老旧水库大坝工程的防渗加固施工技术

余荣贵

(修水县红旗水库服务中心，江西 九江 332400)

老旧水库大坝工程随着使用年限的增加，不可避免会出现一些严重的安全问题和质量问题，不但会导致大量水资源浪费，而且存在安全隐患，危机下游居民的生命和财产安全。常用的斜墙防渗加固施工技术，工程量大，成本大，而且对周围环境造成的影响大，难以满足实际需求[1]。而混凝土心墙+帷幕灌浆防渗加固施工技术，在成本、效果、稳定性等方面都有显著优势，可在较少扰动既有坝体结构稳定性的基础上，完成对大坝工程的防渗加固处理。

1 工程概述

红旗水库位于修水县四都镇埚头村境内，水系为修河支流彭姑河上游，大坝中心点坐标为E114°32′，N29°07′。坝址以上控制流域面积10.9km2(其中包括2.5 km2的引流面积)，约占彭姑河总流域面积的24.3%。红旗水库大坝于1972年大坝主体工程竣工，后在施工过程中扩建成中型水库。1976-1998年多次进行除险加固及配套工程。根据地勘结果，评定大坝为均质土坝，坝顶高程为155.68m(黄海高程系统，下同)，最大坝高32.80m,最大坝长145.0m，坝宽6.0m。坝坡：上游坡142.7m高程处设1.5m宽的平台，平台以下为1∶3.75，以上为1∶3.0；下游坡145.68m高程处设1.5m宽平台，平台以下至排水体顶平台为1∶3.5，以上为1∶3.0，排水体顶平台至坝脚1∶1.5，大坝内外坡均用块石护砌。水库以灌溉为主，兼发电、防洪、养殖等综合利用效益。属中型水库。本次设计，经防洪复核确定水库设计洪水位154.01m，校核洪水位154.86m，正常高水位152.68m，死水位128.68m，总库容1231万m3，兴利库容1029万m3。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、坝下涵管、输水隧洞和一级电站组成。

2 水库大坝工程现状分析

红旗水库建成于1972年，在1992年曾进行过一次加固，但随着使用年限的增加，自然损坏严重，运行到目前存在很多问题，严重影响着水库大坝的正常运行，主要体现在以下3个方面：

1)红旗水库大坝按照50a一遇洪水设计，1000a一洪水校核。运行到现状，水库大坝坝顶高程欠高0.26m，而且溢洪道左侧存在垭口问题，难以满足设计规范的要求。溢洪道下游泄洪道断面狭小，灌溉渡槽横跨泄洪渠，阻水严重，洪水难以安全下泄。

2)防渗斜墙、心墙的防渗功能都难以满足规范要求，渗漏问题严重，影响大坝渗流的安全性。

3)大坝坝体浸润线出逸坡降值都超过允许值，排水体缺乏反滤层，尤其是渗流出口存在严重的渗透破坏隐患。即便是正常蓄水水位降低到死水水位以下，也难以满足整体抗滑稳定性的需求。

3 老旧水库大坝工程的防渗加固施工方案比选

结合目前红旗水库大坝工程的运行现状，防渗加固是目前亟待解决的问题，为提升坝体的稳定性和安全性，有两种防渗加固方案可供选择，一种截渗，另一种导渗。但红旗水库大坝坝基和坝肩渗漏尤为严重，虽然在下游坝脚位置进行了压中反滤排水处理，但防渗效果有限。因此，仅仅选择排水措施，并不能很好的解决红旗水库大坝渗流安全问题，需要采取截渗方案来根治坝体渗漏问题。可选择的截渗方案有三种，包括斜墙、高喷心墙、混凝土心墙[2]。

1)斜墙方案：在大坝上游面清除护坡砌体及淤泥，重新加铺防渗黏土斜墙。在斜墙和原坡面相互接触的位置，设置过渡保护层，底部设置黏土截水槽，截水槽底部设置帷幕灌浆防渗墙。

2)高喷心墙方案：在坝体轴线上进行造孔，布设灌浆管，通过喷嘴的高压水流，冲击破坏土体，促使水泥浆液和土体充分混合后形成水泥土防渗体，坝基位置则采取帷幕灌浆法进行防渗处理[3]。

3)混凝土心墙方案：在坝体轴线上进行机械成槽，泥浆固壁，成槽之后再浇筑混凝土，形成连续的防渗墙。坝基采取帷幕灌浆法进行防渗处理。

三种防渗加固方案的防渗效果、施工条件、工程造价等技术、经济性能对比情况，大坝防渗方案比较表，见表1。

表1 大坝防渗方案比较表

从表1中可以看出，斜墙方案施工条件较差，围堰排水工程量大，且对大坝渗流及结构稳定不利，因此不宜采用。在心墙方案中，混凝土心墙方案与高喷方案造价相近，但混凝土心墙方案具有施工方便、工期短、质量可靠、检测方便等优点，防渗效果能得到可靠保证，因此本阶段设计推荐采用混凝土心墙+帷幕灌浆方案作为红旗水库大坝防渗处理方案[4]。

4 混凝土心墙及帷幕灌浆施工要点

4.1 混凝土心墙施工

在混凝土心墙施工中，采取冲击钻成槽，反循环出渣的施工方法，能够很好的适应各种地层，具体施工过程为：清理场地、架设机具、制备浆液、挖槽、下接头管、浇筑混凝土、拔出接头管、下一槽段施工。为控制水化热和裂缝，水泥最好选择32.5强度等级的普通硅酸盐水泥，卵石粒径控制在10～20mm之间，砂可选择中粗砂。造浆黏土的塑性指数要控制在20以上，粒径<0.005mm的黏粒含量要控制在50%以上。固壁泥浆比重控制在1.2～1.3之间，黏度控制在20～30s之间，确保槽内泥浆面始终高于地下水位1.8m以上，孔口高程≥0.1m[5]。大坝混凝土心墙防渗示意图，见图1。

图1 大坝混凝土心墙防渗示意图

4.2 坡式排水施工

坝体采取垂直防渗处理后浸润线将会得到有效降低，出口坡降也会随之降低，此时需要在坡脚出口位置设置贴坡式排水体，顶部设置排水沟，在坡脚位置设置水堰，为混凝土心墙施工营造一个良好的条件。贴坡排水分为三层，从里向外分别为30cm砂卵石、30cm碎石、60cm干砌块石，其中砂卵石及碎石的粒径及级配根据充填砂的粒径按有关规范通过计算确定。

4.3 大坝坝基及坝肩帷幕灌浆

因坝基及两坝肩溶洞发育，透水性大，为减少渗漏，本设计采用帷幕灌浆进行防渗处理。本工程所在区域地质条件复杂，为提升阻水效果，在帷幕施工中，需要保证帷幕能够和坝体内的防渗体紧密相连。在本次防渗加固施工中，将灌浆帷幕布置在坝内混凝土心墙的轴线上，在混凝土墙内部预埋钢管和钢筋笼，促使坝基防渗体和坝体防渗体相互连接，形成一个完整的防渗体系。坝基帷幕的总长度为245m，两坝肩从坝头开始逐步向两岸延伸，其中左坝肩穿过了溢洪道，帷幕长度为70m，右坝肩帷幕长度为30m。 帷幕灌浆应在相应施工段混凝土心墙浇筑完成后一个月后进行。

灌浆帷幕的深度要进入到炭质岩岩层中，主要以填充溶洞为主，按照地质勘察资料结果，当帷幕底部伸到105m高程时，才能安全封闭溶洞通道[6]。孔距e主要根据灌浆孔的水泥浆扩散范围，考虑到红旗水库岩溶发育的特殊地质条件，灌浆孔宜采用较小孔距，注浆孔距控制在1.5m左右，采用一排灌浆孔，对溶洞特别发育的基础，也可采用双排灌浆，排距为1m，两排孔交替布置。注浆压力控制在0.2MPa左右。对溶洞发育的地段，如吃浆量特别大，可灌水泥砂浆甚至纯砂先进行充填，充填密实后再进行水泥灌浆，直至达到防渗要求、透水率≤10Lu为止。因溶洞的灌浆工艺较一般岩层复杂，耗浆量也比一般岩层大，为此耗浆量取定额的上限计算。

4.4 大坝加固后渗流及坝坡稳定计算

4.4.1 加固后渗流稳定计算

红旗水库采取混凝土心墙联合帷幕注浆防渗加固技术处理后，心墙和帷幕的渗透系数取值为1×10-6，心墙厚度为0.5m,加固后大坝计算断面较原断面增加了混凝土心墙、帷幕和风化料填土，因此增加两个分区，加固后大坝渗流稳定计算断面，见图2。

图2 加固后大坝渗流稳定计算断面图

加固后原土层的允许渗透坡降不变，混凝土心墙的允许渗透坡降根据经验可取60。对于符合达西定律的二向均质、各向同性土体的渗流，当土体已完全固结时其水头函数符合拉普拉斯方程式：

(1)

与之相应的定解条件为：初始条件：

h1=0=h(x,z,0)

(2)

边界条件：水头边界是：

h1=t1=h(x,z,t)

(3)

流量边界:

(4)

本次渗流计算用土石坝二维渗流计算程序渗流分析软件4.01版(北京理正研究院编制)，适用于不规则边界的各向异性渗流场，能有效地解决土石坝、闸坝地基等复杂渗流状况的渗流分析问题，又可用来研究库水位上升、下降情况下的非稳定渗流状态渗流计算结果，大坝加固后渗流稳定计算结果表，见表2。

表2 大坝加固后渗流稳定计算结果表

由上表可知，大坝加固后下游坝脚地面出逸坡降及渗流量都大为降低，浸润线也大幅降低,有效控制大坝的渗流稳定及下游坝坡抗滑稳定，且心墙渗透坡降小于允许值。

4.4.2 加固后坝坡稳定计算

为了使计算结果更加精确，采用考虑条块间作用力的简化毕肖普法进行计算。抗剪强度指标在计算下游坡的抗滑稳定时采用有效应力参数；在计算上游坡的抗滑稳定时分别采用有效应力和总应力参数。大坝加固后边坡稳定计算结果表，见表3。

表3 大坝加固后边坡稳定计算结果表

由上表可知，大坝加固后的上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求, 所以加固后的断面满足坝坡稳定要求。

5 结 语

综上所述，结合红旗水库实际情况，分析了老旧水库大坝工程的防渗加固施工技术的应用要点，分析结果表明，不同区域水库大坝的地质条件和现状都存在较大的差别。为提升防渗加固的有效性，需要结合现场实际情况，采取有针对性防渗加固技术。就红旗水库而言，采取混凝土心墙+帷幕灌浆方案，防渗加固效果比较好，加固之后对坝体的稳定性，渗流安全问题得到了有效处理，并得以有效验证，为类似工程施工积累了可靠经验。