深层水泥搅拌桩在长林坞水库大坝防渗加固中的应用

郭艳惠 苏交科华东（浙江）工程设计有限公司

1.前言

水泥搅拌桩是通过特制的深层搅拌机，将软土和水泥强制搅拌，并利用水泥和软土之间所产生的一系列物理、化学反应，使土体固结，形成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩。在土石坝工程中，通过多排水泥搅拌桩搭接布置，形成连续的防渗墙体，起到垂直防渗作用。深层水泥搅拌桩防渗墙具有可靠性好、施工场地适中，环境影响小、投资较少等优点在土石坝防渗加固方案中具有突出应用优势。

目前，安徽、河南、新疆等地均有使用此方法进行土石坝防渗加固的工程实例，在浙江省目前还未有应用实例，本文以该工程为例，为浙江省内土石坝防渗加固设计提供参考。

2.工程概况

长林坞水库位于德清县莫干山麓莫干山镇燎原村，乔莫线(09省道)北侧庾村至南路的交界处，属阜溪流域治理工程之一，是以灌溉为主的小（2）型水库。水库于1968年建成，主要建筑物由大坝、溢洪道、放水设施等组成。洪水标准按20年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。设计洪水位71.74m，校核洪水位72.11m，相应总库容22.1万m3。大坝为均质坝，坝顶高程为73.25m，坝高13.5m，坝顶长度115.0m。

大坝于1985年、2005年进行了2次除险加固。通过现场查看，在右坝段坝后发现面积18m×10m的渗水区域，右坝段坝基层存在含碎石粉质黏土，渗透系数较大，坝基及坝肩表层砂岩透水性较大，存在渗漏问题。后经水库大坝安全认定专家组鉴定，水库为二类坝，需要对水库大坝等建筑物进行除险加固。

3.设计方案比选

目前国内对病险土石坝进行防渗加固处理常用方法有6种：套井黏土回填、高压喷射灌浆防渗、上游坡面粘土防渗斜墙、坝体劈裂灌浆、混凝土防渗墙。水库前2次加固均采用套井回填，并未彻底解决渗漏问题。本次加固在主汛期间施工，为防汛抢险工程，故粘土防渗斜墙方案不适合本工程，坝体劈裂灌浆可靠性不足，混凝土防渗墙投资太大。根据本工程特点深层水泥搅拌桩防渗墙与高压喷射灌浆均是可行方案。本次设计对此两种方案进行经济技术比较。

3.1 深层水泥搅拌桩+坝基帷幕灌浆

3.1.1 深层水泥搅拌桩方案设计

（1）平面布置。根据地质勘查报告，大坝原套井土与坝壳土差异不大，为均质坝。Ⅰ层坝壳土为含砾粉质粘土，现场注水试验渗透系数K=2.86×10-4cm/s～5.18×10-4cm/s，属中等透水；Ⅱ层粉质粘土（套井土），现场注水试验渗透系数K=1.69×10-4cm/s～7.37×10-4cm/s，属中等透水。

根据坝体地质特征，深层水泥搅拌桩沿坝轴线布置两排，桩中心距0.4m，搭接宽度0.2m，单桩直径0.6m，防渗墙有效厚度0.80m。

（2）防渗墙有效厚度验算。防渗墙最小厚度：

式中：S－最小防渗墙厚度

△H－防渗墙两侧水位差（m），根据渗流计算，ΔH=5.5m；

[J]－容许水力坡降，取50

防渗墙最小厚度S=5.5/50=0.11m，深层水泥搅拌桩防渗墙有效厚度0.80m＞0.11m，满足要求。

（3）防渗墙深度。根据地质勘察报告，大坝坝基由Ⅳ层凝灰质砂岩及Ⅲ层含碎石粉质粘土组成。Ⅲ层含碎石粉质粘土，现场注水试验渗透系数K=1.36×10-3cm/s～5.57×10-3cm/s，属中等透水；弱风化基岩上部与强风化基岩接触段现场注水试验渗透系数K=8.04×10-4cm/s，属中等透水，下部现场压水试验吕荣值q=6.99 Lu～8.17Lu，属弱透水。强风化凝灰质砂岩及Ⅲ层含碎石粉质粘土均为中等透水，需处理。深层水泥搅拌桩防渗墙处理深度能穿透Ⅲ层含碎石粉质粘土，直达基岩，本工程实际处理最大深度为16m。

（4）坝体防渗布置。Ⅲ层含碎石粉质粘土由于含碎石较多，采用充填灌浆处理，灌浆压力0.05MPa。

中间坝体桩号0+004～0+111m为深层水泥搅拌桩防渗墙，两坝肩坝0+000.00～坝0+004.00m、坝0+111～0+115 m为明挖段，要求开挖至基岩，开挖边坡1:1，设0.8m宽C20混凝土截水墙，截水墙两侧回填粘土压实。截水墙下面亦进行帷幕灌浆。截水墙墙头嵌入水泥搅拌桩中，形成防渗整体。

3.1.2 坝基帷幕灌浆

根据地质勘察报告结论：坝体与坝基接触段，Ⅱ层套井土未回填至相对不透水层，ZK3号和ZK4号钻孔显示套井未坐落至基岩，ZK4号钻孔显示套井土坐落在残坡积含碎石粉质粘土上部。根据注水试验，Ⅱ层套井土与坝基接触段以及Ⅰ层坝体土与坝基接触段均为中等透水，防渗质量不满足要求。因此大坝全轴线基岩进行帷幕灌浆以截断渗漏通道。帷幕底部深入相对不透水层（≤8Lu）5m。

设单排帷幕灌浆孔，沿坝轴线布置，其中心线与水泥搅拌桩中心线重合。终孔距2m，总共布置灌浆孔65孔。

3.2 高压喷射灌浆+坝基帷幕灌浆

3.2.1 高压喷射灌浆方案设计

（1）平面布置。根据地质勘察报告中坝体地质特征，高压喷射灌浆布置单排孔，为达到理想效果，孔距适当加密，为0.8m，分两序进行灌浆，防渗墙有效厚度0.8m。

（2）高喷防渗墙排数与排距。

防渗墙的有效厚度根据下式初步拟定：

表1 防渗处理方案综合经济技术比较

式中：T－计算防渗墙的有效厚度（m）；

Δ H－防渗体上下游水位差（m），根据渗流计算，ΔH=5.5m；

J－防渗墙的允许渗透坡降，取50。

则防渗墙要求有效厚度T=5.5/50＝0.11m。

本次设计高喷防渗墙孔距0.8m，理论有效厚度0.8m＞0.11m。

（3）防渗墙深度。高喷防渗墙范围为桩号0+004～0+111m，基岩上部和Ⅲ层含碎石粉质粘土上部坝体进行高喷防渗墙处理后，对下部基岩进行帷幕灌浆。本工程实际处理防渗墙最大深度为16m。

（4）坝体防渗布置。坝体防渗布置同深层水泥搅拌桩方案。

3.2.2 坝基帷幕灌浆

高喷防渗方案中坝基帷幕灌浆设计同深层水泥搅拌桩防渗方案。

3.3 方案比较

两种方案在技术上均可行。方案一可比投资为111.8万元，方案二可比投资为180.2万元。方案二一比方案二节省68.4万元，但高压喷射方案压力较大可达20MPa～30MPa，易引起坝体隆起和开裂。故选择方案一作为推荐方案。

4.结语

长林坞水库施工完成后已运行近2年，通过现场监测，深层水泥搅拌桩防渗墙防渗效果明显，达到了设计要求。由于该加固方法在浙江省水库防渗加固应用上为首例，对浙江省正在施工和即将进行除险加固的小水库防渗加固具有重要的借鉴意义。