美国克利尔沃特坝坝基渗漏处理

[美国] R.V.克利夫 等

美国克利尔沃特坝坝基渗漏处理

[美国] R.V.克利夫 等

克利尔沃特坝为粘土斜心墙土石坝，从大坝最初设计到施工，岩溶的发展与大坝左坝肩严重的渗漏破坏始终受到关注，并于1972年与1978年布设了地下排水系统，以减轻扬压力及防止沿大坝下游左坝肩所形成的地下渗流。2003年1月，在坝坡上游发现一处岩溶。堪萨斯州地质调查局利用表面地球物理研究方法划定岩溶的地下范围，确定地质条件；同时美国垦务局进行了跨孔层析成像研究，美国陆军工程师团(USACE)研究和发展中心(ERDC)进行了自电位、电磁的导电性以及电阻率的研究。聘请岩土力学、渗流力学专家协助工作。在此基础上,决定在岩溶的下游进行局部灌浆以及修建防渗墙。经仪器检测及数据分析，灌浆与防渗墙的修建减少了渗漏，并提高了大坝的安全性。

坝基渗漏;渗漏处理;灌浆;防渗墙;克利尔沃特坝;美国

克利尔沃特(Clearwater)水库位于美国阿肯色州和密苏里州的怀特河流域，是以防洪为主兼顾其他的综合性工程，并为大坝下游布莱克河附近的土地提供保护。该工程大坝位于密苏里州东南部的布莱克河上。尽管该水库是用于防洪，但是坝前区域的永久性水库部分最大深度约12.2 m，表面面积约为659 hm2,主要是用于休闲娱乐、保护鱼类以及野生动物。在目前条件下，每年平均防洪效益约为680万美元。对于休闲娱乐，在30 km的湖中，每年约有40万人次游览，游客消费约510万美元。

1 工程概况

在水库正常蓄水位为150.5 m处时，克利尔沃特水库库容为27×106m3，正常蓄水位与防洪高水位175.5 m之间的防洪库容为483×106m3。

开敞式溢洪道位于右坝肩366m以上。溢洪道是通过开挖右坝肩岩石和残积土建造而成。

有闸出水口位于右坝肩，由具有控制塔的进水建筑物、管道、消力池以及排水渠道构成。管道的内径为7 m，长为358 m。消力池最大宽度为23 m，长为58 m。

大坝为碾压填土防渗斜心墙坝，心墙两侧为透水壳体结构。图1为一个土石坝防渗墙施工的典型断面。

最初，设计师估计可能会发生地下渗流，因此在粘土心墙底部增加了帷幕灌浆。这并不是为了完全消除坝基渗流，而是为了限制渗流范围。原设计师和顾问们认为，渗流路径被限制在现有的基岩和上覆剩余材料中，大坝仍会是安全的。同时还认为，由于是岩溶地基，如果要消除一切理论上的渗流路径，则成本会很高昂。施工只是为了避免将来在该地区可能会形成的大量渗流。

2 背 景

2.1 基础地质状况

基础地质由上寒武统白云岩组成，包含薄层硅质岩。白云岩的化学风化(分解)明显，在坝址区较严重，特别是在坝肩。不蚀变基岩与上覆岩土之间的隔层为表层岩溶，出现在坝肩，且由强风化白云岩、漂石、粘土填充物及岩石顶尖风化组成。强烈的风化过程会导致岩石表面产生巨大变化，而且这种高分解的岩石会形成溶蚀通道。

2.2 建设历程与主要问题

1939～1940年，首先开始土石坝、溢洪道及出水口的设计。在1940年5月，第一阶段的施工开始于出水口工程，并于1942年3月完成。土石坝和溢洪道的施工开始于1941年7月，由于第二次世界大战，在1942年8月停工。在1946年4月恢复施工，于1948年12月完成坝体工程和溢洪道的建设。1951年，在溢洪道修建混凝土控制结构。

最初的设计包括整座水电站可能的配置。然而，经过对勘察状况进行复审，顾问委员会与工程师团(USACE)认为由于坝肩和水库边缘出现渗漏，坝址已不适合修建水电站。在大坝的建设过程中，对一个试验段中较深的岩溶裂缝区域实施了灌浆，该岩溶区深度不到73 m，从桩号51+00到52+00之间约30.4 m的大坝断面却消耗了934.5 m3的浆体。这表明实施深层防渗不经济，应设计为浅层的不连续的帷幕灌浆以对基岩12 m以上、河谷段与右坝肩防渗槽以下的渗流进行控制。沿上游坝坡底部设计一个防渗铺盖代替左坝肩脊的正截水槽与灌浆帷幕，其大部分在左坝肩底部修建。防渗铺盖可对左坝肩可能透水与透水的硅质岩区提供双重防渗的作用。对于稳定性，它为平缓上游左坝肩脊高程170 m处的坡度提供了一种有效的方法，其坡比仅为1∶3.5。上游左坝肩防渗铺盖不与大坝的防渗心墙、帷幕灌浆连接，因此，渗流控制不连续。

2.3 主要维修记录

从大坝最初设计到施工，岩溶的发展与渗漏破坏始终受到关注。1941年隧道施工期间，在右坝肩的大直径管道出口处，由于隧洞开挖，移除了现场的支护结构，致使一个大型空腔坍塌，并形成了一个大凹陷，之后得到修复填充。有趣的是，通过钻孔、各种地下调查检测以及分析数据，右坝肩(自蓄水以来，认为右坝肩是不透水区域，且在过去的60 a，没有观察到渗透)存在一个相当大的空腔，而左坝肩(显然是一个渗漏严重的区域)却没有出现岩溶或检测到大空腔。然而，在最近的灌浆工程中，左坝肩却存在大量的岩溶。在1948年7月，库水位达到152 m，即大坝建成前的5个月，第1次使用防洪库容。在这个时段，没有出现渗漏；竣工阶段，库水位被降低到正常蓄水位150.5 m。

大坝于1948年12月建成。在1948年1～4月春季多雨期间，库水位上升到164 m。在这期间，最初安装的10个渗压计显示有明显的地下水位波动，这是因为强降雨和正常库水位浸润线刚形成的影响，但在地面上只有轻微的渗漏发生。在1949年期间，随着库水位对地下水系已形成的影响，检测到水库表面有渗透并且在1950年逐渐变得更为明显。更重要的是，已确定在下游左坝肩区域形成的渗流模式及其位置。不过，这些初步的模式在出口位置没有发生变化或没有任何较大程度的扩张。

根据相关资料推断，渗漏的确切起始时间应该是1972年，且波动范围是在库水位150.5 m处，以每分钟几升的量渗漏，在库水位168 m处，最大渗漏可达18.9 L/s。该渗漏量被认为仅是通过左坝肩渗漏总量的一部分。

1949年大坝建成后不久，安装了10个测压计，以监测地下水水位和水库的渗漏状况。由于渗流增强，在1972年至1979年之间，再安装了63个测压计。

2.3.1 地下渗流排水系统(1972～1981年)

自克利尔沃特大坝修建以来，已安装了2套地下排水系统。这些系统分别是在1972年和1980年安装，以减轻扬压力并防止沿大坝下游左坝肩以及河路公园建基面以上所形成的地下渗流。

(1) 1972年布设的排水系统。该系统由填满砾石的横向沟槽组成，周围有一个多孔管，这是非穿孔，将水流传输到主线。在前3个孔安装V形切口测堰，以进行流量的测量。该系统对地面以上、160～161 m的较低库水位的渗漏有效；然而，在1979年高库水位期间，当达到167.8 m时，即使系统的总流量达18.9 L/s，也不能满足排水要求。

(2) 1980年布设的排水系统。在1979年库水位较高期间，发现在沿下游左坝肩的坝趾处，出现了相当大的渗流。因此，布设了第2套地下排水系统。该系统由一个多孔管组成，沿下游左坝肩的坝趾开挖岩石而形成砾石填充的沟槽。系统的一部分沿公路HH延伸以拦截地下道路填充的渗流，并排除附近一个公园内的积水。

从1980年到1981年，进行了大量的研究以调查持续的渗流问题。

2.3.2 大坝安全保证修复措施(1988～1990年)

通过在左坝肩和坝下修建土堤以控制渗流。

1987年10月开始施工， 1988年12月完建。该项目包括沿大坝上游全长建设土质防渗护堤。这项工作也包括对右坝肩的基础实施灌浆,以控制该区域的渗漏,以及沿坝顶修建防浪墙以控制风浪作用。

3 主要修复工程

3.1 岩溶的发现和应急响应

2003年1月，在坝坡上游桩40+37处，距心墙沟槽中心线上游约9 m、高程174 m处，发现有岩溶。岩溶被开挖到7.6 m深，证实了它有一个垂直的通道，于是对其回填碾压高塑性粘土。2003年2月，由堪萨斯地质调查局(Kansas Geological Survey)开展了包括面波和P波地震反射的表面地球物理研究，根据研究结果，划定了岩溶的地下范围。其次是利用声波钻6个15.2 m的孔直至基岩，较好地确定了地下条件。同时垦务局进行了跨孔层析成像研究，美国陆军工程师团与研究和发展中心进行了自电位(SP)、电磁(EM)的导电性和电阻率(ER)的研究，聘请岩土力学、渗流力学专家协助研究工作。研究结果表明，必须立即在岩溶的下游设置一个短的局部帷幕灌浆,以观察基岩并试图阻止通过这一地区的渗流。

对于岩溶的研究与灌浆工程包括防渗心墙研究与灌浆合同的制定与签署，在2003年11月，与先进施工技术有限公司(ACT)签下了该合同。2004年4月，灌浆作业从桩号38 + 90到桩号40 + 70心墙沟槽中心线展开，于2005年4月完成。在溶蚀通道附近发现了大量水泥浆，且在桩号40 + 20处发现了一个大溶蚀，在基岩顶部以下大约7.6 m处。通过随后的钻探工作，确定溶蚀范围大约高35 m， 宽6 m。在这个时候，决定尝试以低流动性浆液(LMG)填充溶蚀，在上游钻孔1.5 m，下游心墙沟槽中心线(主浆线)钻孔1.5 m。在每条LMG线上钻7个孔，间距为1.5 m，目的是在中心线的上下游建立隔墙，以防止上下游渗流；然后在两堵隔墙之间灌入额外的LMG和高流动性的水泥浆(HMG)。从2条LMG线对溶蚀地质注入了311.5 m3的LMG。

综上所述，可以得出结论，即必需修建更密集的防渗墙，并继续研究沿全长预注浆工程计划和技术条件(一期和一期二段)，以确保在防渗墙施工过程中(第二阶段)坝体的整体性。

3.2 钻孔研究及预注浆

预注浆的目的是寻找额外的大型地下解决方案。这可能会对防渗墙开挖设备不利，且在开挖过程中，可能会引起基岩和表层岩溶灌浆沟槽坍塌。

一期主要修复工程已于2006年1月被委托给了ACT，包括沿大坝坝长从桩号13+20 到桩号55+00的勘测钻和两行宽帷幕灌浆的施工。A线上的钻孔距上游防渗墙1.5 m，B线上的钻孔距防渗墙下游1.5 m。所有的帷幕灌浆孔被布置在一个角度。主钻孔中心长为6 m，次孔为3 m。在完成钻探并沿灌浆线开始钻井工作之前，很明显，基础岩石灌浆比想象中的难度大，致使后续灌浆在较大深度上无法实现。因此，决定采取一种更密集的、阶段灌浆方案。

在2007年8月，将一期二段的工程施工委托给了ACT，该合同方案旨在构建一道复合防渗墙，包括直至基岩的33.5 m灌浆，12.2 m的混凝土防渗墙灌浆。在岩溶地区，从桩号9 + 50到桩号1 + 50，帷幕灌浆的灌入高程达76.2 m，到基岩心墙沟槽以下约58 m，这样做的目的是为防渗墙通过大型溶蚀地带的施工提供额外的保护。在2009年，完成了该阶段的施工。

完成的岩溶灌浆工程包括：

(1) 覆盖层钻孔34 099 m；

(2) 岩石钻探37 191 m；

(3) 高流动性浆液(HMG)33 678 m3；

(4) 介质流动灌浆(MMG)476.3 m3；

(5) 低流动性浆液(LMG)308.5 m3；

(6) 灌浆作业历时57 500 h；

(7) 压力测试历时4 981 h。

坝下严重破碎基岩注入大量的水泥浆以进行固结处理。虽然钻孔与灌浆中出现了许多空腔(<1.5 m)，但除了桩号40+20处的岩溶有所发展外，没有发现非常大的溶蚀。

3.3 高水位期间的地球物理测试

在该阶段，应用了相当新的地球物理方法对大坝中的潜在的渗流路径展开研究。2008年4～5月,在高水位期间，维罗尔斯迪克(Willowstick)技术有限责任公司进行了电流测量(ECF)，并使用Aqua Track技术进行追踪研究，以确定高孔带的位置和通过大坝左坝肩优先的渗流路径。结果表明，渗流发生在坝基而不是通过防渗墙和填筑材料。在桩号20 + 00与桩号33 + 00之间的区域允许坝下有显著的渗流。

据分析，几乎没有任何渗漏发生在桩号35 + 00的西南方向，桩号18 + 00东北方向也没发现任何渗漏。与桩号24 + 00至桩号34 + 00区段相比，桩号21 + 00下的渗流路径似乎更集中并受到限制。因为在正常蓄水位条件下，这些渗流途径只有在高水位期间活跃，水位达不到左坝肩。这项调查证实了以前对左坝肩渗流的研究结果，同时也表明，必须对整个区域桩号18 + 00和桩号35 + 00之间进行仔细地修复，以确保阻断大坝下的所有渗流。

3.4 二期防渗墙施工

2008年9月，二期工程施工由Bencor与Recon两家公司合资建设。本期施工项目包括修建一个更大的工作平台以容纳大型开挖施工设备，从桩号13 + 70到桩号54 + 50(后来延长到桩号55 + 02)，深入到基岩至少有12.2 m长的混凝土防渗墙，以及过滤、不透水粘土、防渗铺盖从防渗墙顶部高程175.5 m，延伸至大坝顶部高程185 m。

防渗墙位于粘土心墙沟槽的中心线，通过大坝的横河断面(桩号34+00至桩号55+02)和粘土心墙的上游过左坝肩(桩号13+70至桩号34+00)，由277块板块构成。防渗墙的施工是利用抓斗和膨润土泥浆注浆管，这样可以防止沟槽塌方并可清除沟槽中的岩屑。利用中小板块的施工方法开挖面板。对主面板(大约宽7.3 m)包括3个注浆管孔，是采用水下混凝土回填。附属面板包括一个单一的孔口(约宽2.7 m)，由主板切割而成，两侧约为22.8 cm,用水下混凝土回填形成一个连续的不透水屏障或防渗墙。

在防渗沟槽的开挖过程中，显然，因为没有明显的浆料损失，预注浆的效果在处理坝基方面已经非常成功。在2011年12月，最后的面板施工成功地得以完成。通过在已完成的混凝土墙上钻取许多验证孔，以保证混凝土的质量与面板接缝的完整性。

3.5 仪 器

在整个灌浆与防渗墙施工过程中，密切监控测压计的测量及下游排水测堰的测量。其整个生命周期中，在克利尔沃特大坝内部及周边已经埋设超过140个测压计。必须对这些仪器进行常规检查，以验证潜水位波动与水头和尾水变化的关系。总的来说，即使在2011年12月最终完成了防渗墙的施工，其最显著的测压差发生在防渗墙和帷幕灌浆附近,然而，在1972～1980年期间，对排水集成系统的流量进行了测量，观察到一个引人注目的变化;在2002、2008年和2011年期间，测堰测量时出现了高水位记录。

4 结 语

综上所述，可以得出结论，即由于近期完成了主要的修复工程，克利尔沃特大坝减少了预期的灾洪损失，使密苏里东南部的百姓受益。在上游坝面出现岩溶之前，大坝有较长时间的地下渗流的历史。由一个专业团队和承包商合作设计的合理方案，有效解决了由渗流所导致的岩溶发展。这种合作成本相对较高，且在防渗墙开挖之前面临的关键问题是需要大量的预灌浆(上游和下游)。此外，在分期施工过程中，承包商对防渗墙使用的设备和专业技术保证了项目在预算内提前完成。

由于灌浆与修建的防渗墙发挥了重要作用，所以在下游排水系统中观察到流量已大幅度减少。将继续评估这些流量的排放及克利尔沃特大坝的整体性态。然而，可以肯定的是，修复工程在减少渗漏和增加大坝安全方面是比较成功的。

(黄丽瑾 许 俊 编译)

2014-12-05

设计与施工

1006-0081(2015)02-0014-04

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