某小型水库除险加固中大坝渗漏及措施分析

徐三才

(富邦建设集团有限公司，江西 九江 332400)

1 工程概况

某小(2)型水库始建于1990年12月，1994年3月竣工投入运行，总库容为41.54万m3。该水库大坝为均质坝，坝高31.02m，坝轴线长98.60m，坝顶高程1928.7m，坝顶平均宽3.0m，大坝上游坝坡分别为1∶2、1∶3.6，下游坝坡分别为1∶2、1∶2.7、1∶1.85。外坝脚设有简易排水棱体，长17.4m，高4.0m，顶宽1.5m，内边坡1∶1，外边坡 1∶1.85。根据本次水库安全鉴定现场检查，水库大坝坝面不规整，凸凹不平，杂草丛生，大坝上游为块石护坡，经库水掏刷，脱落严重，完整性差，下游坝坡为草皮护坡，护坡基本完整，平整性差，大坝右坝肩上游坝坡和坝肩结合部存在直径30cm和直径16cm的漏洞，2018 年9月，水库所在村委会自筹资金，采用砂对该两处漏洞进行开挖回填封堵，但未能完全填塞漏洞，此后水库蓄水位均未超过此处渗漏点，水流从左坝脚下游18.5m处漏出，渗漏量约3L/s。根据地质勘察资料分析，坝土为含碎块石粉质黏土，含砾石量较高，筑坝土料质量较好，填筑较密实，但局部存在架空，坝体存在渗漏，坝基地层岩性为粉砂质页岩，受风化和构造影响，浅部岩体透水性较强， 钻孔透水率为14.0-37.0Lu，属中等透水性，大坝坝体、坝基及坝肩结合处存在渗漏。文章主要从大坝现状存在的问题出发，对现状大坝进行渗流、渗漏量计算分析，本采取大坝渗漏处理措施，为该水库除险加固设计施工提供方法和参考依据。

2 现状大坝渗流分析

2.1 大坝土料物理力学指标

为查清坝体结构、地基地层情况及坝体土料的物理力学性质，在坝址区布设5个勘探钻孔，做原位水文地质试验，共完成钻孔进尺149.9m，注水试验18段次，压水试验9段次，在钻孔中取原状土样10组(其中坝土 8组，坝基全强风化层 2组)，扰动土样1组。根据大坝设计断面图和坝体取样试验结果，将坝体及坝基分为坝前淤积Ⅰ区、坝体土料Ⅱ区、坝基坝基Ⅲ区、棱体Ⅳ区，各分区物理力学指标：坝体土料Ⅱ区天然容重、干容重、比重采用本次试验平均值；内摩擦角、凝聚力取平均值；渗透系数采用大坝渗流分析成果，其余各区根据地质资料及工程类比进行取值。土料各分区物理力学指标见表1。

表1 坝体各分区物理力学指标

2.2 现状大坝的渗流分析

2.2.1 实测资料说明

经勘察，大坝为均质坝，筑坝土料取自库区斜坡上的残坡积和全强风化岩石，坝体填筑采用人工铺土夯压。根据坝土扰动土样的击实试验成果，原状土样的天然干容重平均值与扰动土样的最大干容重相同，表明坝土碾压较密实，坝土室内试验土料黏粒含量 28.2%-47.2%，平均 34.66%，满足规范要求的15%-40%，且各组土样试验指标间离散性较小，表明坝土质量较好，但坝土中含碎块石，局部存在集中现象，含碎块石集中地段形成渗漏通道，由于下游坝面为块石护坡，坝面渗漏痕迹不明显。

棱体设于下游坝脚，高4m，顶宽1.5m，为砂岩、灰岩块石干砌块石，由于下游坝面有大量块石护坡，棱体顶面不清晰，受上部块石保护，坝面水流对坝面破坏微弱，水流夹带的泥沙少，棱体的淤堵情况不严重，目前渗漏水从棱体脚渗出，表明棱体现状较好，运行正常。

2.2.2 渗流计算

渗流计算包括不同水位浸润线和流网计算、渗透比降、渗透稳定分析，按有限透水地基上的均质土坝分段计算，计算软件采用北京理正渗流分析软件，所用方法为有限元法[1]。

根据坝坡渗漏溢出点情况反算渗透系数，渗透量按有限透水地基上的均质土坝分段计算。大坝分为坝前淤积Ⅰ区、坝体土料Ⅱ区、坝基基岩Ⅲ区、棱体Ⅳ区。根据地质资料及工程类比假定坝前淤积Ⅰ区、坝基冲积层Ⅲ区、坝基石英砂岩Ⅳ区的渗透系数，算出坝体土料Ⅱ区渗透系数，反复推算，直到计算出的浸润线出逸点与下游坝坡渗漏溢出点基本吻合。但反算出的渗透系数值比钻孔探坑注水、压水试验资料偏大， 根据坝土扰动土样的击实试验成果，原状土样的天然干容重平均值与扰动土样的最大干容重相同，表明坝土碾压较密实，但坝土中含碎块石，局部存在集中现象，在碾压过程中难以碾压密实，坝土中存在架空现象，含碎块石集中地段易形成渗漏通道。所有渗透系数坝土取用钻孔探坑注水、压水试验值，其余各区采用工程类比值。

根据《水利水电工程地质勘察规范》及土料颗粒组成判断大坝其可能的渗透变形为流土。流土的临界水力比降计算为：Jcr =(2.671-1)(1-0.429) =0.954。按规范说明，根据本工程特点及重要性，确定相应的安全系数为1.5，求出允许水力坡降[i]，结合水力坡降计算值Ⅰ，进行渗透稳定判别，渗透稳定分析见表2。

表2 渗流稳定分析成果表

根据渗透稳定计算结果，大坝坝体在最高水位情况下运行浸润线在坝面逸出水力坡降计算值Ⅰ=0.20-0.60，在正常水位情况下水力坡降计算值Ⅰ=0.13-0.58，在最底水位情况下水力坡降Ⅰ=0.04-0.25，均小于允许水力坡降 0.636，说明大坝不可能发生渗透破坏。

图1 正常蓄水位大坝渗流计算成果图

2.2.3 坝体渗漏量计算

根据大坝渗透剖面进行渗漏量计算，计算结果在正常蓄水位工况下坝体及坝基每昼夜单宽渗漏量合计为1.33m3，大坝坝体、坝基每年渗漏总量为2.36万m3，占设计总库容 48.8万 m3的10.1%[2]。

3 大坝防渗处理设计

根据大坝渗流分析，大坝不会发生渗透破坏，但大坝渗漏量较大，若不采取处理措施，将影响大坝安全稳定。处理措施为：先把漏洞进口2.5m深，底宽7.5m范围内的软弱岩体和充填物全部挖除掉，再回填C15混凝土，同时结合坝体充填灌浆、坝基帷幕灌浆对集中渗漏通道进行封堵，灌浆孔沿坝轴线单排孔直线布置，从里程0+070.000-0+108.000m，孔距为 2.0m。

3.1 坝基及坝肩帷幕灌浆设计

1)灌浆型式及深度：

坝基及坝肩采用悬挂式帷幕灌浆，坝体采用充填式灌浆，坝体充填灌浆深度为水库正常蓄水位以下至坝基岩体顶界，坝基帷幕灌浆深度为坝基岩体顶界以下至悬挂帷幕底界[3]。

2)灌浆压力：

坝基接触带以下第一段孔口压力0.15MPa、坝基河槽第二段灌浆孔口压力0.2MPa， 岸坡及坝肩段灌浆孔口压力0.15MPa，灌浆段深度每增加 1m 允许增加压力0.01MPa。灌浆过程中可根据试验孔灌浆情况逐步调整修正。

3)灌浆方式及灌浆方法：

坝基、坝肩帷幕灌浆采用循环式灌浆法由上往下分段卡塞灌浆，孔距2m，分三序孔施工。施工工艺流程如下：钻孔→钻孔冲洗→简易压水→灌浆至结束标准→待凝暂定24h(通过试验调整)→钻原灌浆段压水→≤10lu→合格，往下段钻进，不合格复灌→至压水检查合格为止→封孔。

4)防渗标准：

土石坝设计规范规定三级坝防渗标准透水率5-10Lu，该坝防渗标准为 10Lu，即灌后检查透水率<10Lu 为合格。

3.2 坝体充填灌浆设计

坝体充填灌浆与坝基帷幕灌浆同一孔，上下兼容，充填灌浆采用分段卡塞，循环式灌注，下孔口管至正常高水位后，钻孔变小一径往下钻至设计孔深后下灌浆管至段底以上50cm左右，由下至上下套管分段灌注，段长为一般情况为8m，特殊情况5-10m。

坝体充填灌浆配合比采用黏土水泥浆容重控制，容重为 1.2，1.3，1.4，1.5 四级， 水泥用量为黏土用量20%，与坝基接触段为黏土与水泥比为3∶1。坝基帷幕灌浆为纯水泥浆，水灰比为5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1六个等级，平均耗灰量为200kg/m。灌浆材料：选用≥425#普通硅酸盐水泥，强度等级32.5级，按国家现行标准GB6005-85.80μm 孔筛筛余量<5%。

水库工程区附近出露有灰、青灰色灰岩，由灰岩风化而成的残坡积棕红色黏土分布较多，根据取样试验成果，坝址区附近灰岩风化形成的土料室内试验成果为：比重： 2.79，液限61.23，速限40.45，塑性指数20.78，颗粒组成：>2mm 砾石占1.6%，0.075-2mm 砂粒占14.4%，0.005-0.075mm 粉粒占 33.0%，<0.005mm 黏粒占51.0%，压缩系数 0.1MPa-1，渗透系数3.9×10-8cm/s，饱和固结快剪 C：48.44，φ：18.99°，室内定名为含砂的高液限黏土，可作为灌浆土料使用。

4 结论及建议

该水库运行至今多次出现险情，由于资金和技术的原因，处理均不彻底。本次除险加固中安全鉴定结论得到大坝渗流不满足要求，渗漏较严重。通过本次除险加固， 从根本上解决大坝渗漏问题，否则，水库一旦溃坝，将对下于游村庄及农田耕地造成不可估量的经济损失。除险加固于2020年11月完工，现状运行良好。