吉河水庫大壩壩體及壩基防滲處理措施的探討

周錦華，徐建華，石 佳，朱 丹，夏輝耀

(1.湖北省水利水電科學研究院，湖北 武漢 430070；2.湖北省水利水電科技推廣中心，湖北 武漢 430070)

水庫大壩的防滲處理一直都是水庫新建、擴容、除險加固的重中之重，良好的水庫防滲處理將減小工程隱患的發生，節省運行成本，提高工程的效益。大壩防滲的目的不光在于提高工程效益，更為重要的是加強水庫對水資源的調節能力，確保供水、防洪的安全。隨著科技的發展，防滲材料的應用、特殊地基處理等得到快速發展，但總體來說，垂直防滲和水平防滲仍是水庫大壩防滲處理的2種重要手段[1]。

如圖1所示，吉河水庫位于湖北省棗陽市鹿頭鎮張莊村，距城區19.5 km，攔截滾河支流沙河，承雨面積105 km2。水庫總庫容6 028萬m3，是1座以灌溉為主，兼有防洪、供水等綜合效益的中型水利工程。大壩為均質土壩，最大壩高24.5 m，壩長4 550 m，壩頂寬3.93～6.63 m，壩頂高程146.3～146.9 m(黃海高程)。上游壩坡為干砌塊石護坡，坡比自上而下依次為1∶2.5、1∶2.75，下游壩坡為草皮護坡，坡比自上而下依次為1∶2.5、1∶2.75、1∶2.35；老河床部分設有反濾壩。

圖1 吉河水庫地理位置圖

壩區范圍屬丘陵壟崗地貌。筑壩段河谷走向SW210°，大壩左右兩岸低丘頂部高程在150.0～155.0 m；上下游河床高程在130.0～134.0 m之間。從原始地貌看，下游段河谷寬廣，曾經歷幾次河流變遷，現河床寬300～500 m。壩區范圍地層較為復雜，從老至新其巖性依次為白堊——第三系(K—E)泥巖、砂質泥巖、砂礫巖等，第四系中更新統沖洪積(Q2al+pl)粗礫砂含卵石，第四系上更新統沖洪積(Q3al+pl)粉質粘土，第四系全新統沖洪積(Q4al+pl)細砂之中砂，第四系全新統沖洪積(Q4al+pl)粉質粘土，第四系人工堆積物(Q4s)。

壩體主要由低液限粘土組成，鉆孔資料顯示，粘粒含量一般16%～37.5%，平均為23.8%，塑性指數平均值為15.5，鉆孔試驗資料顯示，指標上滿足規范對均質土壩壩體填筑料的要求，但實際運行中壩體下游壩坡局部存在散浸現象。壩基由以下巖層組成。

1)第四系全新統沖洪積(Q4al+pl)粉質粘土：該層主要分布在左右兩壩端，分布范圍較大，層厚變化大(0.0～7.8 m)。該層為良好的隔水層，滲透性小，強度較高，不會對壩體滲漏及穩定留下隱患。

2)第四系全新統沖洪積(Q4al+pl)細～中砂：黃色，局部夾有薄層粉質粘土，最大層厚7.7 m，是壩基滲漏的主要巖土層之一。

3)第四系上更新統沖洪積(Q3al+pl)粉質粘土：淺黃～褐黃色，含鐵錳結核及灰白色高嶺土，局部夾少量卵石，該層主要分布在右壩段，層薄且不穩定，最大層厚1.9 m。

4)第四系中更新統沖洪積(Q2al+pl)粗礫砂含卵石：褐黃色夾灰白色，以礫砂為主，含有少量粘性土與細砂顆粒，最大層厚為6.80 m。在整個壩段分布穩定，層厚，滲透性極強，是壩基的主要透水層，也是壩基滲漏與壩體穩定的最大隱患。

5)壩基巖體為白堊——第三系(K—E)泥巖、砂質泥巖、砂礫巖等，滲透性總體較小，屬弱透水介質，滿足規范要求。

1 壩體及壩基地質問題及滲漏分析

根據勘察資料，壩體主要由低液限粘土組成，壩基均不同程度存在有細～中砂、粗礫砂層。

壩體：樁號0+350～3+160段壩體局部下游壩坡存在散浸現象，主要是受當時條件限制，施工質量不穩定，局部碾壓不均勻，密實度不夠，形成滲漏通道，同時也曾發現白蟻，導致局部壩段下游坡存在散浸現象。

壩基：樁號0+000～0+250為右壩段范圍，由于壩基粗礫砂上部有幾米以上的粉質粘土覆蓋，在空間分布上起到一定的隔水作用，其壩后的滲漏量相對有限。

樁號0+250～0+550段為現代主河床范圍，大壩在施工時進行了清基，壩體直接筑于泥巖、砂質泥巖上，不存在滲漏隱患，現場鉆探顯示其壩體及壩基的接合面良好。

樁號0+550～1+900及2+500～3+600段恰好位于二條古河道范圍內，壩體直接筑于細～中砂層上，該層具中～強透水性，而大壩下游排水溝外側的很大部分農田常年有水，出現管涌現象，顯然是高水位的庫水通過壩體及壩基不斷向地下水補給造成的壩后地下水位升高，而壩腳至排水溝間的水則全通過排水溝進行了導滲。另外，壩腳局部地段的地表土呈沼澤狀，低洼處水草叢生，充分說明該段的壩體及壩基滲漏十分嚴重，存在滲透破壞的潛在隱患。

樁號為1+900～3+000、3+900～4+550這兩段，上覆粉質粘土較厚，在平面上呈現一定的規模，具有良好的隔水效果，相應其壩體及壩基發生滲透破壞的可能性要小一些。

總體來看，大壩運行30余年，壩后滲漏嚴重，滲漏主要來自于壩基，部分源于壩體。目前距壩腳后30 m處的導滲溝，常年結集的明流滲漏量約在0.15～0.5 m3/s，水庫蓄水量大量損失的同時，大壩還長期存在安全隱患。

2 壩體及壩基截滲方案選擇

大壩壩線長，壩基的工程地質條件復雜多變，施工條件差，壩基清基不徹底，壩體填筑質量不高，導致大壩在竣工后出現多次大的滲漏險情，且水量損失巨大。對于壩體而言，實際運行中，局部壩段壩體下游壩坡存在散浸現象，尤其以0+350～3+160段較為明顯。壩基廣泛存在細～中砂與粗礫砂，這兩套地層具有中～強滲透特性，其滲透級數在10-3 cm/s以上，且厚度較大，已大大超出了現行規范對壩基巖土體的防滲要求，壩體及壩基在一定程度上存在有滲透變形問題。

大壩樁號0+000～0+200，3+650～4+550段，壩體及壩基上覆粉質粘土厚6～9 m，在平面上呈現一定的規模，形成天然鋪蓋，具有良好的隔水效果。樁號0+000以外壩體及壩基上亦覆較厚粉質粘土，對壩體及壩基防滲有利。故大壩體及壩基礎處理樁號為0+200～3+650。大壩壩體及壩基截滲處理方案可選擇水平防滲和垂直防滲方案[2-6]。

2.1 方案一：水平防滲

水平防滲采用在大壩上游設置防滲鋪蓋以增長滲徑，降低壩體及壩基滲透比降，控制滲漏量在允許范圍，防滲鋪蓋厚1～2.5 m，寬度50～100 m。經計算，需清淤172 500 m3，回填土方607 200 m3，投資2 074萬元。

防滲鋪蓋可利用天然土層，施工相對簡單，不需要特殊的施工機械，但必須放空水庫，才能徹底進行。但由于本項目為加固項目，水庫長期蓄水后，總會有些淤積，上游庫水難以排干，給鋪蓋施工帶來困難。且地層復雜，地層縱、橫、深不均勻，地基中細～中砂滲透系數為3×10-3cm/s，粗礫砂含卵石滲透系數為1×10-2cm/s，滲透系數太大，壩體及壩基滲流已不符合達西定律，而類似于管道的壓力流，滲徑已不起作用。

2.2 方案二：垂直防滲

1)槽孔混凝土防滲墻。槽孔混凝土防滲墻有效截斷壩體及壩基滲透水流，減小滲流坡降、出逸坡降和滲流量。采用槽孔混凝土防滲墻厚0.30 m，墻底入基巖1.0m。軸線布置在大壩中心線，采用泥漿固壁，薄型抓斗成槽。共需成墻97 594 m2，其中壩體47 641 m2，壩基49 953 m2，投資2 456萬元。

槽孔混凝土防滲墻是利用專用的造槽機械設備營造槽孔，并泥漿固壁，用導管在注滿泥漿的槽孔中澆注混凝土并置換出泥漿，筑成墻體，以達到透水體防滲加固的目的，適用于粘性土、砂層和砂礫石層，是透水體防滲處理的一種有效措施。施工不受庫水位影響，成墻工效較高，施工方法成熟，但施工臨建工程量較大，工藝環節較多，要求有較高的技術能力、管理水平和豐富的施工經驗。成墻厚度均勻連續，耐久性好，防滲效率高，檢測手段簡單直觀，工程質量易于控制和保證。

2)高壓噴射灌漿法。高壓噴射灌漿法是利用射流作用切割摻攪地層，改變原地層的結構和組成，同時灌入水泥漿或復合漿形成凝結體，借以達到加固地基和防滲的目的。

在高壓噴射灌漿施工方法中，有旋噴、擺噴和定噴三種方法，旋噴噴射時，噴嘴一邊提升一邊旋轉，形成柱樁凝結體；擺噴噴射時，噴嘴一邊提升一邊擺動，形成亞鈴狀凝結體；定噴噴射時，噴嘴一邊提升一邊噴射，噴射方向始終固定不變，形成板狀凝結體。

定噴是噴射流固定在一個方向噴射，能量集中，自上而下強行切割地層形成一條溝槽，較大顆粒被射流擠壓沖擊在溝槽周邊，溝槽內被漿液或漿液與土中的細顆粒所充填，因而形成質地均勻的板體。旋噴是噴射流沿著自下而上和旋轉的復合作用切割地層，在切割摻攪、升揚置換、充填擠壓、滲透凝結，位移袱裹作用的同時，還有旋轉離心力和重力作用，柱狀凝結體橫斷面上土粒是按質量大小排列的，小的在中間，大顆粒多集中在外側，進而形成了漿液主體層、攪拌混合層、擠壓和滲透層(無粘性土)，其性能中間與外圍有所差異，擺噴的凝結體則介于定噴與旋噴之間。本次設計選用旋噴方法。

本工程擬采用三管噴射旋噴方法成墻，混凝土防滲墻的允許水力坡降為80，最大承受水壓為22.8 m(按正常蓄水位計算)，則要求的成墻有效厚度為0.291 m；按單排孔布置，孔距1.0 m，成墻有效厚度為0.30 m；防滲墻中心線與原均質壩中心線同軸；墻頂伸入壩體按3.0 m計，墻底入基巖深度按1.0 m計，壩體及壩基灌漿成墻，墻頂至壩頂泥球封孔。

本工程共需高壓旋噴灌漿孔進尺99 916 m，灌漿67 220 m。

壩體及壩基高噴灌漿與槽孔混凝土`防滲墻比較詳見表1。大壩滲流計算采用有限元二維穩定滲流計算方法，計算軟件選用北京理正軟件設計研究所研究開發的《理正巖土計算5.11版》計算。基巖滲流按多孔介質，土層滲透性按各向同性考慮。大壩斷面外輪廓以實測最大壩高斷面為準，壩基形狀及邊界以地質鉆探資料為準。計算滲流工況見表2，大壩各圖層滲透系數見表3。吉河水庫大壩最大橫斷面圖見圖2，大壩現狀滲流流網圖見圖3，按照兩種方案進行設計，其滲流流網圖見圖4、圖5。

表1 壩體及壩基高噴灌漿與槽孔砼防滲墻比較表

表2 大壩滲流計算工況

表3 計算采用的大壩各土層滲透系數表

圖2 吉河水庫大壩現狀最大斷面橫斷面圖

圖3 吉河水庫大壩現狀穩定滲流等勢線圖

圖4 吉河水庫大壩設水平鋪蓋穩定滲流等勢線圖

圖5 吉河水庫大壩設垂直防滲穩定滲流等勢線圖

經比較，水平防滲雖然施工簡單，投資較省，但考慮到防滲鋪蓋需空庫，施工時段較長，且地層復雜，地層縱、橫、深不均勻，地基中細～中砂滲透系數為3×10-3cm/s，粗礫砂含卵石滲透系數為1×10-2cm/s，滲透系數太大，壩體及壩基滲流已不符合達西定律，而類似于管道的壓力流，滲徑已不起作用。

經計算，大壩現狀滲透坡降0.25，滲流量2.54 m3/d，采用水平防滲后滲透坡降為0.17，滲流量為1.23 m3/d；采用垂直防滲后滲透坡降為0.01、0.09 m3/d。根據計算結果分析，只有做垂直防滲才能有效的截斷壩體及壩基滲透水流，防止滲透破壞。

因此采用垂直防滲方案優于水平防滲方案，而垂直防滲方案中，槽孔混凝土防滲墻方案又優于高壓噴射灌漿方案，綜合考慮推薦采用槽孔混凝土防滲墻處理壩體及壩基滲漏問題。

根據吉河水庫的實際工程條件，從適用條件、防滲效果、施工條件、成墻效果和對環境的影響及工程投資等方面綜合比較，壩體及壩基垂直防滲采用槽孔混凝土防滲墻是合理的，亦是可行的。

3 實施、成效及建議

該工程按照垂直防滲的槽孔混凝土防滲墻方案實施，滲墻軸線總體布置在大壩中心線。防滲墻施工平臺寬度為9.0～10.0 m，由于現狀壩頂寬度為4～5 m，不滿足施工平臺寬度要求，結合防浪墻設計壩頂開挖至高程146.06 m，局部加寬，保證平臺寬度9.0 m，墻頂高程同平臺高程146.06 m。

防滲墻設計強度C5、墻體滲透系數小于10-6cm/s，抗滲標號不小于P8，混凝土抗壓強度不低于10 MPa。混凝土配合比根據現場試驗確定，每平方米防滲墻用料為：水泥375 kg，中粗砂580 kg，卵石1 075 kg，水灰比0.65,混凝土坍落度控制在18～22 cm，擴散度控制在36～40 cm。

抓斗成墻法配套起重施工機械為40 t級。

防滲墻導向槽深1.5 m，槽凈寬0.5 m，采用泥漿固壁，且保持漿面不得低于導墻頂10 cm。薄型抓斗成槽，分兩序槽孔施工，槽孔長度一序槽8 m，二序槽6 m。防滲墻施工工藝為：修筑導墻和施工平臺劃分槽段→抓取一期槽孔→下設接頭管→澆筑混凝土→抓取二期槽孔→澆筑混凝土。墻段連接采用接頭管法施工，即在一序槽孔澆筑前，于槽孔兩段下設φ300 mm鋼管。在混凝土澆筑過程中，每2 h活動一次接頭管，混凝土凝結10 h后拔出接頭管。二期槽孔挖好后，用鋼絲鉆頭刷洗兩端的一期槽混凝土及泥皮，保證兩期槽段混凝土結合緊密。

本工程防滲墻經過近半年的施工，順利完成。工程于2010年9月主體工程驗收，運行記錄顯示，滲流量減少了70%～80%，壩體及壩基未見滲透現象，加固前壩腳局部地段呈沼澤狀的地表土干燥固結。各種現象表明本工程的滲控措施是合理的，同時也是經濟的。

實際施工過程需注意以下2點：

1)液壓抓斗施工時，遇到細砂、粉細砂層需嚴格控制泥漿比重，否則容易出現“縮孔”、“吸斗”現象，導致成孔寬度縮窄，斗頭無法拔出；

2)液壓抓斗對于弱風化巖石效果不佳，甚至無法施工，對于中等風化以及強風化均可施工，但效率降低，必要時可配合沖擊鉆施工。

4 結 語

吉河水庫壩體局部存在滲漏現象，壩基范圍極大部分均分布有較厚的細～中砂與粗礫砂，屬中～強滲透性，不僅滲漏量大，且存在滲透變形破壞問題，對大壩的穩定不利，需進行防滲處理。經比較，水平防滲雖然施工簡單，投資較省，但施工需空庫，施工時段較長，且地層復雜，地層縱、橫、深不均勻，滲透系數太大，而垂直防滲能有效的截斷壩體及壩基滲透水流，防止滲透破壞，施工技術和質量也能滿足工程需要，綜合考慮推薦采用槽孔混凝土防滲墻處理壩體及壩基滲漏問題。實際實施后，效果顯著，既減少了滲漏量，減少了經濟損失，又排除了大壩存在多年的險情。

總之，水庫大壩除險加固中，防滲加固是非常重要的環節，在大壩建設中具有長期性和直接性特點，直接危及到水庫大壩的安全與功能的發揮，根據大壩的土體性質，做好防滲加固處理措施，是確保水庫大壩安全運行的必要條件。