混凝土防渗墙在龙门口水库大坝防渗加固设计中的应用

倪乐峰

(新余市渝水区水利局，江西 新余 338000)

1 工程概况

龙门口水库位于新余市渝水区南安乡丰洲村委洲上村境内，距新余市区45 km，是一座以灌溉、供水为主，兼顾防洪、养殖等综合效益的中型水利工程。水库坝址坐落于袁河主要支流南安江上游，坝址以上集雨面积13.9 km2。水库正常蓄水位80.6 m(黄海高程，下同)，设计洪水位(P=2%)81.59 m(本次，下同)，校核洪水位(P=0.1%)82.31 m，水库总库容1391万m3。水库设计灌溉面积0.16万hm2(实际最大灌溉面积0.14万hm2)，供水规模5000 m3/d。

龙门口水库大坝原为均质土坝，2007—2008年 除险加固对右侧主河床坝段坝体实施了长200 m的混凝土防渗墙防渗加固，左坝段现状仍为均质土坝。坝体防渗系统主要存在如下问题：

(1)大坝清基不彻底，残留有2.0～2.5 m厚的第四系砂卵石层，具强透水性，贯穿坝基上、下游，坝基存在浅层渗漏及渗透稳定问题，坝基基岩局部具中等透水性，存在坝基渗透隐患。

(2)坝体土主要由低液限黏土和粉土组成，局部夹粉土质砂和风化岩块，分布不均匀，干密度偏低，孔隙比偏大，填筑质量差，坝体土的渗透系数>1× 10-4cm/s，不满足规范对均质土坝的防渗要求。

(3)右侧主河床坝段坝体设有混凝土防渗墙防渗，防渗墙截断坝基砂卵石层，但下伏基岩无有效防渗措施；左坝段仍为均质土坝，坝基、坝体均无有效防渗措施。大坝未能形成完整的防渗体系。

(4)老坝下涵管附近以左坝脚附近常年有一处约200 m2的沼泽地呈带状分布。2019年7月7—16日，溢洪道最高水位80.95 m，老坝下涵管附近及其左侧坝段长约200 m范围坝坡脚出现渗水现象。

(5)大坝渗流稳定计算结果表明，砂卵石层最大水平坡降和出逸坡降大于或接近土层经验允许渗透坡降的上限，砂砾石层存在渗透安全隐患，运行中曾出现泡泉，产生渗透破坏。

2 大坝防渗方案选择

根据本工程实际情况，对大坝左、右坝段分别拟定防渗加固方案。

2.1 右坝段

右坝段坝体已实施射水造混凝土防渗墙防渗，防渗墙截断坝基砂卵石层，坝体和砂卵石层基本不存在渗漏问题。下伏全风化千枚岩具中等透水性，相对不透水顶板大都位于全、强风化分界线上。根据右坝段地质条件，坝基全风化千枚岩层采用常规帷幕灌浆可灌性较差，设计采用高压喷射灌浆对其进行防渗加固，灌浆孔底高程深入强风化基岩1.0 m。右坝肩为强风化岩，曾发生沿山坡漏水现场，现状在溢洪道进口前端设置了黏土斜墙裹头进行防渗，但未彻底解决基础渗漏问题，本次结合上部高压喷射灌浆对强风化岩层进行截渗。

2.2 左坝段

左坝段坝体、坝基现状无防渗措施，根据国内病险水库加固处理技术经验，兼顾右坝段防渗措施，选择以下方案进行比选：

(1)方案Ⅰ——混凝土防渗墙+高喷灌浆方案

该方案同右坝段，坝体采用射水造混凝土防渗墙防渗，坝基采用高压旋喷灌浆防渗，高喷墙底高程深入相对不透水或强风化岩层1.0 m。防渗墙最大槽孔深11.3 m。

(2)方案Ⅱ——钻抓法混凝土防渗墙方案

采用两钻一抓建造混凝土防渗墙对坝体、坝基进行防渗，防渗墙深入全、强风化千枚岩层相对不透水顶板以下1.0 m[1]，截断坝基渗漏隐患，形成完整的防渗体系，最大槽孔深18.2 m。

2.3 方案比较与选择

上述两方案均能解决大坝坝体、坝基渗流问题，有效降低坝体浸润线，大大改善大坝下游坝坡的稳定性，两方案主要相异项目工程直接费比较见表1。

由表1，两方案的优缺点如下：(1)方案Ⅰ主要相异项目投资大于方案Ⅱ。(2)方案Ⅰ坝体、坝基采用不同的工艺，施工组织较方案Ⅱ复杂，两种工艺衔接需严格控制，方案Ⅱ坝体、坝基混凝土防渗墙整体效果优于方案Ⅰ。(3)左坝段局部相对不透水层顶板位于强风化岩层内，方案Ⅰ高压旋喷灌浆不能截断强风化层中相对透水层，方案Ⅱ采用两钻一抓能有效深入强风化基岩相对不透水层顶板以下。经综合比较，本次左坝段坝体、坝基防渗采用方案Ⅱ。

3 大坝防渗加固设计

3.1 坝体防渗设计

大坝坝体土渗透系数大于1.0× 10-4cm/s，右坝段已建有混凝土防渗墙防渗，左坝段无防渗措施。本次设计采用两钻一抓造混凝土防渗墙对左坝段坝体进行防渗。左坝段造墙总长260 m，防渗墙轴线布置同右坝段已实施混凝土墙，位于上游坝坡距坝顶上游边线4.3 m、坝轴线7.3 m处，施工平台顶高程83.0 m。

(1)防渗墙厚度计算。防渗墙厚度D按式(1)确定：

D≥ΔH/[J]

(1)

式中：ΔH为防渗墙作用水头，按渗流计算防渗墙实际削减水头计；[J]为防渗墙容许水力比降。

经计算，并参照类似已建工程经验和兼顾施工设备条件，混凝土防渗墙厚度采用0.60 m(常规冲击钻直径为60～120 cm)，防渗墙顶高程同右坝段为82.60 m。

(2)防渗墙设计指标。防渗墙混凝土设计指标如下：28 d抗压强度≥8.0 MPa，弹性模量≤15 000 MPa，抗渗等级W6，渗透系数不大于1×10-7cm/s，允许渗透坡降[J]为60～80[2]。

(3)防渗墙材料要求。原材料要求如下：①水泥：采用普通硅酸盐42.5 级以上(含)水泥。②黏土：黏粒含量大于等于50%，含砂量小于3%。③膨润土：国标一级以上。④骨料：细骨料(砂)要求细度模数FM=2.4～2.8(中砂)，适宜的砂率为35%～45%。粗骨料(石子)最大粒径不宜超过40 mm，有条件时最大粒径以20 mm 为好，小石与中石的比例以4∶6 为宜，否则容易堵管。

防渗墙混凝土物理性能要求：①较好的和易性，一般要求混凝土的坍落度为18～22 cm，扩散度34～40 cm，并能保持1 h 左右。②较小的泌水率，一般要求在2 h 内，泌水率小于4%。③初凝时间≥6 h，终凝时间不宜大于24 h。④密度≥2.1 g/cm3，不要用轻骨料。⑤施工混凝土强度应比设计混凝土标号高30%～40%。⑥28 d 抗渗标号为S8，水灰比为0.5～0.55。⑦防渗墙材料中水泥用量一般不少于300 kg/m3。

(4)左坝段防渗墙与右坝段已建防渗墙、防渗墙与老坝下涵管封堵倒挂井外壁连接处，均布置高压旋喷灌浆孔进行灌浆以确保其连接紧密。

3.2 坝基防渗设计

大坝坝基残留有第四系砂卵石层，右坝段坝体混凝土防渗墙施工时截断了砂卵石层，但下伏全、强风化千枚岩具中等透水性，存在渗漏隐患；左坝段坝基现状无任何防渗措施，运行过程中已出现渗漏和渗透破坏问题。

3.2.1 防渗标准

龙门口水库为中型已建工程，坝基防渗的目的主要是封堵坝基、坝肩基岩风化层透水带渗漏通道，防止大坝发生渗透破坏。根据《碾压式土石坝设计规范》，对Ⅲ级坝，基岩相对不透水层透水率为q≤5～10 Lu，设计防渗标准采用基岩透水率q≤10 Lu。

3.2.2 左坝段坝基防渗

左坝段坝基防渗与坝体一并采用两钻一抓混凝土墙防渗墙，墙底深入相对不透水层1.0 m，按地质剖面，防渗墙最低底高程为64.8 m，槽孔最大深度18.2 m。下阶段通过先导孔最终确定防渗墙底高程。先导孔孔距45 m，共布置13孔。

3.2.3 右坝段坝基防渗

右坝段已建坝体混凝土防渗墙，基础防渗根据坝基地质条件确定采用高压旋喷灌浆对全风化千枚岩进行截渗处理，右坝肩强风化岩层采用帷幕灌浆截渗。灌浆轴线布置于防渗墙轴线上游0.3 m。

(1)高压旋喷灌浆。旋喷墙顶部与坝体现有混凝土防渗墙搭接不小于1.5 m，底部深入相对不透水层或强风化岩层1.0 m。根据大坝挡水高度，旋喷孔采用单排布孔，孔距根据类似工程初步确定为0.75 m，墙体有效厚度0.4 m，要求允许比降[J]为60。灌浆施工平台高程同左坝段为83.0 m。

(2)帷幕灌浆范围。右坝肩帷幕底线深度按深入相对不透水岩体(基岩透水率q≤10 Lu)顶板以下不小于5 m控制。左坝肩由于黏土覆盖层较厚，未发现渗漏现象，本次设计帷幕灌浆不考虑向外延伸。右坝肩延伸至水库正常蓄水位与相对不透水层或地下水位相交处，延伸长度26 m。帷幕灌浆底高程约为60.0～75.5 m。

根据大坝挡水高度，帷幕灌浆按单排孔设计，孔距1.5 m，坝基段钻孔与高压旋喷孔共用。坝肩灌浆范围内山坡平缓，可直接在山坡上整设灌浆平台施灌。灌浆采用自下而上分段施工，第一段灌浆压力按1.0～1.5倍坝前水头考虑。

(3)灌浆材料及灌浆施工工艺方法。灌浆采用强度等级为42.5 MPa普通硅酸盐或硅酸盐大坝水泥浆灌注，必要时浆液中掺和适量速凝剂[3]。

4 大坝渗流计算与分析

稳定渗流时坝体内部最大渗透坡降值及渗流量计算成果见表2。

表2 大坝稳定渗流计算成果

续表2

由渗流计算成果可以得出结论：大坝未做防渗处理的老坝下涵管处断面渗漏量较大、浸润线下游出逸点位置较高；实施了防渗处理的 Ⅲ-Ⅲ′、Ⅳ-Ⅳ′断面，防渗墙削减水头65%左右，浸润线下游出逸点高程低，渗漏量明显减少。坝体允许渗透坡降均满足要求，老坝下涵管处坝基砂卵石层渗透坡降不满足渗透稳定要求，需对坝基进行防渗处理。

5 大坝稳定计算

大坝上、下游坝坡在各种计算工况下抗滑稳定最小安全系数见表3。稳定计算成果表明：大坝上、下游坝坡各种计算工况下抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

表3 大坝坝坡稳定计算成果

6 结 语

文章结合工程实际，对大坝右坝段坝基采用高压喷射灌浆进行防渗处理，对左坝段坝体、坝基采用钻抓法混凝土防渗墙防渗处理，加固后大坝渗流计算结果表明，实施了防渗处理的大坝断面，浸润线下游出逸点高程降低，渗漏量明显减少，坝体允许渗透坡降均满足要求。证明水库均质土坝坝体、坝基采用钻抓法混凝土防渗墙防渗效果良好，右坝段采用高压喷射灌浆对坝基下伏基岩的截渗处理措施亦是行之有效的。