土石坝加固混凝土防渗墙底水力坡降分析

李 焱 ，高江林

（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 引言

混凝土防渗墙是20世纪50年代在意大利发展起来的一种坝体防渗方式，经过60余年的发展，现已成为土坝加固方案的首选方式之一。针对混凝土防渗墙前人已经做了大量的研究，也取得了较多的成果[1～6]。但这些研究大多集中在防渗墙参数设计、施工控制等。然而由于防渗墙在施工过程中可能存在底部沉渣等缺陷，相对于墙身，防渗墙底部的水力坡降是存在一定的特殊性的。防渗墙底的水力坡降过大会引起防渗墙底部土体产生渗透破坏，对坝体安全产生巨大影响。

近几年江西省对数百座土石坝进行了加固，并用不同的方案重新建造了大坝的防渗体系[7]。研究各方案中防渗墙底的水力坡降并对其安全性进行分析，对指导今后的工程实施、保证大坝安全具有一定的现实意义。

1 防渗加固方案应用情况

统计江西省水库土石坝的除险加固中所采用的防渗方案，按防渗墙底和帷幕灌浆衔接段的处理方式，可以概括为以下3种：

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。待墙体凝固具有一定强度后，在墙内钻孔进行帷幕灌浆；或在墙体施工时，预埋灌浆管，通过灌浆管灌浆，见图1（a）。

方案二：防渗墙、帷幕灌浆综合应用，墙前静压灌浆。先进行混凝土防渗墙施工，然后在防渗墙上游钻孔，灌浆孔钻至基岩面以下1～2 m。在防渗墙轴线上游30 cm处首先进行接触段（主要是基岩与覆盖层接触段）钻孔灌浆。接触段钻孔进入基岩1.5 m，套管下至覆盖层顶面上部0.5 m处，利用浆柱压力对基岩接触段进行静灌，见图 1（b）。

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，需在基岩上方利用高压喷射灌浆形成一道“压浆板”，墙底一般为基岩顶面，以利于基岩帷幕灌浆。压浆板垂直方向长度（深度）一般为1 m。帷幕灌浆施工时，只需在施工好的高压防渗墙（压浆板）孔位上钻帷幕灌浆孔，对坝基进行帷幕灌浆防渗，见图1（c）。

2 防渗墙底水力坡降分析

本文利用GEO-Studio有限元软件，对3种混凝土防渗墙加固方式进行渗流分析。

2.1 工程概况

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1 745万m3，设计正常高水位 112.3 m，校核洪水位 115.2 m，死水位96.6 m，坝顶高程 116.6 m，最大坝高 26.6 m，坝顶宽 6.0 m。防渗墙厚度为40 cm。

采用大坝典型断面作为分析计算断面。大坝的主要材料有：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2）。各分区材料渗透系数（由该工程的勘察设计单位提供）如表1。

2.2 有限元计算结果分析

图1 防渗墙底和帷幕灌浆衔接段处理方式简化图

图2 渗流计算断面图

表1 渗流分析有限元模型材料渗透系数表

渗流分析采用的最低水位为死水位96.6 m，最高水位为校核洪水位115.2 m。通过有限元分析及计算，3种防渗方案下，防渗墙底的水力坡降见表2与图3。

从表2和图3可以看出，

（1）随着坝前水头的增加，防渗墙底的水力坡降均呈线性上升趋势，上升最明显的是方案一。由于方案一中防渗墙底水力坡降随坝前水头升高的增速较快，因此在坝前水头较高时应慎重选择此方案。

（2）在坝前水头相等的情况下，方案一的防渗墙底水力坡降最大，其次是方案二，防渗墙底水力坡降最小的是方案三。从表2可以看出，各防渗方式下，防渗墙底下游的水头变化不大，但防渗墙底上游的水头存在较大差别，这是造成各防渗方案防渗墙底水力坡降产生差别的原因，说明布置在防渗墙底部上游处的帷幕灌浆或“压浆板”对防渗墙底部起到了较好的保护作用。

3种方案中，防渗墙底的水力坡降均远小于混凝土的渗透破坏比降（imax＝300）[6]、[8]，因此在短期内，其安全性不存在问题。然而，由于防渗墙在渗透压力的作用下，其耐久性取决于机械力侵蚀和化学溶蚀作用，而侵蚀作用又与水力坡降密切相关，再考虑到防渗墙底由于施工时难免存在沉渣等缺陷，其允许渗透破坏比降也会降低。因此，防渗墙底的水力坡降越小，对防渗墙的耐久性越有利。这就说明：从防渗墙底安全的角度来看，三种防渗方案中，方案三优于方案二，更优于方案一。

表2 各水头下防渗墙底的上、下游水头及水力坡降

图3 各水头下防渗墙底的水力坡降

3 结论及建议

本文对江西省较常用的土石坝坝体坝基防渗加固方案中防渗墙底的水力坡降进行了有限元分析，得到的主要结论有：（1）随着坝前水头的增加，防渗墙底的水力坡降均呈线性上升趋势，上升最明显的是方案一。（2）在坝前水头相等的情况下，方案一的防渗墙底水力坡降最大，其次是方案二，防渗墙底水力坡降最小的是方案三。

从防渗墙底安全的角度来讲，三种防渗方案中，方案三优于方案二，更优于方案一。因此在新增防渗墙的土石坝除险加固工程中，仅从安全的角度讲，建议使用防渗墙、帷幕灌浆、高压喷射灌浆综合应用、墙前布置“压浆板”的加固方案。

［1］曾楚武.水库大坝安全评价及病险土石坝治理对策研究［D］.华南理工大学，2010

［2］郭兴文，王德信，蔡 新.覆盖层地基上混凝土面板堆石坝优化设计研究［J］.河海大学学报（自然科学版），1998（04）.

［3］张成军.土石坝防渗墙粘土混凝土材料研究与工程应用［D］.西安理工大学，2007.

［4］姜命强，曾绍军，文海家.三峡水利枢纽永久船闸闸室南侧山体防渗墙施工［J］.地下空间，2003（03）.

［5］李耀良，袁 芬.大深度大厚度地下连续墙的应用与施工工艺［J］.地下空间，2005（04）.

［6］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.

［7］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）：347～249.

［8］姚文秀，孙万功.混凝土防渗墙厚度的确定方法［J］.电力学报，2007（4）.