土坝除险加固安全复核及套井回填粘土防渗技术应用

史天波，陈文斌

(1.贵州中水建设管理股份有限公司，贵州 贵阳 550002；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

土坝除险加固安全复核及套井回填粘土防渗技术应用

史天波1，陈文斌2

(1.贵州中水建设管理股份有限公司，贵州 贵阳 550002；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

团结水库大坝设计标准低、施工质量差和运行维护落实不到位等，在高水位蓄水运行中，存在坝顶高程不满足防洪标准、坝体渗漏和坝基坝肩接触段渗漏等问题，且呈加剧趋势.为消除水库安全隐患，经实地踏勘和钻芯取样，结合大坝安全复核结果，优选坝顶培厚增高与套井回填粘土防渗相结合的除险加固修复方案.防渗加固处理后，大坝防洪标准、坝体渗流和抗滑稳定性等特性指标均满足规范要求，大坝渗漏问题得到有效控制.

坝体渗漏；套井回填；渗透比降；防渗加固

土坝具有就地取材节省“三材”、结构简单便于加高扩建、施工技术工序少便于组合机械快速施工、坝身变形适应性强对地基要求低等优点，在水利水电工程中得到广泛推广与应用.土坝作为地形、地质条件适应性和经济性均较优越的主流坝型，在深厚覆盖层、较差地基条件、宽阔河谷等流域中，起到较好的应用成果和研究进展，尤其在结构造型、技术指标、施工工艺等方面出现较多创新和突破[1].但由于当时历史背景的制约，许多大坝属于典型“群众运动、土法上马”工程，在几十年运行中，工程老化、退化严重，坝体渗漏、接触带渗漏甚至坝坡崩塌失稳等，直接影响到大坝安全稳定运行[2].本文结合大坝除险加固安全复核成果，采取合理防渗修复工程措施，以便安全可靠、节能经济地解决工程隐患.

1 工程概况

团结水库是一座以灌溉为主，兼顾防洪、引水发电和生态养殖等综合利用的小(1)型水库工程.该水库于1968年12月动工修建，1975年02月竣工,水库坝址以上集水面积为0.52 km2，引水面积2.73 km2，河道长度1.08 km，比降为2.35%.水库正常蓄水位657.50 m，正常库容378.50×104m3，死库容66×104m3，兴利库容302.50×104m3，总库容423.50×104m3.水库大坝枢纽由均质土坝、右岸开敞式溢洪道和右岸坝下引水涵管等组成，坝长115 m，顶宽4.8～5.2 m，防浪墙高0.8 m.

2 大坝渗漏现状及原因分析

大坝填筑材料为均质土，现状坝顶高程661.20～661.50 m，最大坝高25 m，坝顶长115 m.上游坝坡为块石护脚，坡比1 ∶2.8，坝坡面不平整；下游坝坡被上坝公路分为两级，上、下半部坡比1 ∶2.5，并设置垫褥式棱形排水反滤体.下游坝脚未设置排水，杂草丛生，现场勘察发现下游坝坡后存在大面积潮湿至沼泽化区域，多处存在管涌、砂沸渗透变形等问题.

大坝坝体虽历经1998年、2007年和2011年3次修复加固，但也只是拆除部分原反滤体，培厚减缓下游坝坡等简单工程措施，没有进行系统加固修复处理.经现场踏勘并结合设计文件和竣工档案资料进行综合分析，大坝坝体主要存在以下病险问题：(1)上、下游坝坡面平整度较差，表面杂草丛生，且未设置排水和反滤设施，下游坝脚存在大面积潮湿至沼泽化区域.(2)下游坝面及坝脚存在明显漏水点，有的甚至呈现射流和管涌状态，渗漏量高达32 L/s.(3)大坝坝基和坝肩处地质条件较差，以第四系残坡积层为主，库水沿坝体与坝基和两坝肩基岩接触带间存在渗漏通道，渗透系数不能达到现行规范要求指标.

由于设计标准偏低，人工挑抬填筑技术水平差，盲目追求施工进度，后期检修养护措施落实不到位等诸多因素的影响，坝基清淤不彻底、未设置截水、止水结构、工程填筑质量差坝体密实度低、坝体缺土或存在杂物等，导致大坝存在地基处理不好、填筑质量差沉陷裂缝、坝坡崩塌滑坡等问题，严重威胁到大坝运行的安全稳定性[3-4].因此，急需对坝体结构进行全面系统的安全复核，并优选技术、经济等均较优越的防渗除险加固措施，有效解决大坝渗漏病害.

3 坝体结构安全复核及除险加固防渗处理

3.1 坝体加固前安全复核结论

稳定计算按《水库大坝安全评价导则》(SL258—2000)和《碾压式土石坝设计规范》(SL274—22001或DL—2T5395—22007)等相关规范要求选择荷载组合[5]，采用“STAB2008土质边坡稳定计算程序”，不考虑渗透压力，按简化Bishop法对坝坡稳定安全系数进行复核.复核结果表明：(1)防洪标准低.按照设计50年一遇，校核200年一遇的洪水标准进行分析，大坝结构安全标准不满足现行规范要求，为“C”级三类坝.(2)渗透系数不满足规范要求.大坝存在严重坝体渗漏和基岩接触渗漏问题，渗透系数指标不满足规范要求.(3)渗漏面积大，但结构整体稳定.坝脚存在大面积潮湿至沼泽化区域，存在渗漏通道，但结构应力和抗滑稳定性安全系数满足规范指标要求.

3.2 均质土坝除险加固防渗处理

3.2.1 坝顶高程确定

水库正常蓄水位657.50 m，对应库容378.50×104m3.经调洪计算，水库设计洪水位(P=2%)为658.45m，对应库容396.50×104m3；水库校核洪水位(P=0.5%)为659.15 m，对应库容402.50×104m3.多年平均年最大风速W=12.6 m/s，风区长度D=620 m.根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)推荐公式，计算得坝顶高程复核成果(见表1).

表1 坝顶高程计算结果

经计算：正常运用(50年一遇设计洪水位)条件下，大坝安全超高Y=1.97 m，计算得坝顶安全高程为663.47 m；非常运用(200年一遇校核洪水位)条件下，大坝安全超高Y=1.42 m，计算得坝顶安全高程为662.92 m.为确保大坝满足防洪标准，最终确定大坝高程为663.50 m.

3.2.2 坝体除险加固防渗处理

根据大坝安全鉴定结果，大坝存在坝顶高程不满足现行防洪标准、坝体渗漏和坝基坝肩接触带渗漏等问题.除险加固防渗原则是通过加高培厚大坝和采取合理防渗措施，截断坝体渗漏通道，确保大坝满足防洪及抗渗安全稳定性要求.

(1)坝顶结构加高培厚设计

由于坝顶现状高程661.20～661.50 m不能满足现行规范条件下的防洪标准，需在现状坝顶高程增加1.97 m超高，计算确定实际增加2.0 m，相应坝顶高程663.50 m.经技术、经济等方面的综合比较，决定利用坝体土将坝顶增高培厚到663.50 m高程，坝顶从4.6～4.9 m加宽至5.2 m，加固后坝顶与上游坝坡通过1 ∶2.8；下游坝坡通过1 ∶2.5坡比进行连接.

(2)大坝防渗处理

根据地质勘察资料，水库坝址区主要以第四系残坡积层为主，覆盖层较厚，采用粘土斜墙防渗方案，存在开挖量大、开挖堆土占地面积大、回填粘土需求量大、综合投资较高、施工工期较长等缺点.而套井回填粘土防渗方案，通过在坝体渗漏部位造井分层回填粘土夯实，以形成连续粘土防渗墙，堵截坝体内部存在的渗流通道，起到防渗加固修复目的.同时，此防渗方案无需大体量开挖，施工工程量小、施工工艺技术较为成熟、施工工效高且造价低，实际应用防渗效果非常好[7].综合技术、经济、施工条件等方面的因素进行对比，优选与工程渗漏特性及除险加固实际相匹配的套井回填防渗加固修复方案.

3.3 大坝套井回填防渗加固后结构安全复核

3.3.1 大坝防渗加固后渗流分析

经对坝体典型断面坝体填筑材料物理特性分析后，获得坝体各部位渗透系数指标.①坝体水平位置：坝体土2.42×10-4cm/s，坝基土2.31×10-4cm/s；②坝体垂直位置：坝体土3.87×10-4cm/s，坝基土1.49×10-4cm/s.从分析结果表明，坝基土由于填筑施工前坝基清淤处理不彻底，坝体土由于施工碾压夯实质量较差，导致坝基土和坝体土整体渗透系数较大，不满足《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)要求的“防渗土料渗透系数≤1.0×10-4cm/s”的技术指标，综合防渗性能较差[8].为了提高大坝坝基土和坝体土整体防渗性能，套井粘土施工中采用的粘土材料，要求其渗透系数≤0.1×10-4cm/s.

按照SL274—2001或DL—T5395—2007推荐计算组合条件，结合工程特性，选择2种运行工况进行渗流计算分析.①正常运行工况:正常蓄水位657.50 m+稳定渗流期，设计洪水位658.45 m+稳定渗流期；②非常运行工况：校核洪水位659.15 m+稳定渗流期.采用理正渗流分析软件，计算得各工况条件下流网图和渗流分析结果(见图1和表2).

从表2可以看出，大坝采取整体加高培厚和套井回填防渗加固修复后，大坝最大渗透比降出现在非常运用条件(校核洪水位+稳定渗流期)的套井部位，渗透比降为2.26，渗流量为0.46 m3/d，满足《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)要求的砂壤土最大渗透比降≤[3]的技术指标.大坝防渗加固修复后，整体渗流稳定性较好.

3.3.2 大坝防渗加固后结构稳定性分析

大坝防渗加固修复后，按圆弧滑动进行坝坡滑动稳定性分析，结果(见表3).

图1 各工况条件下流网图

运用条件(稳定渗流期)上游水位/m下游水位/m最大渗透比降渗流量/(m3/d)正常运用工况正常蓄水位657．50638．501．870．36设计洪水位658．45638．501．950．38非常运用工况校核洪水位659．15638．502．260．46

表3 坝坡抗滑稳定计算成果

从表3可知，大坝防渗加固处理后整体稳定性较好，正常运用工况下最小安全系数为1.68；非常运用工况下最小安全系数为1.39，均大于规范 [K≥1.25]和[K′≥1.15]的技术指标.

4 结 论

团结水库均质土坝因受设计标准低、施工技术不足、建设资金和施工进度紧张、后期运维体系不健全等诸多因素影响，尤其是地基清理不彻底、坝体土夯实不充分、养护维护措施不到位等，造成大坝出现坝体渗漏、坝基及坝肩接触带渗漏、坝体浸润线偏高等问题，严重影响到大坝的安全稳定运行，急需进行全面安全复核和采取合理防渗加固修复措施，有效提高大坝运行的安全稳定性.

(1)大坝安全鉴定结果表明，坝顶高程防洪标准不满足现行规范要求，坝体和坝基存在严重渗漏问题，急需采取有效工程措施提高大坝防洪和抗渗综合性能.

(2)经技术经济的综合比较，优选坝顶增高培厚与套井回填粘土防渗相结合的除险加固方案.修复处理后，坝体渗流和坝坡稳定性分析结果表明，加固后大坝各特性指标均满足规范要求，防渗加固修复效果明显.

(3)加固工程竣工后，选择10个抽样钻孔进行注水试验，结果表明大坝整体渗透系数降低到0.28×10-4cm/s，满足规范≤1.0×10-4cm/s的技术指标，防渗合格率100%，且历经多次高水位蓄水运行和汛期大流量考验，坝体渗漏和坝基坝肩接触渗漏问题得到有效处理.

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SafetyReviewandApplicationofCasingWellBackfillClayAnti-seepageControlTechnologyforEarth-fillDamReinforcement

SHI Tian-bo1, CHEN Wen-bin2

(1. Guizhou Zhongshui Construction Management Co., Ltd., Guiyang 550002, China; 2.College of Water Resource and Architecture Engineering, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China)

The problems of the crest elevation cannot meet the flood control standard, and the leakage exists both in the dam body and the contact belt at dam foundation and abutment and in increasing trend in the dam of Tuanjie Reservoir, which were caused by low design standard, poor construction quality, unplaced operation and poor maintenance measures and other reasons. In order to eliminate the leakage problems of the reservoir, combined with the dam safety review results, the field surveying and drill core sampling are conducted, the anti-seepage reinforcement scheme with increasing crest’s height and thickness as well as casing well backfill clay anti-seepage has been adopted. After dam reinforcement treatments, the flood control standards, dam seepage characteristics and anti-sliding stability and other indicators can meet the regulatory requirements, and the dam leakage problems have been successfully processed.

dam leakage; casing well backfill; seepage gradient; anti-seepage and reinforcement

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.04.007

TV641.2

A

1008-536X(2017)04-0036-05

2017-02-27

国家科技支撑计划项目(2015SXC21P35)；中央高校基本科研业务费专项基金(37809506)

史天波(1967-)，男，贵州贵阳人，高级工程师，主要从事水利水电工程建设与管理工作.