华山沟土工膜砾石土心墙坝渗漏治理实践与思考

黄维 王晓安 苏李刚 王锋

摘要：四川大渡河支流上的华山沟大坝为土工膜砾石土心墙坝，大坝蓄水后渗流量持续偏大，大坝下游坝坡出现局部塌陷，大坝运行存在重大安全风险。分析了渗漏增大及塌陷产生的原因，认为主要是由PVC防渗膜缺陷以及心墙本身防渗质量不佳造成。阐述了心墙灌浆方案的不足及防渗墙方案的特点，总结了除险加固方案施工过程中的技术特点，通过从坝顶实施超深防渗墙、心墙充填灌浆、基岩帷幕灌浆等工程措施后，大坝量水堰流量在同水位情况下接近于零，达到了预期治理效果。相关经验可供类似大坝安全运行及工程隐患治理借鉴。

关键词：大坝渗漏； 隐患治理； 防渗墙； 心墙灌浆； 土工膜

中图法分类号： TV641

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.038

0引 言

尽管筑坝技术不断进步，但国内外水库溃坝还是时有发生［1-3］。水电站大坝在通过竣工安全鉴定后并不是高枕无忧的，在运行过程中还需要通过分析现场巡视检查成果和大坝各项监测数据，及时掌握大坝运行性态［4］，力求将大坝溃坝风险扼杀在萌芽状态，避免发生严重后果［5］。本文通过华山沟大坝工程隐患治理实例，分析大坝渗漏量偏大的原因，剖析渗漏治理方案的选择过程，总结治理施工的主要技术，评价治理成效。

1工程概况

华山沟水电站位于四川省康定市孔玉乡境内，位于大渡河右岸一级支流巴郎沟内。工程以发电为主，装机容量72 MW，河床坝基覆盖层最大深度约97.6 m，主要由粉质壤土、砂卵砾石及少量漂、块石等组成，结构层次复杂，总体呈中强透水，坝基第四层中一定范围分布有厚5～6 m的弱透水土层。枢纽建筑物主要由PVC膜防渗心墙堆石坝、岸边溢洪道、冲沙放空洞、发电引水系统、岸边式地面厂房和开关站组成。PVC膜防渗心墙堆石坝最大坝高69.5m。上游坝坡坡比1∶1.7（围堰顶2 661.50 m以下为1∶2.0），下游坝坡坡比分别为1∶1.6、1∶1.8和1∶2.0。大坝从上游向下游分区依次为：上游干砌石护坡、上游堆石区、心墙上游过渡区、土工膜保护层及其防渗层、砾石土心墙区、心墙下游反滤层区（两层）、心墙下游过渡层区、下游堆石区、排水棱体区、反滤区、排水垫层区以及下游干砌石护坡，另外在砾石土心墙与坝基防渗墙、混凝土盖板连接处设置高塑性黏土料区。大坝典型剖面图见图1。

大坝防渗体系由坝体土工膜+砾石土心墙、坝基覆盖层混凝土防渗墙和坝基岩体灌浆帷幕组成。PVC防渗膜采用两布一膜布置，膜厚2 mm，土工布规格要求不小于500 g/m2，PVC防渗膜上下游侧设置厚度50 cm的垫层。砾石土心墙顶宽3 m、底宽24 m，两侧坡度约1∶0.16；砾石土采用当地龙玉料场开采料，最大粒径60 mm，大于5 mm含量不超过50%，0.075 mm以下含量不小于15%，小于0.005 mm的颗粒含量为2.11%，渗透系数k≤1×10-5 cm/s，渗透允许坡降2.7。坝基覆盖层采用塑性混凝土防渗墙防渗，防渗墙布置在坝轴线上，顶部通过高塑性黏土与砾石土心墙连接并采用螺栓与PVC防渗膜锚固，底部伸入坝基第四层的弱透水层以下5.0 m，最大深度53 m左右，两岸嵌入基岩。坝基两岸岩体采用帷幕灌浆防渗，控制标准为≤5 Lu；嵌入基岩的防渗墙内采用预埋管进行灌浆。

华山沟水电站于2007年2月正式开工建设，2011年12月16日下闸蓄水，2012年1月10日两台机组全部投入运行。

2隐患概况

华山沟大坝自蓄水以来，渗流量一直较大，2013年汛期渗流量开始超过300 L/s，与往年同水位下渗流量相比有所增加，之后基本稳定在350～400 L/s之间。针对大坝渗水量偏大的情况，现场对渗漏原因、通道进行了物探检测，并先后于2014年、2017年两次对右岸基岩帷幕、左岸基岩帷幕进行补强灌浆处理；从补灌后的运行效果看，量水堰渗水量变化不大，两岸基岩帷幕补强灌浆对大坝渗流量改善的效果不明显。

2019年5月25日7：30左右，大坝坝后量水堰出现浑浊情况，8：20左右发现坝轴线桩号0+070 m、高程约2 702.5 m处，大坝后坝坡出现局部塌陷，现场对塌陷坑进行了抢险加固处理，并将库水位降低至2 665 m左右，之后险情未继续发展。随后，华山沟大坝因坝体防渗体存在缺陷且有恶化趋势，大坝结构安全度不满足规范要求，大坝运行性态异常，存在安全风险，被评定为病坝，需要进行除险加固治理。

3大坝渗漏原因分析

3.1砾石土心墙料质量分析

3.1.1钻孔取芯成果

根据钻孔取芯成果，砾石土心墙从上到下可大致分为以下4层。

第①层：0～4 m为厚4 m的块碎石土，块石粒径15～20 cm，含量约占10%，碎石2～5 cm，含量约占50%～60%。第②层：4～28 m为厚24 m的碎砾石土，碎石2～5 cm，少量10 cm以上，含量约占40%～50%；砾石0.5～2 cm，含量约占20%～30%。第③层：28～62 m为厚34 m块碎石土，块石粒径20～30 cm，最大达35 cm，含量约占5%～10%；碎石2～5 cm，含量约占50%～60%。上述三层其余土为砂壤土，含黏粒较少，其结构较松散。第④层：62～64 m，为厚2 m的黏土夹碎石层，褐黄色，含黏粒较多，岩芯多呈柱状，地震波波速为1 663 m/s，呈较松散状。

3.1.2钻进情况

钻进过程中，不返浆及漏浆现象较普遍，只有少数几段为返浆段。究其原因，主要有以下几方面：① 砾石土心墙粗颗粒中块碎石含量较多，细颗粒中黏粒含量较少，壤土含量较多，透水性较好；② 砾石土心墙粗颗粒中块碎石含量较多，施工机械在碾压过程中，不易将块碎石土碾压密实，因而砾石土心墙的密实度较差，不能很好起到隔水的作用。

3.1.3成果分析

（1） 心墙砾石土的主要指标不能满足碎（砾）石土防渗土料质量技术要求。其中第②层：孔深6.5～15.7 m段大于5 mm粒径含量平均值为76.6%，孔深15.7～28.5 m段为55.1%。黏粒含量平均值：孔深6.5～15.7 m段为2.7%，孔深15.7～28.5 m段为5.9%。渗透系数k20=2.78×10-4～8.27×10-3 cm/s，具中等透水性。第③层：孔深28.5～38 m段大于5 mm粒径含量平均值为88.5%；孔深38.0～55.0 m段大于5 mm粒径含量45.0%～84.5%，平均值为68.3%；渗透系数k20=0.95～213 cm/s，具强—极强透水性。

（2） 钻孔终孔水位与大坝坝前水位相差仅2.0～5.0 m，上下水位差较小，说明PVC防渗膜及砾石土心墙的防渗效果均较差。

3.2土工膜防渗效果分析

原设计考虑到大坝单独采用龙玉料场的砾石土作为心墙料防渗不是很可靠，因此，大坝以土工膜防渗为主，砾石土心墙仅仅作为对土工膜漏点的补充防渗措施，砾石土心墙置于坝体中央，也可为将来可能的灌浆等加固处理措施预留了合适的位置。如果土工膜基本完好，大坝渗透稳定应该是有保证的。但实际情况是土工膜防渗也存在较大问题。土工膜宽度很窄，长度很长，焊接缝很多，焊缝施工要求平整摊铺土工膜。土工膜近乎垂直，且必须随坝体同步上升，稍有不慎就使膜局部刺破，且不易发现，留下重大隐患。另一方面土工膜又对堆石碾压施工造成很大的干扰，影响土工膜附近土石料碾压质量。

据伪随机流场测试成果，库区渗漏入水点主要呈现为3个条带状分布，分别位于高程2 661.5～2 676.5 m坝体斜坡、高程2 656.0～2 661.5 m坝体斜坡、高程2 648.0～2 656.0 m坝体斜坡位置。其中坝体高程2 661.5～2 676.5 m坝体斜坡渗漏入水点区域从右岸距岸边10 m处一直延伸到左岸岸边，异常值范围较广。该区域在两次供电测试时均有异常反映，且异常值均偏大，在20～55 mV之间，属严重渗漏。坝体高程2 656.0～2 661.5 m坝体斜坡渗漏入水点异常区域形成一条140 m长的条带状，异常值均在20～40 mV之间，属中度渗漏。坝体高程2 648～2 656 m坝体斜坡处异常区域形成一条80 m长的条带状，异常值一般在20～30 mV之间，属轻微渗漏。条带状分布的渗漏入水点异常区域极可能由土工膜焊接缝部位存在渗漏通道所引起。

3.3小 结

综合心墙质量及渗漏检测成果可知，大坝砾石土心墙上游PVC防渗土工膜局部出现渗漏通道，加之心墙防渗效果较差，造成下游渗流量较大；同时砾石土心墙在长期渗流冲刷的作用下，细颗粒流失，心墙局部出现架空现象，当架空达到一定规模后，坝体发生局部塌陷。

4治理方案及成效

4.1初步治理方案及现场灌浆试验

根据华山沟大坝工程隐患实际情况，结合国内外类似工程经验，设计人员推荐心墙灌浆改性防渗方案作为大坝隐患治理的初步方案。

大坝防渗体采用渗透、充填灌浆的方法进行加固处理。考虑到灌浆压力较小，为保证灌浆效果，采用较密的孔、排距。在坝轴线及上下游侧处布置7排灌浆孔，梅花形布置，排距0.5 m、孔距1.0～1.5 m，河床部位孔底深入高塑性黏土1.0 m，灌浆最大深度约67 m（中间排最大深度62.5 m），两岸靠岸坡段孔深按进入高塑性黏土料0.5～1.0 m进行控制；通过灌浆充填，重点改善砾石土心墙局部不密实状态，同时有效改善心墙防渗性能，并要求灌后砾石土心墙的渗透系数不大于1×10-5cm/s。典型剖面图见图2。

实施时首先针对心墙灌浆改性方案开展现场试验，重点对灌浆材料、灌浆工艺和参数、灌浆标准和检查方法等进行试验研究和优选，并对工效和费用进行初步分析。根据现场实际情况，选择具有代表性的坝面塌陷坑与钻孔掉钻现象对应的桩号0+070附近（A区）、河床中部（B区）以及右岸部位（C区）共3个区域进行灌浆试验。

为保证灌浆质量和工效，试验采用孔口封闭法、套管法两种方法进行比较；为使灌注浆液能充填心墙的裂隙和空腔、浆液结石强度与心墙土料相近，主要选择水泥黏土（或膨润土、粉煤灰）浆液。灌浆压力通过试验确定，以不产生劈裂为原则；1，7排灌浆最大压力0.6 MPa，其余中间排最大灌浆压力1.0 MPa。

综合现场试验灌浆成果和灌后检查成果分析，试验A、B、C区灌后渗透系数在i×（10-5～10-4） cm/s，相比灌前降低了2～3个数量级，但与预期的k≤1×10-5 cm/s仍有一定差距，合格率仅3.03%。灌后心墙在0.15～0.3 MPa的较低压力下就可能发生劈裂破坏；灌后心墙存在较明显的不均匀性，局部部位浆液难以灌入，仍呈松散状；灌浆对心墙防渗性能有一定改善，但总体效果一般，未能达到设计预期。

根据试验C区灌后检测成果，由于反滤料总体颗粒偏粗，与心墙料不满足反滤关系；当大坝心墙料局部薄弱环节出现渗透破坏而颗粒流失时，反滤料对心墙不能起到反滤保护作用，大坝长期运行存在渗透破坏风险。

为满足大坝长期安全运行要求，有必要对大坝隐患治理方案进行进一步深化研究。

4.2深化治理方案设计和施工

4.2.1深化治理方案设计

结合工程实际情况和类似工程经验，综合考虑坝基覆盖层中弱透水土层厚度、透水性可能存在不均一性、大坝长期运行安全、施工难度和工程投资等，设计人员选择防渗墙墙底伸入基岩的全封闭方案作为该工程大坝病害治理的推荐方案。典型剖面图见图3。

大坝隐患治理方案主要包括坝体心墙内新建混凝土防渗墙、新建防渗墙后心墙内充填灌浆、新建防渗墙下基岩帷幕灌浆以及坝顶结构拆除和重建等。混凝土防渗墙设在大坝坝体内，底部嵌入基岩，其上游承受很大的水推力，且下游地下水位低，墙体的应力和变形需要十分关注。经三维有限元分析可知，蓄水影响下，防渗墙向下游的水平位移最大值为19.7 cm，位于心墙内防渗墙中上部，竖向变形为6 cm。水平向拉、压应力最大值均在C20混凝土设计抗拉和抗压强度范围内，竖直向压应力最大值在C20混凝土设计抗压强度范围内，拉应力局部超限。若采用主拉、压应力值评价结构的受力状态，防渗墙压应力在C20混凝土设计抗压强度范围内，但防渗墙被基岩约束区由于强约束造成应力集中等因素的影响，存在拉应力超C20混凝土设计抗拉强度的区域，如图4～5所示。

4.2.2深化治理方案施工

4.2.2.1混凝土防渗墙

新建混凝土防渗墙布置在原坝基防渗墙下游侧，两墙净距0.5 m，厚度1.0 m；墙体材料采用C20常规混凝土。防渗墙底按深入基岩1.0 m控制。主要施工技术特点如下。

（1） 固壁泥浆。采用钻井级优质钠基膨润土拌制固壁泥浆，通过优化泥浆配合比，调整泥浆性能指标，新制泥浆具有“比重小、黏度大”的特点。优质膨润土泥浆在槽孔内形成“外泥皮+桥塞区+侵染区”的孔壁泥浆固壁稳定体系，最大限度地保证了槽孔孔壁的安全。

（2） 超深防渗墙孔斜率控制。针对高于规范要求的成槽孔斜指标，通过对防渗墙造孔工艺的研究，采取了冲击钻机与抓斗结合的“钻抓法”施工，采用了冲击钻头加焊金属耐磨块对孔斜的相反方向进行修孔、在孔口安设纠偏轴强制性修孔以及回填块石重新造孔等方式对防渗墙孔形进行纠偏处理，保证了防渗墙成槽孔斜率，提高了预埋灌浆管、接头管的下设成功率，并为后期顺利完成164.31 m防渗墙取芯奠定了基础。

（3） 防渗墙混凝土浇筑技术。通过对防渗墙混凝土配合比的研究，选择良好级配骨料，优化配合比，延长初凝时间，增大混凝土扩散度，保证了泥浆下超深防渗墙混凝土的成功浇筑。通过提高混凝土砂率，降低混凝土刚度，增强混凝土柔性，提高了混凝土防渗墙的变形能力。防渗墙混凝土采用直升导管法进行浇筑，防渗墙所有槽段混凝土面平均上升速度为5.66 m/h，混凝土面匀速上升，浇筑时各处高差小于50 cm，避免了因混凝土浇筑过快对大坝造成二次破坏的情况。

（4） 160 m级预埋灌浆管下设技术。本次隐患治理工程预埋灌浆管间距1.0 m，最大下设深度超160 m。预埋灌浆管采用定位架和桁架结构固定预埋管的方法进行下设，钢管接头处采用套管连接（套管内径略大于预埋管外径）并加强焊接，增加接头刚度，减少变形。加之良好的防渗墙孔形以及高效的“气举反循环”法清孔换浆技术，预埋灌浆管下设合格率100%。

（5） 陡坡入岩技术。通过对左右岸陡坡段入岩困难问题的研究，采取了同一槽段由浅至深依次钻进，基岩段由液压潜孔钻机钻打诱导孔，冲击钻配置大重量钻头低冲程高频率冲击入岩的施工方法，成功解决了左右岸40°～70°陡坡段入岩困难的问题，保证了防渗墙的嵌岩深度不小于1 m。

4.2.2.2心墙充填灌浆

针对大坝砾石土心墙不密实、架空的情况，为避免防渗墙在坝体中施工时出现塌孔、漏浆情况，造孔施工前在防渗墙下游侧心墙内布置2排充填灌浆孔，孔斜分别为2°和4°，排距1.0 m、孔距2.0 m、采用梅花形布置。灌浆采用无压（或不大于0.1 MPa低压）自流式充填灌浆；灌浆采用水泥黏土砂浆，水泥∶黏土=1∶1～3∶1，掺砂量为水泥量的5%（大注入量时可逐渐增加至20%），水灰比采用1∶1、0.8∶1、0.5∶1三个比级。灌浆方法采用“套管法”、自下而上分段灌浆，段长2～3 m。心墙充填灌浆示意图见图6。

4.2.2.3基岩帷幕灌浆

鉴于新建防渗墙与原两岸灌浆帷幕不在同一平面上（相距1.5 m），且防渗墙造孔施工过程中对基岩造成扰动、墙底存在沉渣等，为保证新建防渗墙与原两岸防渗帷幕的可靠连接，对两岸防渗墙底基岩进行灌浆处理。

4.3治理成效

（1） 大坝隐患治理前渗水量最大值基本稳定在350～400 L/s，隐患治理实施期间水库水位基本维持在2 665 m以下，下游量水堰未见渗水。2022年再次蓄水至正常蓄水位2 700 m期间，下游量水堰仍未见渗水，表明新建防渗体系阻水效果明显。大坝下游坡脚处量水堰渗流量过程线如图7所示。

（2） 根据大坝及新建防渗墙应力计算分析成果，受坝址河谷形态影响，新建防渗墙在两岸岸坡陡缓交界处应力状态较为复杂，需要重点关注。因此施工过程中在防渗墙内结合预埋管钢筋桁架布设了双向钢筋计。分析钢筋计监测成果可知，在仪器埋设初期，受上部坝顶结构恢复施工影响，各钢筋计测值存在波动，随着蓄水期间库水位逐渐升高，防渗墙内钢筋应力随之变化，总体表现为左右岸双向受拉、河床中部受压，随着水位达到正常蓄水位，钢筋应力逐渐趋于稳定，目前钢筋计最大压应力约10 MPa、最大拉应力约5 MPa，测值总体较小；2022年“9·5”泸定地震对新建防渗墙应力无明显影响。典型钢筋计应力过程线如图8所示。

5结 论

（1） 按照该工程施工经验，采用水泥黏土灌浆，砾石土灌浆后渗透系数要达到小于1×10-5 cm/s难度较大，一般情况下小于5×10-4cm/s较有保证。

（2） 该工程属于首次将超深防渗墙成功应用于大坝除险加固工程中，防渗墙平均孔深约88 m，最深达161.75 m。且是首次从坝顶实施超深防渗墙，穿越近70 m松散坝体及最大深度为97.6 m的坝基覆盖层直至基岩，针对超深防渗墙孔斜率控制、陡坡入岩、160 m级预埋灌浆管下设等施工重难点技术采取了相应的解决措施。

（3） 针对大坝砾石土心墙不密实，普遍较为松散、均匀性差、强透水且多架空的情况，采取了预灌浓浆的施工方案。防渗墙造孔施工前，沿防渗墙轴线在导墙内侧布设两排预灌浓浆孔，分别位于防渗墙上游墙面和下游墙面部位，灌注纯水泥浆。通过该工程施工实践，预灌浓浆对砾石土心墙松散部位进行了有效充填，降低了防渗墙造孔过程中穿越近70 m松散坝体时的塌孔、漏浆风险。

（4） 大坝渗漏治理工作已于2022年6月初全部完成。截至目前的大坝监测成果表明，在大坝渗漏治理实施完成后，水库再次蓄至正常蓄水位2 700 m，大坝下游量水堰无渗水，新建防渗体系阻水效果显著，新建防渗墙应力测值较小，表明大坝渗漏治理实施达到了预期的效果。

（5） 计算表明，防渗墙局部存在拉应力超标区域，后续仍要做好水库水位升降速率控制、运行调度及相关预案、日常监测巡视等运行管理工作，发现异常及时分析解决，以确保大坝长期安全运行。

参考文献：

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［2］徐泽平.老挝桑片-桑南内水电站溃坝事件初步分析与思考［J］.水利水电快报，2018，39（8）：6-10.

［3］李洪恩，马桂珍.2000～2018年中国水库溃坝规律分析与对策［J］.水利水运工程学报，2021（5）：101-111.

［4］杨彦龙，黄维.美国大坝安全评价及经验借鉴［J］.水力发电，2023（1）：94-99.

［5］杨启贵，周和清，刘加龙.东方山水库大坝管道型渗漏的应急抢险与除险加固［J］.人民长江，2022，53（3）：202-206.

（编辑：郑 毅）