雷州市水利水电勘测设计室 广东雷州 524200
摘要：及时对病险水库大坝进行防渗加固，保证水库处于安全稳定的运行状态。本文比较选择了水库大坝除险防渗加固的方案，设计并使用了合适的加固方案，对此方案进行布置和设计。计算分析后可知大坝下游坝坡最大出逸渗透坡降比加固前减小，满足大坝渗透稳定性的规范要求，防渗加固的效果显著。
关键词：大坝；除险加固；多头小直径搅拌桩；防渗墙；设计
随着我国经济的不断增长，生产和生活对资源的需求量增加，水库大坝的建造施工项目越来越多。但是一些水库大坝由于年久失修或技术不成熟等原因，存在着坝体渗漏情况严重的问题，影响了水库的正常运行和人们的生命财产安全。如何对其进行防渗加固成为了工作人员需要解决的问题。下面结合实例对此进行讨论分析。
1 工程概况
某水库集水面积30.6km2，总库容2487×102m3，其中库容1456×102m3，是一座以防洪、灌溉为主，结合供水、水产养殖等综合利用的中型水库。
水库工程等级为Ⅲ等，永久建筑物级别为3级，洪水标准采用千年一遇校核、五十年一遇设计。大坝坝址区地震动峰值加速度0.10g，与地震基本烈度Ⅶ度相等，需进行抗震安全的复核。
在水库运行多年来，因为工程建设一直处在特殊的历史时期，一定程度上影响了工程施工质量。虽经多次加固维修，仍然存在多处严重的问题。2007年4月，水利部门组织有关专家对该水库进行安全鉴定，结论为“三类坝”，建议尽快进行除险加固。
2 加固前大坝结构复核
拦河坝为均质土坝，土坝结构复核包括内容为：坝顶高程、坝体边坡稳定和大坝渗流稳定等。本文着重介绍坝体边坡和渗流稳定复核计算。
2.1 土坝边坡稳定复核
大坝为3级建筑物，按照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定，采用计及条块间作用力的简化毕肖普法，计算采用STAB程序。计算断面取最大桩号0+609.30断面（最大坝高断面）。根据稳定分析计算结果（见表1），各种工况下边坡稳定均满足规范要求。
表1 大坝坝身稳定分析计算成果表
运用条件 工况 计算条件 K K允许 正常运用条件 工况1 正常蓄水位，计算形成稳定渗流的下游坡 1.614 1.30 工况2 设计洪水位，计算形成稳定渗流的下游坡 1.827 1.30 工况3 库水位（1/3坝高），计算形成稳定的上游坡 1.898 1.30 正常运用条件I 工况4 校核洪水位，计算形成稳定渗流的下游坡 1.787 1.20 工况5 校核洪水位，计算快速降落至正常蓄水位上游坡 2.140 1.20 工况6 设计洪水位，计算形成稳定渗流的下游坡+地震 1.699 1.15 正常运用条件II 工况7 正常水位，计算形成稳定渗流的下游坡+地震 1.696 1.15 工况8 危险水位，计算形成稳定渗流的上游坡+地震 1.619 1.15 工况9 正常水位，计算形成稳定渗流的上游坡+地震 1.861 1.15
2.2 土坝渗流稳定复核
为了判别本工程大坝的渗流特性，确定坝体浸润线的位置，以及判断土体的渗透稳定性，采用理正渗流分析计算程序，对大坝进行渗流稳定计算。计算采用理正渗流软件，大坝防渗加固前各工况下渗流计算成果见表2。
理论计算结果能满足规范要求。考虑到本次地勘试验结果虽然渗透系数总体不大，但仍有局部较大的数据，并且土样容重差异性很大，说明坝体填筑质量差，据反映，大坝在以往进行灌浆处理时，在新闸边坝顶突然下沉50cm，说明坝体填土均匀性很差，且坝体填土①1的水平渗透系数为2.63×10-4cm/s，大于1.0×10-4cm/s，不满足规范对均质土坝的防渗要求。因此，需对大坝进行防渗处理，杜绝隐患。
表2 渗流计算复核成果表
计算工况 渗流量/m3·d-1·m-1 渗透坡降Jmax 允许渗透坡降[J] 1/3坝高水位 14.50 0.15 0.49 正常蓄水位 15.98 0.33 0.49 设计洪水位 17.80 0.41 0.49 校核洪水位 19.65 0.47 0.49
3 大坝防渗加固设计
3.1 方案比选
本工程水库大坝为均质土坝，最大坝高15.0m，加固工程施工时不能放空水库，施工预降水位为23.50m，坝坡淹没范围比较大，且上游坝坡无宽敞平台用作坝基防渗施工。因此，本工程适合选用坝体垂直防渗方式，在坝顶布置防渗线，防渗体垂直进入坝基相对不透水层。本次除险加固设计选用3种方案进行比较（见表3）。
表3 大坝防渗加固处理方案比选表
比较 项目 多头小直径 搅拌桩 高压喷射灌浆 塑性混凝土防渗墙 应用 条件 适用的土层以粘土、粉质粘土、密度中等以下的砂层，不适用于大砂砾石层和硬土层，施工不受地下水位的影响 使用范围广，施工简便，机动灵活。固结体的形状可以控制，有较好的耐久性，无需对底层进行开挖，可在水上对水下隐患进行处理，板墙物理力学指标可认为通过浆液予以调整。 适用性广，适用于各种地质条件。实用性较强。对底层适应能力更强，墙厚和墙深的范围更广，防渗效果和耐久性更好，工程质量更可靠。 施工 质量 使各幅钻孔更能安全搭结形成连成一体的墙体，使排柱式水泥土地下墙的连续性、均匀性都有大幅度的提高。 受底层、施工工艺等条件的影响较大，桩形有时候不够规范，墙体之间的搭结可能出现开叉。成墙的检测难度大，墙体厚薄不均。 防渗墙接头的连接性技术已有很大的进步，成墙防渗效果好，安全可靠。现场施工检查相对直观，成墙检测难度不大。 施工条件 施工平台要求6-8米，施工场地要求不高，无需开槽，采用多头机械施工，施工进度快。 施工平台要求较小，无须护壁泥浆和混凝土制作浇筑系统，但对于比较小的防身土体断面结构，摆喷容易造成浆液流失，对墙体质量控制不利。 施工场地要求较宽，噪音小、震动小，可在较复杂的条件下施工，可昼夜施工加快进度，有利于施工组织。需要泥浆护壁。 经济 比较/元·m-2 150 230 270
方案一：多头小直径搅拌桩方案。本方案布置为沿坝轴线布置钻孔，墙体有效厚度为35cm，进入相对不透水层不小于1.0m。
方案二：高压喷射灌浆方案。本方案高喷灌浆采用三管法高压摆喷方式，搭接型式为微摆型，沿坝轴线布置一排喷射孔，孔距1.60m。高压喷射灌浆在坝头分别向两岸延伸10m，以截断绕坝渗流。
方案三：塑性混凝土防渗墙方案。本方案墙体允许水力梯度为[J]=60，按最大水头15m计算，采用墙厚0.3m。混凝土防渗墙分别向两岸延伸10m，以截断绕坝渗流。
经比较，多头小直径搅拌桩的施工过程比较简单，施工质量易于控制，并且工程造价远低于后两个方案。因此，本次设计推荐方案一为本工程选定方案。
3.2 防渗方案布置
在坝顶防渗墙后1.2m处布置水泥搅拌桩防渗墙，防渗墙轴线长度1118.64m，采用多头小直径搅拌桩施工成墙，墙体最小厚度0.35m。防渗墙面积1.41万m2，最大深度15.60m。墙体需穿透坝体与坝基接触带，并深入相对不透水层1.00m。
对于涵洞段，考虑到受涵洞加固施工的影响，该段防渗墙在开挖拆除老涵管后进行施工。新建涵管的截水环与下部及两侧防渗墙联结形成封闭的防渗体。为了防止涵管变形对防渗墙的影响，涵管在防渗墙上下游均设置变形接头。涵管上部采用回填粘土+复合土工膜防渗，从而和坝体防渗墙形成整体。土工膜与下部及两侧防渗墙采用柔性连接。土工膜规格为二布一膜（200/0.5/200）。
3.3 防渗墙设计
3.3.1 墙体厚度估算
t≥H［/J］
式中：H——防渗墙最大作用水头，取10.2m；
J——防渗材料允许水力比降，水泥土搅拌桩取80。
根据防渗墙抗渗及耐久性要求，结合搅拌桩机的钻头直径和成墙厚度，水库防渗墙厚度为0.35m，满足一般平原水库的水头要求。
3.3.2 技术参数要求
多头小直径搅拌桩防渗墙墙体质量技术参数要求如下：
（1）防渗墙体渗透系数K≤A×10-6cm/s（1≤A≤9）；
（2）无侧限抗压强度R28≥1.0MPa；
（3）允许渗透破坏比降J≥80；
（4）垂直度不大于1/200；
（5）水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺入比不小于15％，浆液水灰比0.5-1.0，水泥掺入量和水灰比具体参数据现场试验确定。
4.3 渗透稳定计算
计算方法同加固前渗透稳定计算，水泥搅拌桩
防渗墙渗透系数取为1×10-6cm/s。渗透稳定计算结
果见表4和计算简图1-4。
表4 加固后渗流计算成果表
计算工况 逸出点高程/m 渗流量/m3·d-1·m-1 浸润线出逸坡降 允许渗透坡降[J] 1/3坝高水位 14.5 0.12 0.09 0.49 正常蓄水位 15.0 0.32 0.23 0.49 设计洪水位 15.52 0.34 0.25 0.49 校核洪水位 15.92 0.39 0.28 0.49
图1 加固后1/3坝高水位渗流等势线图
图2 加固后正常蓄水位水位渗流等势线图
图3 加固后设计洪水位水位渗流等势线图
图4 加固后校核洪水位水位渗
流等势线图
由计算结果可知，在各种计算工况下，大坝下游坝坡最大出逸渗透坡降均较处理前减小，最大出逸渗透坡降为0.28，小于土的允许渗透坡降0.49，大坝渗透稳定满足要求。由表5推算，经过防渗处理后，防渗处理效果明显。因此，说明所采取的防渗处理方案对大坝渗透稳定和防渗是有效的，通过防渗加固处理，能够消除危及大坝安全的隐患。
4.4 搅拌桩防渗墙施工
水库大坝搅拌桩防渗墙施工使用型号为MSMTW-53230的搅桩机，5轴，钻杆中心有孔，可注浆或注气，中心距320mm，钻头直径353-460mm。本工程钻头直径选用440mm，有效成墙厚度35cm，单幅成墙长度1280mm。
大坝搅拌桩防渗墙施工采用“两搅两喷，一次成墙”施工工艺。搅拌桩固化剂采用P.O42.5水泥，据现场试验确定水泥掺入量（占天然土重的百分比）15%，水灰比0.5。下沉钻进速度0.6-1.0m/min，提升速度为钻进速度的1.5倍；搅拌钻杆（轴）转速约60r/min；喷浆压力控制在1.0-1.4MPa，喷浆量控制在30L/min，搅拌次数为2；搅浆时间＞3min；深度误差不允许超过±10cm，桩径偏差＜4%，孔位偏差＜5cm。
5 结语
综上所述，该水库除险防渗加固工程完成后，从监测资料来分析，坝体的渗漏情况明显好转，大坝运行比工程前更加稳定，防渗墙起到了较好的效果，符合设计要求。这说明了采用多头小直径搅拌桩加固土坝防渗墙，不仅成本低，而且防渗效果好，在水库大坝防渗加固工程中值得推广应用。
参考文献：
[1]刘芸华，史小平.病险水库大坝防渗加固砼防渗墙设计要点[J].江西建材，2014年第4期.
[2]朱祖友.水库大坝除险加固防渗设计处理分析[J].黑龙江水利科技，2013年第10期.
论文作者:邱大
论文发表刊物:《基层建设》2015年12期
论文发表时间:2016/11/10
标签：防渗墙论文; 大坝论文; 防渗论文; 水库论文; 工况论文; 洪水位论文; 稳定论文; 《基层建设》2015年12期论文;