小型水库常用防渗加固措施浅析

2011-02-27万志强

陕西水利 2011年4期

万志强

（榆林市榆阳区防汛抗旱指挥部办公室陕西榆林 719000）

1 榆阳区水库现状

榆阳区是榆林市水库较多的地区之一，新中国成立以来共建成中、小型水库80座，这些水库大坝97%以上是均质土坝。现有100万m3以上中、小型水库19座，其中，中型水库5座，小（一）型水库7座，小（二）型水库7座。这些水库在防洪、减灾、农田灌溉、水力发电、乡镇供水、水产养殖、水土保持及水利旅游等方面发挥了巨大的经济效益和社会效益。

榆阳区水库大都建于上世纪六、七十年代，年久老化失修，病险问题越来越突出，直接影响水库效益发挥，威胁人民群众生命财产安全。主要体现在大坝填土，土料质量及填筑质量未加控制或控制较差，导致现状坝身填土压实度与干密度偏低，含水量偏大，渗透系数偏大，坝后产生较大面积的渗水、漏水及管涌破坏等问题。经渗流稳定分析，坝基渗流存在安全问题，往往危及大坝安全运行，因此须对大坝进行防渗加固处理。

以下以某小（二）型水库为例，进行常用防渗加固措施的对比选择。该水库坝身和坝基局部存在严重的安全隐患：①由于坝身未经碾压或碾压不彻底，填筑质量差，固结效果不明显，且层厚差异较大，碎石含量较多的部位，土质结构松散，其防渗能力较差，给大坝安全带来一定隐患。②经现场检查发现，大坝现状坝基、坝脚以及坝体与山坡结合部位散浸、渗漏现象严重，并有一处集中渗漏点，坝脚下游滩地有沼泽化现象。防渗范围从0+000～0+035和0+039～0+206，长度 202m；0+035～0+039 范围内，涵基开挖至原坝基线1m，用水泥含量为15%的水泥土回填，涵洞上部开挖后粘土回填并碾压，压实度不低于0.96。

2 大坝防渗加固措施

2.1 大坝防渗措施方案

根据目前的施工技术水平，并结合当地工程地质条件，选择混凝土防渗墙、冲抓套井粘土井柱防渗墙、多头小直径深层搅拌造墙防渗等3种方案。

表1 大坝防渗加固方案投资比较表

2.1.1 混凝土防渗墙

（1）方案布置

沿坝轴线方向在坝中布置塑性混凝土防渗墙，防渗墙墙顶高程67.60m，墙体穿过坝基，伸入原地面以下2.0m，形成一道完整的防渗体系，以控制坝体坝基渗流，降低坝体浸润线，防止坝体产生渗透破坏，最大成墙深度约15.00m，墙体厚度0.30m。

混凝土防渗墙的设置，减小了坝下承压水头，大大降低了下游坝体浸润线，增强大坝下游坝坡抗滑稳定性。其特点为：a)适用性广：几乎可适应于各种地质条件，从松软的淤泥到密实的沙卵石，甚至漂石和岩层；b)适用性强：深可达100m左右；c)与其他防渗措施相比，混凝土防渗墙耐久性较好，防渗效率较高，安全、可靠；d)施工条件要求低；e)成本较高。

（2）防渗墙厚度

混凝土防渗墙厚度按公式：

式中，△H——最大上下游水头差(m)，上游最高洪水位66.98m，坝轴线下游尾水位54.60m，△H=12.38m；

J——混凝土防渗墙允许水力坡降，按有关资料取J＝80；

则混凝土防渗墙厚T≥△H/J=0.15m，结合施工机械等因素取0.30m。

（3）防渗墙材料

防渗墙采用普通混凝土，其物理力学指标要求如下：

抗压强度：R≥15.0MPa；

弹性模量：E＜24GPa；

坍落度 18cm～22cm；

扩散度 34cm～40cm；

渗透系数：K＜i×10-7cm/s，(1＜i＜10）；

允许渗透比降：[J]＞80。

混凝土抗渗标号要求为W6，配置普通混凝土材料要求水泥优先采用矿渣硅酸盐水泥，水泥强度等级不小于32.5级，细骨料（砂）要求细度模数F·M＝2.4～2.8，砂率35%～45%，粗骨料（石子）最大粒径不超过20mm～40mm，水泥水灰比为0.6～0.65，水泥用量不小于300kg/m3。

施工时根据设计标号提高30%～40%，再根据防渗强度保证率进行试配。

（4）造孔方法

锯槽法造孔浇注连续墙是上世纪90年代才发展起来的一种新的混凝土连续墙施工技术。已经被广泛应用于黄河、长江大堤的防渗除险加固工程中。该坝体混凝土防渗墙厚度较薄，深度不大，故采用锯槽法造孔。防渗墙底部深入原地面以下2.0m，顶高程67.60m。

2.1.2 冲抓套井回填粘土防渗墙（简称粘土井柱）

本方案是在坝身采用粘土井柱防渗，粘土井柱是在坝轴线附近用冲抓锥造孔，把原坝身杂填土抓出，形成直井后，回填粘土，经夯实后形成一道连续的粘土心墙，夯实的同时对井壁周围的填土有一定的压实作用，使其密度增加，渗透系数减少，从而达到增加防渗能力的目的。套孔冲抓粘土井柱防渗墙设计主要包括钻孔的平面布置，孔距孔深，排距及防渗墙的厚度等。

（1）平面布置

自坝顶轴线方向布置防渗墙，顶高程为67.60m，底部伸至原地面线。

（2）粘土井柱防渗墙

套井采用单排布置，在坝轴线上游侧按主、套井相间布置。

（3）粘土井柱防渗墙厚度

式中，T——防渗墙有效厚度（m）；

ΔH——防渗墙承担的最大水头差；

J——防渗墙允许的渗透坡降，粘土为5～8，取 8。

经计算T=0.83m。采用单排套井，则选择的参数：最优套角α为45°，套井半径为0.6m，孔距0.85m，有效厚度为0.85m，满足厚度要求。

（4）防渗墙深度

防渗墙从67.60m高程，经人工填土层（坝体）伸至原地面线。最大深度13.00m。

（5）粘土井柱施工

粘土井柱施工采用单排布置，井柱中心线在坝轴线位置，按一主一套相间布置连成井墙，先打主井1、3号井，回填后再打2号井，回填后再打5号井，回填后再打4号井，以此类推。

2.1.3 多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙

多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙技术是运用特制的多头小直径深层搅拌桩机把水泥浆喷土体，同时钻头旋转搅拌，使喷入土层的水泥浆液与原土充分拌和在一起，形成抗压强度比天然土强度高得多，渗透系数较小，并具有整体性、水稳定性的桩柱体。将桩柱体互相搭接成一列，形成连续墙体起到截渗作用。

式中，△H——最大上下游水头差12.38m；

J——水泥渗透破坏比降，按有关资料J取80。

混凝土防渗墙厚应不小于T=△H/J=12.38/80=0.15m，结合施工可能带来的垂直偏差，选用桩径为390mm。

2.2 方案选用

以上三种方案在技术上都是可行的，均能够达到控制坝体和坝基渗流，降低坝体浸润线的目的。现对混凝土防渗墙、粘土井柱防渗墙、多头小直径防渗墙三个方案进行技术经济分析比较。三种方案计算各方案的工程量及投资见表1。

混凝土防渗墙的优点是适用性广，几乎可适应于各种地质条件，从松软的淤泥到密实的砂卵石，甚至漂石和岩层，适用性强，深可达100m左右。与其他防渗措施相比，混凝土防渗墙耐久性较好，防渗效率较高，安全、可靠；施工条件要求低。此方案的缺点是：成本较高，工程投资大。

冲抓套井回填粘土防渗墙的优点是套孔回填粘土经压实后，干重度增大，渗透系数减小，防渗效果好，并可下孔检查，保证质量。同时，套孔四周坝体干重度增加，坝体获得加固，且上部采用粘土井柱墙防渗直观可靠，施工质量容易控制，施工方法简单，速度快，有较成功的施工经验。此方案的缺点是施工易受库水位影响，一般在浸润线以上施工，只要采取适当的降水措施，就可满足施工要求。

多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙，该技术成墙价低，取材方便，施工速度快，施工工序少，工效高，成墙耐久性好，且不受库水位的影响。但该法要求施工成桩垂直度较高，由于机械设备、材料供应等原因，不可避免的会造成较长时间的中断，且对于泥夹石不易施工。

综合技术和经济比较结果决定推荐全坝段坝体采用粘土井柱造墙方案。