某小(二)型水庫大壩滲漏問題及處理措施研究

叢雙芝

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司,遼寧 沈陽 110003）

1 大壩工程及病害情況

水庫于1965 年由縣水工隊(duì)設(shè)計(jì)，并于1967 年完成小（二）型水庫規(guī)模，壩高17 m，庫容38 萬m3。后經(jīng)1974年擴(kuò)建壩高至21 m。1979 年再次擴(kuò)建，于1983 年竣工，壩高28.4 m，壩頂長129 m，壩頂寬4m，總庫容154 萬m3。

經(jīng)現(xiàn)有資料和現(xiàn)場地質(zhì)勘察可知，大壩存在的主要問題如下：

壩體：壩土經(jīng)鉆孔注水試驗(yàn)及室內(nèi)滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)局部壩體滲透系數(shù)稍大。壩體存在上壩土料不均、夯壓不密實(shí)的情況。大壩有潮濕浸水，潮濕浸水面積112.6 m2。

壩基：壩基分布白堊系高豐寺組淺灰色厚層狀細(xì)粒長石石英砂巖和泥巖，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化狀態(tài)，石質(zhì)堅(jiān)硬。巖體呈單斜展布，傾向225°～243°、傾角82°～87°，壩基部位無斷裂構(gòu)造及傾向下游的緩傾角裂隙，壩基穩(wěn)定。原筑壩時(shí)對壩基采用截水槽防滲形式，截水槽寬10 m，槽深3.0m，已達(dá)基巖，截水槽部位的第四系堆積物已經(jīng)被清除。經(jīng)壓水試驗(yàn)，壩基巖石透水率：最大36.6 Lu～48.7 Lu、一般23.5 Lu～38.1 Lu、最小16.9 Lu～17.4 Lu，巖體透水性不均，存在壩基滲漏。

左壩肩：出露灰白色、紫紅色長石石英砂巖夾泥巖，強(qiáng)風(fēng)化巖石破碎，巖體完整性差，巖體呈弱風(fēng)化時(shí)巖體完整性稍好，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD值0～5%，巖層走向與軸線呈小角度斜交，微傾向庫內(nèi)。左岸傾角較陡83°～87°，為一層狀結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡，左壩肩巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性差，常有碎塊狀坍塌物，原筑壩時(shí)由于壩肩結(jié)合槽開挖較淺，結(jié)合部松散坍塌物的存在，壩肩有繞壩滲漏。巖體透水率38.1 Lu～76.8 Lu,左壩肩巖體存在繞壩滲漏。

右壩肩：出露灰白色、紫紅色砂巖、泥巖，巖體呈弱風(fēng)化，壩肩巖石破碎，完整性差，巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD值5%～11%，巖層傾角81°～87°，巖層呈中厚層層狀結(jié)構(gòu)，壩肩穩(wěn)定，透水率16.9 Lu～48.7 Lu，山體雄厚，由于壩肩結(jié)合槽開挖淺，結(jié)合部松散坍塌物的存在，右壩肩有繞壩滲漏。

2 壩體加固方案

2.1 防滲方案比較

目前在處理壩體防滲時(shí)，可進(jìn)行混凝土防滲墻和壩體充填灌漿結(jié)合壩基帷幕灌漿兩種方案比較，選擇適合該壩體的防滲加固方案。

①砼防滲墻

砼防滲墻是在松散透水地基中連續(xù)造孔，以泥漿固壁，往孔內(nèi)灌注混凝土而建成的墻形防滲建筑物。它是對壩在松散透水地基中進(jìn)行垂直防滲處理的主要措施之一，防滲墻按分段建造，一個(gè)圓孔或槽孔澆筑混凝土后構(gòu)成一個(gè)墻段，許多墻段連成一整道墻。墻的底部嵌入基巖或相對不透水地層中一定深度，即可截?cái)嗷驕p少地基中的滲透水流，對保證地基的滲透穩(wěn)定和壩安全，充分發(fā)揮水庫效益有重要作用。它也可作為土石壩中的防滲心墻，還可用以加固滲漏嚴(yán)重的土石壩。

砼防滲墻使用性較廣，適用于各種地質(zhì)條件；施工條件要求較寬，地下連續(xù)墻施工時(shí)噪音低，震動(dòng)小，可在復(fù)雜條件下施工，比較安全、可靠。但也存在問題，如有些造孔成墻技術(shù)對槽孔之間的接頭和墻體下部開叉問題難以徹底解決；相對來講，施工速度較慢、成本較高。

②壩體充填灌漿結(jié)合壩基帷幕灌漿

用灌漿的方法處理堤壩壩體的裂縫和滲漏，已有幾十年的歷史，迄今為止，全國已有近千座土石壩通過灌漿脫險(xiǎn)，技術(shù)成熟可靠。本方案采用單排孔直線布置，孔距2.0 m，分三序沿老壩軸線均勻布置，中部孔深至壩基砂層頂面、兩壩肩、壩基采用帷幕灌漿接長，組成一道完整的防滲體系，工程投資106.07 萬元。

兩種方案均能達(dá)到控制滲流的目的，其中砼防滲墻防滲效果較為可靠，但施工難度大，技術(shù)要求高，防滲墻方案投資達(dá)153.17 萬元 ；充填灌漿防滲效果雖稍差于砼防滲墻方案，但運(yùn)用較為廣泛，技術(shù)上較為成熟，總進(jìn)尺2543.6 m，投資106.07 萬元，比砼防滲墻方案的少47.1 萬元。該水庫因建設(shè)年代較早，受施工條件限制，大壩填筑材料不均勻，密度不均勻，滲透性不均勻，加之滲徑過短，壩體強(qiáng)度低，大壩進(jìn)行防滲處理后，仍需大壩下游壩坡進(jìn)行排水處理。因而采用充填灌漿方案接合壩體排水處理等措施已能達(dá)到除險(xiǎn)加固的目的，而不必采用砼防滲墻，且總投資相對較低，符合經(jīng)濟(jì)合理性原則。因此大壩防滲處理采用壩體充填灌漿結(jié)合壩基帷幕灌漿方案。

2.2 大壩防滲處理措施

大壩防滲處理采用壩體充填灌漿與壩基帷幕灌漿相結(jié)合的處理方案，灌漿方案處理措施見圖1，方案簡述如下：

1）壩體用充填灌漿，壩基用帷幕灌漿，灌漿孔按單排孔直線布置，灌漿長度168 m，孔距2.0 m。總進(jìn)尺2543.6 m，其中，壩土段1324.5 m，基巖1219.1 m。

2）壩基帷幕深度深入基巖13 m～15 m，壩土充填灌漿深度為壩頂至基底，與壩基接觸帶段長5 m，其它段長5 m～7 m，總段長大于7 m的分兩段，小于7 m的做一段灌注。

3）灌漿施工分Ⅲ序進(jìn)行，施工順序?yàn)椋孩裥蚩住蛐蚩住笮蚩住鷻z查孔，壩基帷幕灌漿由上而下分段灌漿，壩體充填灌漿由下而上分段灌漿。

4）漿液濃度變換遵循由稀到濃逐級變換的原則，按《土壩壩體灌漿技術(shù)規(guī)范》（SD 266-88）[2]，《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》（SL 62-94）[3]執(zhí)行。

5）壩體充填灌漿配合比采用粘土水泥漿容重控制，容重為1.2g/cm3，1.3g/cm3，1.4g/cm3，1.5g/cm3四級，水泥用量為粘土用量20%，與壩基接觸段為粘土與水泥比為3∶1。壩基帷幕灌漿為純水泥漿，水灰比為8∶1，5∶1，3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1。

6）灌漿壓力：壩土充填灌漿孔口壓力0.05 MPa，壩基帷幕灌漿孔口壓力0.05 MPa，全壓力按下式計(jì)算：

式中：D為灌段以上孔深，M為灌段每增加1m允許增加壓力 0.01 MPa～0.015 MPa。

7）單位材料耗量：粘土：250 kg/m，水泥：100 kg/m。

8）灌漿檢查孔按灌漿孔數(shù)的10%布置，灌漿結(jié)束后14 天進(jìn)行灌漿孔的檢查，檢查段長應(yīng)比實(shí)際灌漿段短1m，在被檢查段注入容重1∶2粘土漿，初始10 min內(nèi)注入量不超過10 L認(rèn)為合格。

圖1 灌漿方案處理措施圖

3 大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算

3.1 基本參數(shù)的確定

該水庫除險(xiǎn)加固前大壩處于穩(wěn)定狀除險(xiǎn)加固后特征水位發(fā)生變化，現(xiàn)復(fù)核特征水位改變后大壩的穩(wěn)定性。根據(jù)施工竣工圖及地質(zhì)鉆孔資料揭露，將壩體分為壩體區(qū)、壩基巖、排水棱體、壩前淤積共4個(gè)分區(qū)。壩體土料內(nèi)摩擦角、凝聚力采用小值均值，天然容重、干容重、比重采用平均值。基礎(chǔ)部分根據(jù)地質(zhì)建議參數(shù)取中值。壩料物理力學(xué)取值指標(biāo)計(jì)算值見表1。

表1 壩料物理力學(xué)指標(biāo)計(jì)算值

該水庫為均質(zhì)土壩，水庫現(xiàn)狀壩體鉆孔注水試驗(yàn)滲透系數(shù)在3.88×10-4～5.6×10-3cm/s之間，大于規(guī)范要求的均質(zhì)土壩壩體滲透系數(shù)小于1×10-4cm/s的要求。在大壩的防滲措施中推薦對壩體進(jìn)行充填灌漿處理，壩基鉆孔壓水試驗(yàn)透水率分別為23.5 Lu～5.05 Lu，不滿足規(guī)范要求的小于10 Lu防滲標(biāo)準(zhǔn)的要求，壩基防滲設(shè)計(jì)中推薦對壩基進(jìn)行帷幕灌漿處理。根據(jù)防滲設(shè)計(jì)方案，對灌漿影響范圍單獨(dú)分區(qū)進(jìn)行浸潤線計(jì)算，灌漿影響范圍區(qū)滲透系數(shù)取k=1×10-4cm/s，其它區(qū)域滲透系數(shù)取安全鑒定擬合值，安全鑒定滲流計(jì)算中壩體各區(qū)的滲透系數(shù)的取值是在現(xiàn)場注水試驗(yàn)值的基礎(chǔ)上對實(shí)測浸潤線進(jìn)行了擬合得出，取值合理，見表2。采用的方法是通過北京理正滲流分析軟件有限元法進(jìn)行浸潤線計(jì)算。

表2 浸潤線計(jì)算壩體各區(qū)滲透系數(shù)取值表 單位：cm/s

計(jì)算浸潤線坐標(biāo)見表3。通過計(jì)算表明，壩體浸潤線在排水棱體出逸，壩體滲透形態(tài)正常，因此大壩除險(xiǎn)加固后，壩體浸潤線正常，滲透穩(wěn)定。

表3 計(jì)算浸潤線坐標(biāo)表

3.2 滲透穩(wěn)定

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287-99）[4]，流土的臨界水力比降按下式計(jì)算：

式中：Jcr為土的臨界水力比降；Gs為土的顆粒密度與水的密度之比；n為土的孔隙率，%。

以大壩正常蓄水位時(shí)壩土滲透變形判別得到：Jcr=（2.73-1）×（1-0.37）=1.088。

壩基分布白堊系高豐寺組淺灰色厚層狀細(xì)粒長石石英砂巖和泥巖，取Jcr為1.50。根據(jù)本工程特點(diǎn)及重要性，確定相應(yīng)的安全系數(shù)為2.0，求出允許壩體和壩基的水力坡降分別為壩體：[i]＝1.088/2＝0.544，壩基：[i]=1.50/2＝0.75。

除險(xiǎn)加固后壩體比降≤0.35，小于壩體允許逸出比降，壩基比降≤0.41，小于壩基允許比降。大壩不會(huì)產(chǎn)生滲透變形破壞。除險(xiǎn)加固后正常蓄水為工況下大壩計(jì)算單寬滲漏量為2.01 m3/（d·m），年滲漏量為4.67萬m3，滲漏量較小，因此大壩除險(xiǎn)加固后，大壩滲透穩(wěn)定。

4 結(jié)論

小（二）型病害水庫除險(xiǎn)加固中大壩滲漏直接影響大壩的滲漏穩(wěn)定和蓄水，通過采取合理的滲漏處理措施，既可以保證大壩穩(wěn)定和正常蓄水，還可以節(jié)約工程投資，在大壩防滲中應(yīng)結(jié)合壩體自身情況選擇處理措施，本文所選措施合理，在大壩除險(xiǎn)加固后得到了很好的效果。水庫除險(xiǎn)加固工程于2018年完工，完工后蓄水良好，防滲效果較好。