防滲灌漿在小水庫(kù)除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用

陳生東 吉浩源

（桐柏縣水利局，河南 桐柏474750）

1 工程概況

老虎沖水庫(kù)位于淮河流域出山店河支流上，在河南省桐柏縣城東的月河鎮(zhèn)，屬淮河流域。該水庫(kù)于1956年2月動(dòng)工興建，1957年11月竣工。壩址以上控制流域面積2km2，干流長(zhǎng)2.9km，平均比降0.045，水文分區(qū)為Ⅰ區(qū)。水庫(kù)上游屬淺山丘陵區(qū)，流域內(nèi)植被較好。水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，現(xiàn)狀壩頂長(zhǎng)120m，最大壩高8.1m，壩頂寬2.9m，路面不平，無(wú)路沿石及防浪墻。老虎沖水庫(kù)工程等別為V等，主要建筑物級(jí)別為5級(jí)，水庫(kù)原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計(jì)，200年一遇校核，校核洪水位133.94m（黃海高程系），相應(yīng)庫(kù)容36.62萬(wàn)m3；設(shè)計(jì)洪水位133.43m，相應(yīng)庫(kù)容28.01萬(wàn)m3；興利水位131.48m，興利庫(kù)容15萬(wàn)m3。

2 壩體滲漏問(wèn)題情況說(shuō)明

老虎沖水庫(kù)河槽部位大壩0+030～0+075段存在壩體滲漏及接觸滲漏，高水位時(shí)滲水呈明流，滲漏量大。

3 大壩壩體防滲方案比較

大壩防滲是本次老虎沖水庫(kù)除險(xiǎn)加固的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，根據(jù)壩體、壩基巖土和水庫(kù)運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，大壩防滲控制應(yīng)采用垂直防滲措施。設(shè)計(jì)采用壩體充填灌漿、壩體高噴防滲強(qiáng)與水泥攪拌樁三種方案進(jìn)行綜合比較，擇優(yōu)選用。

3.1 壩體充填灌漿

結(jié)合大壩整治工程，對(duì)大壩進(jìn)行充填灌漿處理，并將充填灌漿向下深入基巖1.0m，以加固壩體，截?cái)嘟佑|滲漏，減小壩體壩基滲流量。

灌漿范圍為大壩樁號(hào)0+030～0+075，灌漿段長(zhǎng)40m。灌漿孔雙排布置，上下游灌漿孔分別布置在新壩軸線上、下游0.75m處，排距1.5m，單排孔距1.5m，共78孔。灌漿頂部高程設(shè)計(jì)為壩基面以上4.0m，最高到風(fēng)化砂開挖高程,底部至壩基面以下1.0m。充填灌漿采用2:8水泥粘土漿,水泥采用42.5#水泥。

3.2 壩體高噴防滲墻

根據(jù)箭桿沖水庫(kù)工程實(shí)際，高壓旋噴采用三管法比較經(jīng)濟(jì)，工效高，單排孔高噴形成的樁墻厚度可滿足防滲要求。高噴灌漿施工工藝參數(shù)初步設(shè)計(jì)如下：

灌漿壓力：水壓25.0～30.0MPa，氣壓0.7～0.8MPa，漿壓0.2～0.3MPa。

灌漿流量：水量75～80L/min，氣量1.0～1.2m/min，漿量60～80L/min。

旋轉(zhuǎn)速度10r/min，提升速度10cm/min，噴嘴直徑8mm。

灌漿材料采用42.5普通硅酸鹽水泥粘土漿，水泥與粘土質(zhì)量比為1:1。

設(shè)計(jì)沿新壩軸線布置一排高噴灌漿孔，間距0.8m，灌漿范圍為大壩樁號(hào)0+030～0+075，灌漿壩段長(zhǎng)40m，共78孔。高噴墻頂部壩基面以上4.0m，底部至壩基巖面。

3.3 水泥攪拌樁防滲墻

結(jié)合壩頂風(fēng)化砂防滲處理，設(shè)計(jì)采用水泥攪拌樁截?cái)嘟佑|滲漏及壩體滲漏，以加固壩體。水泥攪拌樁防滲墻設(shè)計(jì)范圍為大壩樁號(hào)0+ 000～0+120，攪拌樁頂部高程設(shè)計(jì)為133.62m，樁號(hào)0+000～0+030段底部高程為風(fēng)化砂下1.0m，樁號(hào)0+030～0+075段底部高程為壩基面下1.0m，樁號(hào)0+075～0+120段底部高程為強(qiáng)風(fēng)化基巖面。

水泥攪拌樁初始設(shè)計(jì)水灰比為2:1，施工前先做先導(dǎo)孔試驗(yàn)，結(jié)合工程地質(zhì)條件，機(jī)械設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)試樁具體情況，確定施工采用工藝參數(shù)及水泥摻入比。

根據(jù)水泥土攪拌樁防滲墻和先導(dǎo)孔試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程地質(zhì)條件，機(jī)械設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)試樁具體情況，確定施工采用工藝參數(shù)及水泥摻入比。初步設(shè)計(jì)建議值如下：

①樁徑5000mm，樁心距320mm（最佳搭接墻厚383mm）；

②鉆進(jìn)及提升速度V=0.288～1.96m/min；

③輸漿壓力：P=0.25～0.3MPa；輸漿管壓力P=0.2～0.25MPa；

④注漿量：30～65L/min；

⑤水泥摻入比：16%；水泥摻量43kg/m3；

⑥水灰比：0.5～0.55；

⑦鉆頭直徑500mm；

⑧樁體滲透系數(shù)＜1×10-5cm/s。

3.4 三種方案比較

兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)比較見下表。

表1 大壩防滲方案比較表

方案一采用壩體充填灌漿，具有可灌性好、機(jī)動(dòng)靈活、投資少、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但施工速度慢，工程耐久性查。方案二采用高壓旋噴防滲墻，截滲處理比較徹底，但造價(jià)高，施工機(jī)械、電力要求高，且各旋噴柱體間連接質(zhì)量不可靠。方案三采用水泥土攪拌樁防滲墻，施工工期短、造價(jià)低廉、實(shí)用可靠，對(duì)本工程可同時(shí)解決風(fēng)化砂防滲問(wèn)題。

經(jīng)綜合比較，本次箭桿沖水庫(kù)除險(xiǎn)加固采用方案三，即水泥攪拌樁防滲墻方案進(jìn)行大壩防滲處理。

4 大壩防滲設(shè)計(jì)

通過(guò)方案比較，壩體防滲加固采用水泥攪拌樁防滲墻設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)參數(shù)參上節(jié)。

質(zhì)量檢驗(yàn)主要采取兩種方法：（1）鉆芯取樣。從開挖外露的樁體中鑿取試塊或采用巖芯鉆孔取樣，鉆孔直徑不宜小于108mm，直接測(cè)定樁身強(qiáng)度，觀察攪拌均勻程度，并做壓水試驗(yàn)，測(cè)量樁體滲透系數(shù)。（2）開挖檢驗(yàn)。在工程樁養(yǎng)護(hù)到一定齡期時(shí)，選取一定數(shù)量的樁體進(jìn)行開挖，直接檢驗(yàn)樁體外觀質(zhì)量、搭接質(zhì)量及整體性、致密性等。

4.1 加固后大壩結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

根據(jù)箭桿沖水庫(kù)地質(zhì)勘探報(bào)告，大壩壩體座落于下元古界角閃片巖。結(jié)合壩坡整修加固，整修后大壩上游坡度為1:2.2，下游坡度分別為1:2.0、1:2.5，。這里主要針對(duì)加固后的大壩，在滲流計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行壩坡穩(wěn)定復(fù)核驗(yàn)算。

在滲流與穩(wěn)定分析中，計(jì)算參數(shù)的選取直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

滲透允許坡降允許值由《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274-2001中的公式求得。

式中：[J]——允許滲透比降；J破壞——臨界滲透比降；

KB——安全系數(shù)（取為2.0）；rs——土的顆粒容重；

rw——水的容重；n——土的空隙率。

利用地質(zhì)報(bào)告中提供的的壩體、壩基土物理參數(shù)，根據(jù)上兩式，可求得壩體填土允許滲透坡降為0.53，壩基土允許滲透坡降為0.52。

4.2 大壩滲流分析

取主河槽部位樁號(hào)0＋060斷面為典型斷面，采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所的滲流分析軟件進(jìn)行二維有限元計(jì)算分析。滲流計(jì)算時(shí)，該斷面除險(xiǎn)加固后上游壩坡為1：2.2,下游坡度分別為1:2.0、1:2.5，壩頂寬3.4m，壩高8.2m，基巖為下元古界角閃片巖。大壩上下游及基巖均取1倍壩高。

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（SL189-96），大壩滲流計(jì)算主要取以下兩種情況：

工況I：正常工作條件，正常蓄水位131.48m穩(wěn)定滲流計(jì)算。

工況II：非常工作條件，校核洪水位133.94m驟降至正常蓄水位131.48m時(shí)非穩(wěn)定滲流計(jì)算。

滲流計(jì)算結(jié)果如表2所示。從計(jì)算結(jié)果看，壩體滲透坡降均小于允許值。

表2 大壩滲流計(jì)算成果表

計(jì)算工況1時(shí)取下游無(wú)水，壩坡溢出點(diǎn)高程127.69m，高于下游壩腳1.19m。

4.3 大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（SL189-96），采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院編制的《理正巖土系列軟件——邊坡穩(wěn)定分析程序》，計(jì)算方法采用簡(jiǎn)化畢肖普條分法，浸潤(rùn)線數(shù)據(jù)采用大壩滲流分析計(jì)算結(jié)果。壩體填土、壩基土材料參數(shù)，均采用飽和固結(jié)快剪抗剪指標(biāo)建議值。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274—2001）的要求，并結(jié)合水庫(kù)的運(yùn)用情況，穩(wěn)定分析計(jì)算工況為以下兩種：

工況I：正常工況，正常蓄水位時(shí)形成穩(wěn)定滲流期下游壩坡穩(wěn)定；

工況II：非常工況，庫(kù)水位降落期的上游壩坡穩(wěn)定；

大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果看，除險(xiǎn)加固后大壩上下游坡在正常、非常工況下抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。工況I的下游壩坡，在正常蓄水位穩(wěn)定滲流期最小計(jì)算安全系數(shù)為1.31。工況II的上游壩坡數(shù)，在水位降落期最小計(jì)算安全系數(shù)為1.24。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)多方案比較，本次箭桿沖水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程采用水泥攪拌樁防滲墻方案進(jìn)行大壩防滲處理，該方案安全可靠，合理可行，現(xiàn)已得到批復(fù)，工程正在建設(shè)中。目前，此項(xiàng)工程設(shè)計(jì)已在桐柏縣同類水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中推廣應(yīng)用。

［1］SL55-2005中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

［2］SL31-2003水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程[S].

［3］SL345-2007水利水電工程鉆孔注水試驗(yàn)規(guī)程[S].

［4］SL258-2000水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則[S].