三管高压旋喷防渗墙在溪兜水库除险加固中的应用

王瑞鑫

(福州市水利水电规划设计院，福州 350000)



三管高压旋喷防渗墙在溪兜水库除险加固中的应用

王瑞鑫

(福州市水利水电规划设计院，福州 350000)

溪兜水库距今已运行30多年，为当地发展做出了巨大贡献，但是由于运行年限较长，水库存在渗漏等问题，需对坝体进行除险加固。文章从水库存在的渗漏问题出发，经过方案比选，介绍了三管高压旋喷防渗墙在除险加固中的应用，根据相应规范和计算软件得出：采用三管高压旋喷防渗墙方案可以良好解决坝体渗透及稳定性问题。

溪兜水库；除险加固；防渗墙；三管高压旋喷；方案比选

1　工程概况

溪兜水库位于闽侯县青口镇联丰村相思岭下和福清市红星村交界处，紧靠福厦公路。水库于1973年9月开工兴建，主体工程于1977年5月完成，并于1981年9月竣工。所在河流为仙井底溪，长约5.1km，平均坡降47.5‰。溪兜水库是一座以供水为主结合灌溉和防洪等综合利用的小(1)型水库。该库下游涉及青口镇经济开发区、汽车城、福厦公路以及福厦高速公路等重要设施。水库供下游一座日产1万吨水厂，灌溉面积为达366.7 hm2。水库距今已运行30多年，存在诸多问题，需对水库进行除险加固以保证水库的正常运行。

2　水库渗漏分析

经过多年运行，大坝迎水坡部分生有杂草，同时坝顶及背水坡杂草丛生，杂草根系虽能保持坝体表面土体，但是丛生杂草易因自然衰亡而导致透水性增强；同时大坝坝体有白蚁活动，白蚁是一种穴生昆虫，数量众多，聚集在一起可使坝体内形成网状通道，从而导致坝体渗漏。

在实地勘察过程中发现放水涵洞漏水明显，原因是运行时间长，建筑材料老化和被冲刷，从而也导致了坝体渗漏，为局部渗漏。大坝下游护坡存在明显湿坡现象，标明坝体渗漏。大坝因建造时间早同时考虑到历史原因，大坝未安装位移观测设施，即没有沉陷位移、测压管和坝后量水堰等观测设施，显示出大坝不确定因素明显存在。

2.1防渗加固设计

水库大坝原保坝设计洪水标准采用50 a一遇设计，500 a一遇校核，本次设计总库容为251.27 万 m3，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)规定，为小(1)型水库，属Ⅳ等工程，拦河坝等主要永久性建筑物为4级。本次设计洪水采用50 a一遇洪水设计，500 a一遇洪水校核。

2.2方案比选

根据对现状大坝的渗流稳定安全复核和分析结果，对坝体渗透坡降超出允许坡降的不足，拟采用建垂直防渗墙，并与坝基紧密结合的防渗加固方法。初步拟定采用三管高压旋喷防渗墙、C15塑性低弹模混凝土防渗墙二种防渗方案进行比选。

三管高压旋喷防渗墙。三管高压旋喷的原理与单管高压旋喷一样，以高压形成喷射流冲击破坏土体，喷射出的浆液与土体混合掺搅，在土体中形成凝结体。三管法是使用分别输送水、气、浆三种介质的三管，在压力达到30～60MPa(我国一般在30～50MPa)左右的超高压水喷射流的周围，环绕一股0.7～0.8MPa左右的圆筒状气流，利用水气同轴喷射，冲切土体，再另由泥浆泵注入压力为0.1～1.0MPa，浆量为50～80 L/min的稠浆。浆液可采用水泥浆或黏土水泥浆。新三管法除了利用高压水冲击切割底层外，还利用约40MPa的高压浆液进行充填，可以形成较大的桩径。根据土层的性质其桩径可达到1.0～1.5m，本次除险加固按1.0m进行钻孔布置。三管高压旋喷防渗墙虽然造价较单、双管高，但可形成止水帷幕桩，防渗效果较前两者好。

C15塑性低弹模混凝土防渗墙。采用“两钻三抓”形成一期槽孔，“两步法”形成二期槽孔，采用黏土泥浆固壁来防止槽孔坍塌，泥浆下直升导管法浇筑混凝土，浇筑完成后形成混凝土防渗墙。具体施工方法如下：①一期槽孔施工，首先采用两台冲击反循环钻机钻槽孔两端的先导孔，接下来采用液压抓斗抓取先导孔之间的土体，完成之后再采用钻机冲钻，并深入岩基0.5m；②二期槽孔施工，使用冲击反循环钻机和相配套的双反弧接头施工工具采用两步法进行成槽，并深入岩基0.5m；③固壁施工，固壁材料采用浸泡后的黏土，用立式高速搅拌机制浆。当抓斗或钻机成槽达到设计深度后，先进行清淤处理直到符合槽孔验收标准，接着下设导管进行清孔换浆，先把导管下至孔底，然后用泵把泥浆经导管送至孔内，使得浆液流动携带钻渣出槽孔，以达到清孔换浆的目的；④混凝土浇筑，混凝土拌和采用锥形反转出料混凝土拌和机集中拌和，浇筑采用直升导管法。成墙后，渗透系数可达1×10-7cm/s，28d抗压强度R28>9.0MPa。

两种方案技术参数比较见表1。

表1　防渗处理方案技术参数比较表

方案一具有造墻深>30m，质量稳定，施工工期短，防渗效果较好，投资费用较低，其喷射形成的防渗体与岩石界面结合紧密等优点，我省中小型水库除险加固较多采用此方案。方案二成墻深度深，厚度大，成墻具有较好的塑性，适应坝体变形能力较好，可直接进入全、强、弱风化基岩，施工成槽可视，浇筑混凝土较直观，分段长，接头较少。但投资费用较高，所需施工场地范围较大，工艺环节较多，要求较高的技术能力和管理水平，进入坝基施工后压力大，对坝体产生一定的震动，施工进度较慢。综合比较，方案一投资较低，可灌性好，可控性好，连接可靠，机动灵活，适应地层广、深度较大、施工场地要求不高，施工技术成熟，应用广泛，防渗效果好，有成熟的施工经验[1]。因此本设计推荐方案一，坝体采用三管高压旋喷防渗墻。

2.3方案实施

根据方案比选结果，本次设计就坝体防渗问题拟采取三管高压旋喷水泥防渗墙来进行处理，同时对旧涵洞进行封堵，并在右岸山体新建放水隧洞。针对溪兜水库大坝不高(最大坝高30.5m)的情况，防渗墙最大深度31m，防渗墙平均深度20m。

高压旋喷桩水泥防渗墙设计。沿坝轴线设一排三管高压旋喷桩，有效桩径φ1.0m，孔距0.8m，旋喷桩范围为桩号(坝左0+000)至桩号(坝0+200)，孔深至基岩下0.5m，高压旋喷桩施工时应注意涵洞位置，并沿涵管两侧加密。

1)防渗墙厚度。防渗墙墙体厚度主要由结构强度、抗渗强度、耐久性及施工条件等确定。对于抗渗强度，墙厚t应满足下式：

(1)

式中：H为上下游水头差；[J]为防渗填料允许水力梯度。

混凝土防渗墙允许水力梯度80。经过计算大坝混凝土防渗墙需要厚约0.4m，三管高压旋喷桩径1.0m，孔距0.8m，理论成墙厚度0.6m，满足要求。

2)浆液配置。高压旋喷灌浆浆液采用32.5级的普通硅酸盐水泥浆。浆液的水灰比为1.5:1～0.6:1(密度约为1.4g/cm3～17.g/cm3)。

3)有关设计参数。喷射注降方法：三重管旋喷法；水压力：≥35MPa，流量75 L/min；气压力：0.8MPa，风量1.0m3/min；浆流压力：0.3～0.5MPa，流量80 L/min；提升速度：8～10cm/min；旋转速度：10r/min。以上设计参数，开工前应进行现场实验，根据所取得的符合实际情况的施工技术参数进行修正。

4)要求水泥土固结体的28天无侧限抗压强度大于500kpa，渗透系数小于10-7cm/s数量级。

5)旋喷桩范围为主坝全坝段。

3　除险加固效果分析

3.1大坝渗流

本次除险加固设计大坝渗流计算，计算参数采用2012年12月福建省力岩岩土工程有限公司提供的《闽侯县溪兜水库除险加固工程地质勘察报告》中的渗透系数以及临界水力坡降，水泥旋喷桩防渗墙渗透系数为1.0×10-7m/s。计算断面选用最大断面进行计算。计算依据的规范是《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)。渗流计算过程采用河海大学工程力学研究所编写的“水工结构有限元分析系统(AutoBANKv 5.6)”计算程序，该程序为加入边界条件后应用有限元进行分析[2]。副坝因坝底高程高于死水位因此在计算中不计算死水位工况。主坝考虑5种工况：工况Ⅰ：上游水位为死水位84.8m，下游无水；工况Ⅱ：上游水位为正常蓄水位99.3m，下游无水；工况Ⅲ：上游水位为设计洪水位101.40m，下游无水；工况Ⅳ：上游水位为校核洪水位102.14m，下游无水；工况Ⅴ：上游水位为校核洪水位102.14m骤降至99.30m，下游无水。计算结果见表2。

表2　大坝渗流计算结果(主坝)

从上表成果可知，①经过加固后大坝理论的单宽渗流量比加固前小较多。②大坝加固后在各种工况下，最大水力坡降均小于允许水力坡降。③在各种工况下，加固后坝体浸润线明显降低，防渗墙后的坝体浸润线溢出点位置很低，说明水泥防渗墙的防渗效果较好，解决了坝体渗漏问题。

3.2坝体稳定性

本次除险加固设计大坝稳定计算，本次稳定计算主要采用河海大学编制的“土石坝边坡稳定分析系统(HH-SLOPE R1.2)”程序进行计算，该软件按照《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)编制，土料抗剪强度指标采用快剪指标。在进行坝坡稳定计算时，特征水位采用本次洪水复核后的成果，设计水位101.40m，校核水位102.14m；计算断面选取最大断面；土料的物理力学指标参考算参数采用2012年12月福建省力岩岩土工程有限公司提供的《闽侯县溪兜水库除险加固工程地质勘察报告》中物理力学指标。计算工况及结果见表3。

表3　大坝计算工况及稳定安全系数(主坝)

从表3可知，主坝上、下游坝坡在各种工况下的稳定安全系数均满足规范要求。

4　结　语

溪兜水库运行时间长，坝体存在诸多问题，本文通过对水库存在问题进行分析，并在此基础上提出两种设计方案，通过方案比较，三管高压旋喷防渗墙在造价及施工难度方面具有优势，作为设计方案。本文对防渗措施进行了较为深入的分析，且根据相应规范和计算软件得出：采用三管高压旋喷防渗墙方案可以良好解决坝体渗透及稳定性问题。本文结果可以为类似工程提供一定的参考。

[1]王勇.振动射冲混凝土防渗墙在水库中的应用[J].水利技术监督，2014(01)：89-91.

[2]吴华欢.简论水利水电工程中混凝土防渗墙施工技术[J].中华民居：下旬刊，2013(12)：99-102.

1007-7596(2016)05-0123-03

2016-03-18

王瑞鑫(1982-)，福州永泰人，工程师，研究方向为水利水电工程。

TV543.8

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