羽山水库大坝防渗加固设计浅析

□郭晓萌 □孙玉贤 □梁祥金 □陈秋红

（河南省水利勘测设计研究有限公司）

0 前言

羽山水库位于连云港市东海县横沟、温泉两乡镇交界处的羽山南麓。水库1979年4月建成蓄水，集水面积7.00 km2，干流长度3.20 km、干流比降2.07‰，水库防洪标准为50 a一遇设计，1000 a一遇校核，相应的设计水位为49.28m（废黄河零点，下同），校核水位为49.68m，总库容1225万m3。羽山水库是一座以防洪为主，结合灌溉、城镇供水、水产养殖等综合利用的中型水库。该水库枢纽工程主要建筑物有：均质土坝、灌溉涵洞、泄洪涵洞和进库涵洞各一座。

羽山水库大坝全长2870m，坝顶高程52.00m，坝顶宽8m，最大坝高16.50m。受特定历史环境和技术条件限制，坝体土方工程在冬季施工，多为冻土上坝，特别是南坝地处老河槽处，冻土上坝程度较大，自1979年蓄水后沉陷和渗漏现象不断。经现场检查，大坝坝脚护坝地长期呈沼泽状，渗水严重，说明坝体和坝基存在质量隐患，直接威胁大坝的整体安全，急需进行防渗处理。

1 地质勘察成果

地质勘察成果主要包括以下几个方面：①羽山水库地貌属低山丘陵间的冲洪积平原区，表层第四系覆盖层较薄，主要由粉质粘土及砂组成，局部含大量石英砾石；下部基岩为下元古界东海群变质岩系片麻岩。②坝身填土共分三层，上层为重粉质壤土，中层以粉质粘土为主，下层为中粉质壤土和粉质粘土为主，局部为重粉质壤土，坝身土0+000～1+435及2+135～2+735为中等透水性。③坝基第一层土为粉质粘土，强度较好，微透水性；第二层土为砂壤土，中等透水性，是大坝不可忽视的透水层；以下土层为风化片麻岩，承载力较好，弱透水性。④坝体与坝基接触带上下土性不均，上部多含砂砾，下部多为密实老粘性土层，容易形成贯通的通道，为大坝重要的渗漏通道。坝体与坝基接触带属中等透水性。⑤两侧坝肩与基岩多为直接接触，接触面地势平缓，上下部物质成分相差较大，易产生接触冲刷，形成贯通的渗漏通道。

2 防渗加固范围

①根据工程地质勘察报告，坝身土0+000～1+435及2+135～2+735为中等透水性，坝基土0+135、0+839、0+935、2+035～2+335剖面处存在中等－强透水的砂壤土层，应采取防渗加固措施；②大坝施工时为冻土上坝，施工质量较差，水库蓄水后沉陷和渗漏现象不断；③根据现场检查，整个坝体多处渗水，坝址近区长年呈沼泽状；④羽山水库兴利水位为49.00m，50 a一遇设计洪水位为49.28m，1000年一遇校核洪水位为49.68m，几个特征水位差别比较小，水库长期处于高水位运行状态。综合地质资料、安全鉴定、现场勘查以及水库自身的运行特性，确定做防渗处理的范围为0+035～2+535。1000 a一遇校核洪水位为49.68m，加上安全超高，防渗墙顶高程取50.50m。

3 加固方案比选

3.1 方案一——高压喷射灌浆防渗墙方案

高压喷射灌浆防渗墙即采用钻机造孔，然后把带有喷头的灌浆管下至土层的预定位置，以高压把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层，土粒从土体中剥落下来后，一部分细小土粒随着浆液冒出地面，其余部分与灌入的浆液混合掺搅，在土体中形成凝结体。其基本原理是利用射流作用切割掺搅地层，改变原地层的结构和组成，同时灌入水泥浆或混合浆液形成凝结体，借以达到加固地基和防渗的目的。通过高压喷射灌浆形成防渗墙，完成对坝身、坝基的防渗加固处理，形成一道完整的防渗体，解决坝身与坝基的渗透稳定问题，最大深度20.09m。

高压喷射防渗墙喷射方式有三种：高压定喷、高压旋喷、高压摆喷。高压定喷形成薄板状凝结体，高压旋喷形成圆柱状凝结体，高压摆喷形成哑铃状凝结体。由于高压定喷形成的防渗墙厚度较薄，施工较难控制，所以本次不采用此方法防渗。另外，高压摆喷造墙施工中控制不好容易对坝体稳定造成影响。结合本工程实际情况，采用旋喷防渗墙比较适宜。

方案布置：沿坝轴线方向做高压喷射灌浆防渗墙，墙顶高程50.50m。优点：高压喷射灌浆是在地基应力不释放的情况下实施形成的防渗体，属逐渐过度型，墙体厚度虽然较薄，但两侧能形成渗透胶结层，帷幕弹模为10-3MPa，能适应土体的变形，与原地层结合紧密，防渗效果较好，而且具有施工速度快、固结体强度大，可靠性高等优点。

3.2 方案二——混凝土防渗墙方案

混凝土防渗墙技术是在松散透水地基中连续造孔，以泥浆固壁，往孔内灌注混凝土而建成的墙形防渗建筑物。它是对闸坝等水工建筑物在松散透水地基中进行垂直防渗处理的主要措施之一。防渗墙按分段建造，一个圆孔或槽孔浇筑混凝土后构成一个墙段，许多墙段连成一整道墙。墙体底部嵌入基岩或相对不透水地层中一定深度，即可截断或减少地基中的渗透水流，对保证地基的渗透稳定大坝安全，充分发挥水库效益有重要作用。它也可作为土石坝中的防渗心墙，还可用以加固渗漏严重的土石坝。混凝土防渗墙的设置，减小了坝下承压水头，大大降低了下游坝体浸润线，增强大坝下游坝坡抗滑稳定性。

方案布置：沿坝轴线方向在坝中布置混凝土防渗墙，防渗墙墙顶高程50.50m,形成一道完整的防渗体系，以控制坝体坝基渗流，降低坝体浸润线，防止坝体产生渗透破坏。优点：①适用性广：几乎可适应于各种地质条件，从松软的淤泥到密实的沙卵石，甚至漂石和岩层；②适用性强：深可达100m左右；③与其它防渗措施相比，混凝土防渗墙耐久性较好，防渗效率较高，安全、可靠。

4 设计内容

4.1 方案一，高喷防渗墙方案

4.1.1 高喷防渗墙厚度

高喷防渗墙厚度按公式T=ΔH/J计算。式中，ΔH—最大上、下游水头差（m），上游最高洪水位49.68m，相应下游水位35.50m(最低地面高程)；ΔH=49.6835.50=14.18m；J—高喷防渗墙允许水力坡降，按有关资料J为60～70，取60；则T=ΔH/J=14.18/60=0.24m，取0.30m。

4.1.2 高喷灌浆孔距

根据以往水库除险加固工程施工时实验数据表明，高压旋喷灌浆的间距为0.80～1.20m时，高喷防渗墙厚度方可达到0.30m。因此本次高压旋喷的间距取1.20m。

4.1.3 高喷灌浆孔顶高程

旋喷墙顶取水库校核洪水位或设计洪水位加0.30～0.60m的超高中大值，通过计算旋喷墙顶高程按校核洪水位取值为50.28m，实际施工取50.50m。

4.1.4 高喷灌浆孔底高程

帷幕的底部深入相对不透水层宜≥5m，据此确定各桩号高压喷射灌浆高程为强风化片麻岩向下5m。

4.2 方案二，混凝土防渗墙方案

4.2.1 混凝土防渗墙厚度

混凝土防渗墙厚度按公式T=ΔH/J计算。式中：ΔH—最大上、下游水头差（m），同前。ΔH=49.68－35.50=14.18m；J—混凝土防渗墙允许水力坡降， 按有关资料J取80.00；T=ΔH/J=14.18/80=0.18m，为施工方便，本次设计取厚度0.30m。

4.2.2 混凝土防渗墙顶高程

墙顶高程取50.50m，高程50.50m至坝顶回填素混凝土C15。

4.2.3 混凝土防渗墙底高程

混凝土防渗墙墙底宜嵌入基岩0.50～1.00m，据此确定各桩号处混凝土防渗墙底高程为伸入强风化片麻岩0.50m。

5 方案选用

防渗方案主要工程量及投资见表1。

表1 防渗方案主要工程量及投资比较表

基于如下因素，本次设计选方案二为推荐方案，尽管方案一存在“施工程序少、可直接在坝顶施工、施工速度快、施工不受库水位影响、防渗性能较好等优点，但其造价高昂；方案二有“工艺先进、速度快、成墙效果直观，可靠性高”等优点，且与方案一相比，其造价还是节省很多。

综合以上分析，最终采用混凝土防渗墙施工方案解决羽山水库大坝防渗问题，一方面造价省，为高喷防渗墙造价的50%，另一方面在解决水库大坝防渗问题上技术是可行的。

6 坝体加固前后渗透稳定成果

根据地质勘察报告，考虑地形、地质及坝高等因素，选取大坝桩号0+835、1+335和1+635作为典型断面，利用渗流有限元分析方法计算加固前后的坝坡渗透坡降以及坝体、坝基渗流量。由计算结果可知，采用混凝土防渗墙处理后，防渗效果显著，大坝渗透安全满足相关要求。