跋山水库土石坝防渗加固工程设计

刘洪昌

(山东新汇建设集团有限公司，山东 东营 257000)

土石坝渗漏是一种较为常见的现象，虽然在多数情况下不易造成坝体的整体变形失稳，但对土石坝的蓄水效益将产生重大影响，同时，也对下游居民的安全产生较大的威胁[1-3]。针对这种情况，则需要采取防渗加固处理措施，以改善渗漏现状，提高坝体效益。目前，较为常用的加固方法为注浆加固，通过注浆充填土石坝裂隙，改善渗流条件[4-5]。结合跋山水库土石坝工程，对土石坝防渗加固措施进行分析。

1 工程概况

跋山水库土坝根据坝型的不同分为壤土心墙砂壳坝、壤土砂壳分区坝，根据坝型及分段情况划分为西副坝、主坝、东副坝，按照分期填筑型式的不同土坝下部为壤土宽心墙，上部为壤土斜墙。经安全符合，大坝主要存在以下问题：大坝防渗体的防渗能力不满足防渗土料的要求，防渗体压实度离散性大(尤其是上部接高斜墙壤土)，主坝段坝下基岩完整性好，副坝坝下基岩节理裂隙较发育。上述问题的存在将会导致坝体渗漏量大造成水资源的流失，坝后浸润线较高对渗透安全和坝坡稳定不利；压实度低会造成震后沉陷量大，尤其是上部斜墙断面尺寸小震后易产生裂缝。经计算，在正常蓄水位下坝体渗流量约为590万 m3/a，高水位运行时坝坡出逸渗流安全不满足规范要求，东副坝坝坡出逸导致坝坡稳定不满足规范要求。

2 防渗加固的范围

东副坝坝下基岩完整性较好，节理裂隙较发育，岩石透水率一般为5～10 Lu。主坝坝下基岩完整，节理裂隙不发育，岩石透水率为0～3.4 Lu。西副坝坝下基岩自上而下分为ε81～ε11 m，其中ε21 m岩溶发育，其下部结晶灰岩的岩溶最为发育，一般透水率为5.0～85.8 Lu，属中等～较严重透水，部分透水率为105.5～372.1 Lu，属严重透水，直接与防渗体接触的ε81 m为含白云质灰岩、结晶灰岩韵律，岩溶及层理较发育，岩石透水率2.3～51.8 Lu。

建库时所填筑主坝心墙壤土渗透系数在4.2×10-5～1.4×10-4cm/s间，副坝坝体壤土渗透系数在1.8×10-4～2.5×10-3cm/s间。

根据勘察成果，大坝基岩完整性和节理裂隙呈主河槽向两侧逐渐变发育的趋势，岩石透水率自中间向两侧逐渐加大；与此同时岩层透水率自上而下逐渐变大，岩溶自上而下逐渐发育。针对坝下基岩节理裂隙及岩溶发育的问题，1998年保安全加固时桩号0+050～0+360段进行基岩帷幕灌浆，桩号0+360～0+460及1+270～1+520段进行了基岩面接触带灌浆。灌浆前，上述范围内坝后基岩有多处明显渗漏点，渗漏量大；灌浆后，未再发现渗漏点，灌浆防渗效果良好。坝下ε81～ε11 m及Ars岩层透水率大，局部大于规范允许值，但透水性强的岩层埋置较深，与防渗体接触的基岩破碎面已进行了接触带灌浆。从渗透稳定的角度来看，产生基岩面接触带冲刷破坏的可能性较小。基岩下部透水率大仅会造成坝基渗漏量加大。基于1998年的基岩帷幕灌浆效果坝基渗透性满足工程运行安全要求，本次加固不再对坝下基岩进行防渗处理，仅对不满足规范要求的大坝防渗体进行防渗加固。

3 防渗加固方案设计

3.1 防渗加固方案比选

根据现状情况结合水库除险加固的建设性质，大坝防渗加固宜采用垂直截渗措施。按防渗体的材料及结构型式划分，坝基垂直截渗可分为成墙、灌浆、复合土体、置换固化、土工合成材料等措施。跋山水库主坝最大高度约42.0 m(坝顶至截渗槽底)，工程等别Ⅱ等，建筑物级别2级。垂直截渗技术初步比选混凝土防渗墙、高压喷射灌浆、坝体劈裂灌浆。

方案一 塑性混凝土防渗墙 主要优点：可适用各类土体，防渗效果好，可靠度高，质量易控制，技术成熟；主要缺点：施工功效较低、造价较高。

方案二 高压喷射灌浆 主要优点：施工机械占地小，便于操作，防渗体与周边土体弹性模量相近适应变形能力强；主要缺点：防渗效果受土质影响大，水泥用量大，废浆液较多，质量检测及控制要求高，工程造价高。

方案三 坝体劈裂灌浆 主要优点：浆液可渗入土体中的孔隙不仅可以提高土体的防渗作用还可以提高土体的密实度，工程造价低；主要缺点：施工技术要求高，水下部分浆液凝固缓慢，帷幕质量难以保证，可靠度不高，效果不易检查。

综合分析确定采用塑性混凝土防渗墙截渗方案。

3.2 防渗墙加固轴线比选

现状大坝由1960年初期建设及1968年和1977年的二期、三期加高形成的，后期建设内容为防渗体上部接斜墙，坝后砂壳补坡，大坝分期加高致使现状防渗体偏上游约16m。根据现有坝型情况，比选上游坝肩及坝前原心墙中心线两条轴线。

轴线Ⅰ上游坝肩处 防渗墙自坝顶深入基岩。根据坝高的不同，主坝段墙体厚0.6 m，副坝段墙厚0.4 m，墙体深入基岩0.5 m。防渗墙体自上而下依次穿越壤土斜墙、粘土质砾质粗砂下游坝壳、壤土心墙、坝基砾质粗砂、基岩。

该处截渗的主要优点：加固措施单一，便于操作技术要求低，防渗效果好，180.40 m以上护坡无需拆除，施工影响范围小；主要缺点：砂层泥浆固壁效果差，易塌孔，防渗墙施工需拆除防浪墙，施工机械设于坝顶影响交通且易造成路面坡坏，需在下游侧修筑临时道路。

轴线Ⅱ上游坝坡原心墙中心线处 防渗墙自初期防渗体顶高程(180.40 m)穿越壤土心墙入基岩，主坝段墙厚0.6 m，副坝段墙厚0.4 m。设计洪水位以下运行时由防渗墙进行防渗，设计洪水位以上靠上部防渗体进行防渗。

该处截渗的主要优点：防渗墙体穿越土层单一，泥浆固壁效果好，施工安全度高，施工机械设于坝前不影响坝顶交通，土工膜延伸性好适应变形能力强，抗震性能好，通过开挖部分斜墙壤土填筑施工平台，实现挖填平衡；主要缺点：180.40 m高程上部需采取其他防渗措施，上部防渗体涉及防渗墙、防浪墙间的连接处理，施工工序繁琐，180.40 m以上护坡需拆除并恢复，施工影响较大。

两加固轴线的比选涉及施工布置、施工工艺、防渗效果、工程投资，而轴线Ⅱ处的工程投资又与上部防渗体的加固措施直接相关。为综合比选确定防渗加固轴线，先进行大坝上部防渗体加固方案的比选。根据上部防渗体的位置及挡水要求，初步拟定复合土工膜及粘土斜墙两个方案，方案优缺点及投资对比见表1。

表1 大坝上部斜墙防渗加固方案比选

大坝上部防渗体仅防御设计洪水位以上洪水，最高挡水水头约3.94 m。综合经济、技术比较，结合大坝上部防渗体的挡水要求，采用粘土斜墙方案。

上述两轴线处的防渗加固布置见图1。

图1 轴线Ⅱ上游坝坡原心墙中心线处

上述两方案工程投资相近，选用大坝防渗有保障、墙体施工安全度高、施工影响小，交通状况好的轴线Ⅰ，即轴线位于上游坝坡原心墙中心线处。

3.3 防渗加固方案设计

3.3.1 防渗墙厚度设计

防渗墙墙体应满足抗渗性、耐久性、及应力和变形的要求，同时还应考虑到地质情况及施工设备等因素。鉴于国内防渗墙设计尚无具体的设计规范，防渗墙的渗透计算和渗透稳定分析以及强度、变形计算尚无规范的计算方法和理论。在设计时，根据防渗墙允许渗透比降确定墙体厚度，计算公式如下：

(1)

式中：ΔHmax作用在防渗墙上的最大水头差(m)； J允许防渗墙允许渗透比降，为80。

根据防渗墙深度及位置的不同分别按经验公式计算防渗墙厚度。大坝桩号0+350～1+470段混凝土防渗墙校核洪水位时承受水头约为40.5 m，设计水位时承受水头约为36.10 m，兴利水位时承受水头约为34.1 m；桩号0-033～0+350段及1+470～1+619段混凝土防渗墙校核洪水位时承受水头约为28.6 m，设计水位时承受水头约为24.3 m，兴利水位时承受水头约为22.3 m。经计算最小墙体厚度分别为0.51及0.36 m。

同时考虑施工时造孔深度、孔斜率的影响、耐久性、国内已有的施工经验及砼防渗的经济厚度等方面考虑，大坝桩号0+350～1+470段墙厚采用0.6 m，桩号0-033～0+350段及1+470～1+619段墙厚采用0.40 m。坝下基岩完整性较好，石质坚硬，在保证入岩可靠连接的情况下，防渗墙入基岩暂按0.5 m考虑。

塑性混凝土防渗墙，其抗压强度R28≥2.5 MPa， 28 d弹性模量不大于1 000 MPa，渗透系数不大于5×10-7cm/s。每立方米材料配合比见表2。

表2 塑性混凝土配合比 kg

其中，掺入粘土粘粒含量不小于48%，塑性指数不小于29；膨润土塑性指数控制在29.8左右，粘粒含量控制在62.5%左右。具体配比应依据施工前的配比试验确定。

现西副坝与东砌石坝相连，近西副坝坝肩时防渗轴线偏转与现西副坝坝内防渗刺墙相接以解决坝肩防渗问题。

3.3.2 防渗墙顶高程设计

大坝经防渗加固后，塑性混凝土防渗墙需弥补原心墙不足的防渗能力并承担上部斜墙的防渗功能。根据调洪演算，水库100 a一遇设计洪水位179.95 m，万年一遇校核洪水位184.34 m。防渗墙顶高程应不低于184.34 m。万年一遇校核洪水位时波浪爬高0.87 m，现状防浪墙底高程184.15 m。为使防渗体与防浪墙可靠连接，防渗墙与防浪墙间采用高塑性粘土回填，防渗墙顶高于防浪墙基础之上不小于0.30 m。由此，确定防渗墙顶高程为184.45 m。

3.3.3 加固后渗流分析

为便于防渗加固效果的对比，渗流分析计算断面同复核，即0+290、0+890、1+290。大坝防渗加固后坝体土料渗透系数见表3，混凝土防渗墙设计渗透系数5×10-7cm/s。防渗加固后各计算断面控制部位计算比降及渗漏量见表4。浸润线及等势线见图2～图4。

表3 大坝渗流计算参数

表4 各计算断面控制部位计算比降及渗漏量

图2 0+290断面工况3浸润线及等势线图

经防渗加固后，防渗效果明显，坝体渗流流态及渗漏量较现状有了显著的改善。

主坝段：各计算工况下坝后浸润线已降至砂层，齿墙、防渗墙、坝后坡出逸比降均显著降低满足土体允许要求；大坝渗漏量较加固前减少63%，截渗效果明显，水头消减大于80%，坝后浸润线明显降低。

东、西副坝：大坝浸润线显著降低，渗漏量减小，防渗效果明显，防渗墙随水位上升节渗效果明显提高；心墙、防渗墙及坝后坡出逸比降降低显著均能满足设计要求；副坝坝后无防护，为满足构造要求需增加反滤保护措施。

图3 0+890断面工况3浸润线及等势线图

图4 1+290断面工况3浸润线及等势线图

4 结语

(1)跋山水库土石坝工程，现状渗漏现象较为严重，对水库的蓄水效益产生了不利影响亟需进行防渗加固处理。

(2)通过方案比选确定防渗轴线为轴线1，采取塑性混凝土防渗墙+粘土斜墙作为防渗加固方案。

(3)经过优化设计确定防渗墙顶高程和防渗墙厚度，经计算防渗加固效果良好，可为类似工程提供参考。