土石坝除险加固防渗方案比选研究

魏丽娟

(博尔塔拉蒙古自治州水利水电勘测设计院，新疆 博乐 8334000)

1 工程背景

鄂托克赛尔水库是一座以防洪和灌溉为主，兼具养殖和旅游等诸多功能为一体的中型水利工程，可以保护下游8个自然村的安全。水库坝址以上控制流域面积540 km2，总库容2290万m3[1]。水库主要建筑物包括大坝、泄洪闸和输水洞。其中，水库主坝为长700 m的黏土心墙土石坝，设计高程1261.50 m，最大坝高8.04 m，坝顶宽8.6～12.3 m，迎水坡坡比为1∶3.8，背水坡坡比为1∶2.9，迎水坡为干砌石护坡。由于历史原因的影响，该水库病险问题比较突出，特别是存在比较显著的坝肩和坝基渗漏。此外，溢洪道右岸也存在比较显著的风化坍塌问题，造成溢洪道进水口和泄洪洞处堆积了大量的石渣，对防洪安全极为不利，溢洪道的末端也没有设置消能设施，下泄高速水流对下游河床造成比较明显的冲刷破坏。显然，水库的病险问题已经对大坝的安全和稳定运行造成了比较严重的影响。因此，对该水库实施除险加固工程极为必要。

2 大坝防渗方案的初步拟定

根据水库的前期地质勘查资料以及水库的渗漏情况，坝体和坝基均需要进行防渗处理[1]。结合工程实际和相关类似工程的经验，初步拟定出如下五种方案进行比选，以获取最佳设计方案，为工程建设提供必要的支持。

方案1：混凝土防渗墙是利用专用的造孔机械设备连续造孔，以泥浆固壁，用导管在注满泥浆的槽孔中灌注混凝土而筑成的防渗墙体。坝顶沿坝轴线连续造孔，灌注混凝土防渗墙，防渗墙在大坝两岸坝肩及坝中部位需伸至不透水层与坝基防渗帷幕紧密衔接。现状坝顶宽度不足8m，不满足混凝土防渗墙最小施工场地宽度要求，可将坝顶开挖至1259.6 m，相应坝顶宽可达10 m，利用施工弃土在坝顶的上游侧和下游侧填筑形成宽度为12.0 m的工作平台，满足施工要求。故混凝土防渗墙高度定为1259.6 m，防渗墙施工完毕后，坝顶采用黏土填筑至设计坝顶高程，并恢复上下游护坡和坝顶道路[2]，防渗墙采用C30普通混凝土，厚度为30 cm，下部深入坝基基岩0.5 m。处理范围为桩号0+101～0+325，防渗墙的右侧需要向坝肩方向延伸27.0 m。

方案2：该方案的思路是在坝顶设置高压摆喷灌浆。高压喷射灌浆法为将装有特质合金喷嘴的注浆管沿钻孔下到预定位置，利用高压将喷射的浆液或水体与土体颗粒搅拌混合，浆液凝固后形成垂直的防渗体[3]。在施工设计中，灌浆孔沿着大坝坝轴线布置，其处理的范围和方案相同。在施工过程中，结合坝顶的改建工程形成灌浆施工平台。坝顶沿坝轴线方向布置高压喷射灌浆孔，共布置1排，分序施工。 喷射浆液采用水泥黏土浆，要求墙体厚度≥60 cm，渗透系数≤1×10-6cm/s，28 d抗压强度≥6 MPa，抗折强度≥0.6 MPa。根据现场试验，灌浆扩散半径不低于0.85 m，结合墙体厚度要求，灌浆孔的孔距设置为1.5 m，灌浆形成的高喷墙顶部要深入坝体土砂层2.0 m，底部深入坝基基岩0.5 m。

方案3：该方案的基本设计思路是沿着大坝上游马道以及右侧坝脚设置混凝土防渗墙[4]。鉴于大坝坝体中的砂砾层顶的高程为117 m左右，在上游坝坡120 m高程部位设置有宽度为2.0 m的马道。因此，在上游马道和右侧坝脚部位布置混凝土防渗墙，其处理的范围与方案1和方案2相同。在施工过程中需要拆除马道以上护坡和坝体填土，并在马道以下形成宽度为12.0 m左右的工作平台，待施工完毕之后再进行恢复。在大坝右侧坝肩上填筑形成宽度为6.0 m的黏土铺盖，混凝土防渗墙的顶部要深入铺盖，形成完整的防渗系统[5]。混凝土防渗墙的厚度设计为30 cm，墙底要深入基岩0.5 m。

方案4：该方案的基本思路是将方案3中的防渗墙改为高压摆喷灌浆。该方案的布置范围和方案3相同，施工中需要拆除马道以及上部的部分护坡和填筑土，形成宽度约8.0 m的工作平台。灌浆孔的孔距设计为1.5 m，处理的深度也与方案3相同[6]。

方案5：该方案的基本思路是大坝的上游坝脚开挖截渗槽，同时在坝坡增设复合土工膜防渗结构[7]。该方案的处理范围和上述4种方案相同。在施工中首先需要拆除大坝上游的护坡和反滤，然后，进行截渗槽的开挖，再进行复合土工膜的铺设[8]。土工膜的下部和左右岸需要锚固在截渗槽中，上部锚固于马道，并利用C20普通混凝土进行浇筑。在复合土工膜铺设完毕之后，利用原土回填，恢复反滤和护坡。

3 方案分析与比选

3.1 渗流与安全性分析

研究中利用GeoStudio 软件对各方案采用有限元法进行渗流计算和安全性分析。计算中设计三种计算工况。其中，工况1为正常蓄水位工况，上游蓄水位为124.5 m；工况2为设计水位工况，上游蓄水位为125.68 m；工况3为校核水位工况，其上游蓄水位为126.41 m，三种工况的下游均为无水状态。

各方案在三种不同工况下的大坝渗流计算结果如表1所示。由表中的计算结果可以看出，5种方案在各工况下的最大水力比降均小于J=3的工程设计值，也就是各方案下不同工况下均不会发生渗透破坏。从渗漏量来看，五种方案的渗漏量均相对较小，在正常蓄水位条件下的年渗漏量均不超过库容总量的2%。从不同方案的对比来看，方案1的渗漏量最小，方案3和方案1的渗漏量比较接近，其余3种方案的渗漏量相对较大。

表1 各方案大坝渗流计算结果

对不同方案的边坡稳定性进行计算分析，分别获得各工况下大坝上游和下游坝坡的安全系数，结果如表2所示。由计算结果可以看出，5种不同防渗加固方案在各个计算工况下的坝坡安全系数均大于1.25的工程设计值，因此，在正常运行的条件下，坝坡均处于安全状态。从不同方案的对比来看，各方案上游和下游坝坡的安全系数存在一定的差异。其中，安全系数最高的是方案3和方案5，且两者比较接近，方案1和方案2相对偏小。

表2 坝坡安全系数计算结果

综合渗流计算结果和坝坡安全计算结果，方案3为最佳方案，不仅上下游坝坡的安全系数较高，同时渗漏量也相对较小。

3.2 工程经济性分析

研究中结合工程项目地的市场价格以及各个方案的工程量，对5种不同方案的主要工程量和造价进行统计计算，结果如表3所示。从表中的计算结果可以看出，在5种不同的方案中，方案2和方案4的投资总额明显大于方案1和方案3。由此可见，摆喷灌浆方案的投资明显多于混凝土防渗墙方案。方案5为土工膜防渗方案，该方案需要将上游马道以下的干砌石护坡全部拆除，同时还需要开挖长度较大的截渗槽，工程量较大，因此，投资额最高。由此可见，从工程投资的角度来看，方案3的投资额最小，为最佳方案。

表3 主要工程量和工程造价表

3.3 方案的选定

由上文的计算结果可以看出，无论是渗流安全性分析，还是工程的经济性，均为方案3最佳。另一方面，5种方案相比，方案3的工期最短。同时，混凝土防渗墙技术在国内已经有了几十年的应用，技术较为成熟，工程经验十分丰富。而高压摆喷方案的施工工艺隐蔽性强，施工质量的影响因素较多，质量不易保证。土工膜方案需要较大的工程量，施工比较复杂，在施工前还需要放空水库。综合上述分析，方案3为最佳防渗加固方案，建议在工程设计中选用。

4 结语

病险土石坝安全受到各种不确定因素的影响，且各因素之间存在较多的耦合作用，需要针对不同隐患和病险形式，采取科学、合理的应对策略。此次研究以辽宁省某水库为例，结合工程的实际情况，通过比选研究获得最佳防渗施工方案，可以为工程建设的顺利进行提供必要的支持和保障。当然，随着经济的发展和进步，水利工程规划理论方法的改革也迫在眉睫，如何提出更具有整体性和优化性的思路，为水利工程建设提供有效的决策依据，是需要继续深入研究的方向。