用的方案有大坝加高培厚和在坝顶修建防浪墙。对大坝加高培厚工程量大，施工复杂;而在坝顶修建防浪墙的工程量小，施工简便。

某水库坝顶高程为193.8 m，大于300 a一遇校核洪水位。因此，本设计在坝顶修建防浪墙以解决大坝坝顶高程不够的问题。

2.2 坝体防渗处理方案比较

本次勘探对坝体进行钻孔检查，发现坝体局部夯压不密实，坝基接触面清基不彻底，接触面渗漏严重。

根据目前大坝现场检查出现的异常渗漏情况和钻孔检查结果，必须考虑加固大坝防渗体。根据《碾压土石坝设计规范》以及结合当地筑坝材料和施工经验，加固大坝防渗体可以采用冲抓套井回填和上游加作黏土斜墙2 种方案:

2.2.1 方案一:冲抓套井回填

借鉴冲抓套井回填防渗加固的成功经验，在大坝顶离上游1.0 m位置进行冲抓套井回填，冲抓套井回填采用1 排孔，孔距为0.78 m，形成的防渗墙有效厚度为0.78 m，冲抓范围自坝顶至基岩，最大冲抓深度25.3 m。

2.2.2 方案二:上游加黏土斜墙

施工前，把水库放干，按一定坡比修整内坡，在内坡脚清淤，清到基岩，做一道1.0 ～1.5 m高的混凝土防渗墙，在混凝土防渗墙上做斜墙，在斜墙上游设0.4 m厚反滤层，反滤层上设0.3 m厚块石护坡。

黏土斜墙防渗体做在大坝上游侧，淤积库内，减少库容，在施工时要全部放干水库，并要修建围堰，施工项目较多，施工较为复杂。

因此，采用方案一作为坝体防渗处理方案。

2.3 土石坝冲抓回填

主要包括6个方面的内容:

2.3.1 冲抓钻孔套井原理

冲抓钻孔套井回填处理土坝渗漏，是在漏水范围内利用冲抓机钻孔，然后用黏土进行分层回填，并利用钻机的动力和卷扬设备带动夯锤加以夯实，造成一个连续的截水墙，截断坝身或坝基中的渗流［2］。

2.3.2 冲抓套井防渗墙顶高程的确定

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)4.2.4 条防渗墙顶部在静水位以上的超高，对正常运用情况，应为0.6 ～0.3 m;对非常运用情况，防渗体顶部应不低于非常运用的静水位。对正常运用情况时，防渗墙顶部高程最高为192.6 m，对非常运用情况，防渗墙最高为193.6 m。

大坝坝顶高程193.8 m，冲抓套井在坝顶进行，由上而下进行钻孔后回填，为便于施工和保证质量，冲抓套井回填防渗墙顶高程与坝顶齐平，为193.8 m。

2.3.3 冲抓套井防渗墙轴线位置确定

大坝冲抓回填防渗墙的主要作用为在坝体内形成防渗体以截断坝身或坝基中的渗流［3］。为减少下游坝体内的水压力，坝体防渗墙在满足防冻与保护层要求下尽量靠上游。因此，冲抓回填防渗墙轴线离坝顶上游侧1.0 m。

2.3.4 套井回填土料的选择

套井回填土料暂拟在坝区北面左岸10 km岗地取土，此处为荒地，贮量足，其物理性质可以满足防渗墙土料要求，根据《碾压式土石坝设计规范》，防渗墙土料必须符合以下物理性质:回填土料为黏性土料，填土渗透系数要求K ＜1 ×10－5cm/s，填土干容重为1.6 g/cm3，压实度≥0.95。

2.3.5 有效厚度的确定

防渗墙的有效厚度是根据渗透稳定计算求得其渗透坡降小于允许渗透坡降的条件决定的。

表1 孔距、排距和有效厚度的相互关系

将防渗墙的有效厚度，按照防渗墙的渗透系数和坝体渗透系数的比值折算成等效的坝身厚度来进行计算［4］。

防渗体厚度:由B = H/J (H = 3.2，J = 6)则B =0.53。假定大坝采用单排孔α =45°;所以L1=0.78 m;T1=0.78 m。T1=0.78 m ＞B =0.53，故采用单排孔布置可以满足要求。因此本次选用单排孔冲抓作防渗墙。

2.3.6 钻孔深度的确定

根据地质情况及防渗要求，本次设计冲抓回填自坝顶而下至基岩，本次设计冲抓回填最深为从坝顶193.8 m到167.5 m的26.3 m。

2.4 坝体及两坝肩帷幕灌浆设计

在对坝体进行钻孔检查时，发现坝基强风化岩石破碎，岩层吸水率在17.3 Lu ～25.3 Lu，坝基与两岸山体岩石裂隙发育，漏水严重。因此，坝基和两岸山体除险加固采用帷幕灌浆防渗处理。

2.4.1 帷幕设计

帷幕灌浆采用一排灌浆孔，孔距2.0 m，防渗标准根据地勘成果及规范要求，取q =10 Lu，灌浆孔伸入相对不透水层(q =10 Lu)以下1 m，帷幕最深处高程为164.66 m，最终孔深应由现场先导孔压水试验确定［5］。

2.4.2 灌浆孔布置

大坝坝基、坝肩和溢洪道存在渗漏，设计采用帷幕灌浆作防渗加固处理，大坝坝肩灌浆孔沿两岸山坡布置，在坝顶向两岸延伸，延伸至正常蓄水位与相对不透水层在两岸的相交处［6］。

2.4.3 钻孔及简易压水试验

帷幕灌浆钻孔:坝身采用冲击干钻、套管护壁，基岩采用回转式钻机钻进，用金刚石钻头或硬质合金钻头钻进，终孔孔径为75 mm。

钻机安装必须水平、稳固，开孔位置偏差应控制在10 cm之内，孔斜率控制在1%以内，钻孔深入相对不透水层内1 m左右。

钻孔冲洗及简易压水试验:钻孔达到设计深度后，应采用清水冲洗钻孔，直至回水澄清无砂和岩粉为止，残留岩芯应≤0.2 m。

帷幕灌浆孔在灌浆前，对先导灌浆孔均应进行简易压水试验，所得透水率q 值来确定开灌水灰比及了解岩层的透水程度。

2.4.4 灌浆参数的选取

2.4.4.1 灌浆段长度

灌浆段的长度是根据岩石的裂隙发育程度、破碎情况、渗透性以及设备条件决定的。

参照省内外帷幕灌浆取得的成功经验，并根据工程的具体情况，为确保工程质量，设计要求灌浆段一般长5 ～8 m，基岩条件较好的灌浆段取大值，裂隙发育，岩石破碎段取小值。接触面单独做一段，灌段长1.5 ～2.0 m。

2.4.4.2 灌浆压力及浆液变换

灌浆压力是影响灌浆质量的重要因素，本次灌浆压力一般要求现场通过灌浆试验确定。

浆液稠度根据基岩透水率不同而改变，起始水灰 比 采 用8∶1;以 后 采 用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1。

接触面灌浆压力要求以不使坝体底部劈开或上抬为原则，根据有关规范，接触面灌浆压力应控制在0.05 MPa以内。

浆液稠度的变换原则是:当某一比级浆液的灌入量已达300 L以上或灌注时间已达30 min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改浓一级。或注入率＞30 L/min时，可根据具体情况越级变浓。

2.4.4.3 结束灌浆标准

符合下列条件之一者，即可结束灌浆:

1)在设计规定的灌浆压力下，灌浆段已停止吸浆或吸浆量＜1.0 L/min，并持续60 min以上时。

2)在规定的压力下，吸浆量徘徊在1.0 L/min的时间达1 h以上。

2.4.5 灌浆材料及灌浆工艺

2.4.5.1 灌浆材料

必须是新鲜合格的普通硅酸盐水泥，强度等级≥32.5，对水泥的供给采取边用边进的原则，以保障水泥不过长时间在工地积放。

2.4.5.2 灌浆施工次序

灌浆应遵循分序加密的原则。帷幕孔分三序次施灌，一序孔孔距8 m;二序孔孔距8 m;三序孔孔距4 m，最终孔距2 m。

2.4.6 灌浆方法

当岩段＜6 m时，采用全孔一次灌浆法;＞6 m或在漏水严重地段应采取自上而下的方法灌浆，以提高灌浆质量。

2.4.7 灌浆结束和封孔

在灌浆过程中，对于每一个灌浆孔都应严格按照规程、规范的要求结束灌浆，以确保工程质量。对较深的帷幕灌浆孔，在最后一段灌浆结束后即采用浓浆封孔。封孔分段长15 ～20 m，封孔压力与灌浆压力相同，当注入率≤1 L/min，继续灌注30 min后，在孔口处继续灌注60 min，灌注结束后闭浆24 h。

2.4.8 工程质量检查

检查孔数为灌浆总孔数的10%，布置在断层、岩体破碎带等地质条件复杂的部位、末序孔注浆量大的孔段附近、孔偏斜过大处、灌浆过程不正常的部位。

检查孔应采取岩芯，绘制钻孔柱状图。检查孔压水试验在该部位灌浆结束后14 d后进行，自上而下分段卡塞进行压水试验，采用单点法或五点法。压力为1 H0(H0为正常蓄水位至试验段处高差)，且不大于该处灌浆压力的80%。

检查孔各段压水试验测得的q 值原则上须≤10 Lu，所有试段的q 值必须＜10 Lu，才认为该孔符合标准。

3 结 语

本文对某水库土石坝进行了除险加固设计，选择帷幕灌浆防渗的方案，解决了关于水库坝顶高程不够;大坝施工质量较差，目前大坝中上部渗漏严重，下游坝坡散浸严重，渗流逸出点高，危及大坝安全等主要问题。

［1］程圣国，郑英，蔡启龙，等. 小型土石坝病险水库除险加固技术研究［J］. 小水电，2005(06):16 －18.

［2］邹玉华. 浅谈中小型水库土石坝的除险加固设计［J］. 四川水利，2009(05):52 －55.

［3］党雪梅. 土石坝除险加固设计［J］. 水利技术监督，2010(05):50 －53.

［4］王秘学，叶俊荣.陆水水库除险加固设计［J］. 中国水利，2008(20):73 －76.

［5］陈静. 朱坊水库除险加固分析与设计［J］. 水利技术监督，2012(01):36 －39.

［6］姚小丰，胡长江. 水库大坝除险加固工程设计探究［J］.河南水利与南水北调，2013(02):26 －27.