土坝加固中高压摆喷截渗墙截渗效果分析

付洪颜

我国土坝大多是在新中国成立初期修建，这些工程几乎都是在边勘测、边设计、边施工的“三边”情况下完成的。不少工程虽然完成，但由于施工清基不彻底，坝体工程填筑质量差，给工程留下了诸多的安全隐患，加之多年的运行，水库病险情况更为严重。

根据1981年的统计资料，我国由渗流而引起的破坏事故率约占31.7%。至1981年全国有2391座水库失事，其中大型11座，其余为中小型，由于中小型水库缺少水文地质资料，漫坝冲垮者最多，占51.5%，其次就是渗漏导致垮坝，占29.1%，说明由于渗漏而造成的溃坝问题是相当严重的。所以土坝加固中防渗设计尤为重要，本文通过对某工程的高压摆喷在加固设计截渗效果分析，为高压摆喷截渗墙防渗设计提供可靠的设计依据。

一、工程概况

某水库始建于1968年，后断断续续进行加高培厚，直至1985年才基本完成。水库大坝为均质土坝，全长381m，坝顶宽4.0m，坝顶高程47.68m（吴淞高程系，下同），最大坝高为17.9m。由于大坝施工期限较长和施工条件差，致使坝基清基不彻底，坝身填筑不密实，大坝渗漏十分严重。所以需对大坝进行截渗处理，工程加固设计中通过方案比选后确定采用高压摆喷截渗墙。

二、计算原理

根据渗流流态的连续性和能量守恒原理，对于渗流场中任一单元土体，渗流的基本微分方程为：

式中：dx、dy、dz 为 x、y、z 方向的空间增量；kx、ky、kz为单元土体内土体沿x、y、z方向的渗透系数；为渗透水头；φ为渗流的势能。

目前，诸多文献中对于大坝渗流计算的理论求解计算方法较为成熟，计算理论也比较齐全；然而理论计算的过程较为复杂繁琐。随着计算机技术的飞速发展，有限元计算方法被广泛应用。渗流有限元分析计算是根据理论方程，用较简单的问题代替复杂问题后再求解。即将渗流体分成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。有限元渗流计算关系表达式为：

有限元分析主要根据式中单元刚度矩阵[h]e，位移矢量[H]e和近视于荷载矢量的[F]e组成的三者相互关系。利用计算机程序，根据公式（1）和公式（2）之间的相互关系，进行反复计算直至达到允许误差范围。本文借助河海大学工程力学研究所研制的二维有限元分析软件（AutoBank5）对加固前后坝体渗流情况进行分析，以了解截渗效果。

三、坝体计算断面和计算参数选取

1.计算断面选取

根据以往工程经验和工程地质勘查，大坝最大坝高处渗漏情况较为明显。故本文渗流分析的计算断面选取最大坝高断面，如图1。

2.计算参数选取

图1 渗流计算断面（最大坝高断面）图

表1 渗流稳定分析计算参数表

表2 加固前各工况下渗流计算汇总表

图2 高压摆喷工序示意图

由《勘察报告》可知，水库大坝共分为四层。①层坝体填土：坝体填筑上部为灰黄色夹灰黑色，成份杂乱，主要为粉质壤土、水泥土、粉煤灰等，其含量大致相等，稍密状，中下部为棕黄、灰黄色含砾粉质壤土，饱和，土呈软塑状，小砾石含量在10%左右。②层坝基表层：存在含砾粉质粘土层，未能完全清基，该层土性不均一（本文按2m计），灰色、灰黄色，硬可塑状，含砾石，砾石含量在10%～15%左右，局部含灰白色高岭土，该层土较密实，透水性较差，以卵石、砂为主，粘粒、粉粒含量少于15%。③层强风化岩层：为辉长岩强风化层。④弱风化岩层：为辉长岩弱风化层。

渗流计算的各土层渗透系数取值，是在《勘察报告》中提供的试验值基础上，同时又考虑工程质量、检测、现场检查，以及工程多年运行中的渗流情况和地区经验等因素综合选取，具体指标见表1。

四、截渗墙设计及计算参数

加固设计中对多头小直径截渗墙、高压旋喷截渗墙、套孔冲抓截渗墙和高压摆喷截渗墙等方案，从可行性、合理性、可靠性和经济性等方面进行比较，最终选用高压摆喷截渗加固措施。高压喷射灌浆（简称高喷灌浆或高喷）采用高压水或高压浆液形成高速喷射流束，冲击、切割、破坏地层土体，并以水泥基质浆液充填、掺混其中，形成桩柱或板墙状的凝结体，用以提高地基防渗或承载能力，达到防渗加固大坝目的。高压摆喷工艺流程如图2所示。

加固设计中高压摆喷截渗墙布置在坝体中部，墙底深入强分化岩1.0m，墙顶高程为49.50m，孔距为1.5m，成墙墙有效厚度为0.22m。根据相关工程和施工经验，截渗墙布置于坝顶中轴线上，高压摆喷截渗墙渗透系数为i×10-6cm/s。此次分析计算墙体厚度按0.22m计，墙体渗透系数按1×10-6cm/s计。

五、截渗墙加固效果计算分析

此次渗流分析按照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的要求，针对水库运行中下列四种工况，用运二维有限元分析软件AutoBank5对水库大坝加固前、加固后大坝渗流情况进行模拟分析计算。

（1）上游正常蓄水位44.5m与下游相应的水位。

（2）上游设计水位45.81m与下游相应的水位。

（3）上游校核水位46.46m与下游相应的水位。

（4）水库骤降时，大坝由库水位46.46m分别骤降至35.38 m（1/3坝高处）。

各工况下的大坝下游水位均采用平下游坝脚处的地面高程为29.25m。

通过二维有限元分析软件AutoBank5计算，各工况下加固前、后渗流计算结果汇总于表2。

1.出逸点高程及渗流量分析

由表2可知，加固前出逸点高程较高，位于坝坡上，易使坝坡湿软、散浸等，造成坝坡渗流破坏；加固后出逸点从坝坡降到坝脚，下游坝坡不会出现散浸现象，使得边坡抗滑稳定系数增强；加固后坝坡出逸比降明显降低，坝体单宽渗流量明显减小，坝坡渗流性态更安全。

2.出逸点允许比降分析

根据相关规范所提供的土的渗流允许比降J允许均为坝基垂直向上的允许值，不适合坝坡出逸情况，本文按《渗流计算分析与控制》文献介绍自由出渗坡面的临界比降计算方法，浸润线出逸点处的临界比降可用以下公式进行计算：

式中：γ'为坡面土的浮容重；γ为水的容重；β为出逸点所在坡面的坡角；为坝坡坡面土层的内摩擦角；C为坝坡坡面土层单位土体的凝聚力。

允许比降计算时考虑到以下因素：①本次加固未对原坝体填筑情况进行处理，该水库大坝是在特定的条件下采用人工挑抬填筑而成；各施工段之间存在界沟界墙，坝体填筑不够密实等质量问题。②对大坝现场检查与检测结果表明，大坝施工存在诸多的质量问题，如清基不彻底、岸坡处理不规范、部分筑坝土料不符合要求。③工程运行中也暴露出一些严重的质量问题，如坝坡散浸现象严重、坝基渗漏严重等。综合考虑各方面的影响因素，计算时取其安全系数为1.5，即：

经计算得出浸润线出逸点处的允许比降J允许＝0.287。由表2可知，从坝体总的渗流坡降背水侧坝坡最大坝高断面几种组合最大渗流出逸坡降为0.265，较加固前出逸比降降低了10%，亦小于容许比降，满足坝体渗流稳定的要求。

六、小结

（1）采用高压摆喷截渗墙有效降低坝坡出逸点高程和坝坡出逸比降，对坝体的截渗效果十分明显。

（2）加固后出逸点从坝坡降到坝脚，下游坝坡不会出现散浸现象，增强了边坡抗滑稳定系数。

（3）加固后坝坡出逸比降明显降低，坝坡渗流性态更安全。

（4）此次分析计算均在理论状态下进行的，需在加固后进行进一步验证。

（5）施工过程中需严格控制高压摆喷截渗墙施工质量，确保截渗墙的成墙效果