某水库大坝防渗方案的讨论

 1 工程背景 

　　本次设计根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000确定工程规模。按加固后校核水位相应库容（1935万m3）大小划分工程等级为Ⅲ，工程规模为中型。主要建筑物包括：主坝、副坝、溢洪道、输水涵管、进、出水闸等为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物级别为5级。主坝的设计洪水标准为p＝2％（重现期为50年），校核洪水标准为p＝0.1％（重现期为1000年）。大坝最大坝高14.6m，目前主要存在问题为渗漏严重，后坝坡发现多处渗漏点；且由于建坝时清基不彻底，存在接触渗透的可能。所以，结合以上情况来选择经济合理的垂直防渗加固措施。 

　　2 设计基本资料 

　　2.1 特征水位及洪峰流量 

　　校核洪水位：14.63m； 

　　设计洪水位：13.77m； 

　　正常水位：12.00m； 

　　死水位：5.0m； 

　　2.2 水文气象 

　　多年平均气温 21.88 ℃； 

　　最高年平均气温 22.5℃； 

　　最低年平均气温 21.4℃； 

　　多年平均降雨量 1973mm； 

　　最大年降雨量 2677 mm； 

　　最小年降雨量 894mm； 

　　多年平均蒸发量 1570mm； 

　　最大年蒸发量 2040mm； 

　　最小年蒸发量 1310mm。 

　　风速风向：对工程不利的主要风向NE，相应年最大10min平均风速为9.46m/s。 

　　2.3 坝基和坝体土料物理力学指标如下表： 

　　注：现坝体土的C、Ф值是坝体所取51个土样的小值平均值，抗剪强度指标为慢剪，详见地质勘测报告 

　　2.4 地震设防烈度 

　　根据《中国地震动参考数区划图》GB18306―2001，本水库地震动峰值加速度为0.10g，相应地震列度在Ⅶ度地震区，因此本工程按Ⅶ地震烈度设防。 

　　3 大坝加固设计方案 

　　3.1 大坝防渗设计方案选择 

　　根据本水库周边土料场调查的情况，本区域缺乏充足的斜墙土料场，受材料的制约，水库不宜采用粘土斜墙方案。土工膜有容易破裂，容易脆裂，老化问题和化学腐蚀等缺点，水库不宜采用土工膜方案。本次设计的防渗加固方案主要在坝中防渗方案中选取。 

　　目前国内常运用的大坝坝中防渗加固方案主要有冲抓套井、劈裂灌浆、高压喷射灌浆、砼防渗墙等。冲抓套井可以再造土质防渗墙，适用于局部堵漏；劈裂灌浆可以在坝中心线上将坝体劈开，浆液渗入缝中形成防渗幕墙；高压喷射灌浆可用高速液（气）流切割、破碎坝体（基），水泥浆与坝体（基）材料混合后凝固成防渗体；砼防渗墙采用置换办法在坝体（基）内形成一道砼防渗墙。 

　　从各加固方案在国内的运行上看，冲抓套井形成防渗体后，由于新防渗体与坝体沉降不同步形成拱效应使新防渗体易形成细微裂缝影响防渗效果，近年来运用不多；劈裂灌浆造价低，但形成的防渗幕墙太薄，且做到强风化层有难度，防渗效果有限；砼防渗墙根据墙体深度，成槽工艺较多，各种成墙深度均有适宜的成槽工艺，在国内运用普遍。高压喷射灌浆也有较好的防渗效果。 

　　根据本工程的地址情况，结合当地的施工水平，现对坝体防渗采取塑性混凝土防渗心墙或高压旋喷灌浆方案进行比较。 

　　3.2 塑性混凝土防渗心墙设计 

　　根据本工程的地质情况，确定塑性混凝土防渗心墙深度贯穿全风化板岩层。 

　　塑性混凝土防渗心墙是利用专用的造槽机设备营造槽孔，并在槽孔内注满泥浆，以防孔壁坍塌，最后用导管在注满泥浆的槽孔中浇注塑性混凝土并置换出泥浆，筑成柔性墙体。 

　　参考《中国堤坝防渗加固新技术》，防渗墙厚度与防渗墙体内的水力坡降最大允许值有关。防渗墙厚度可用下式计算： 

　　式中， ――墙体体内的允许水力坡降，本设计将塑性混凝土防渗心墙的渗透系数设计指标定为10-7cm/s，对应允许水力坡降值500。 

　　 ――作用在防渗墙上的最大水头差，本工程加固后校核水位为14.63m，坝基处防渗墙对应水头为12.70m。 

　　K――抗渗坡降安全系数，一般取3～5，本次设计取5。 

　　将数据代入公式可计算得需要达到的防渗墙厚度T=0.18m。考虑到如采用较薄的防渗墙，目前国内的施工工艺水平难以保证工程质量，并参照国内已有的实际工程，设计采用厚度T=0.30m。 

　　施工使用射水法成槽，沿着坝轴线布置，一次成槽宽度2000mm，形成塑性混凝土防渗心墙的有效厚度为0.30m。防渗墙总长度为435m。 

　　3.3 高压旋喷防渗墙设计 

　　高压旋喷防渗墙深度与塑性混凝土防渗墙相同，深度贯穿全风化板岩层。 

　　高压旋喷防渗墙厚度的计算过程与塑性混凝土防渗心墙相同，设计厚度采用T=0.30m。 

　　根据坝体及水头都不是很高的实际情况，本次设计喷射方法为三管法，孔距为1.2m，孔径为1.25m，高压旋喷防渗墙有效厚度可达0.3m。 

　　3.4 防渗方案的选择 

　　现对塑性混凝土防渗心墙、高压旋喷灌浆两种防渗方案进行比较，详见表2。 

　　方案比较 方案一：塑性混凝土防渗心墙 方案二：高压旋喷灌浆 

　　适用范围 适用于多种地质条件，如砂土、砂壤土、粉土以及直径小于10mm的卵砾石土层，适用于集中处理已查清问题来源的，处理范围不宜太大。 只要高压射流能破坏的地层如细砂、特细砂、粘性土均可处理。尤其适用夹杂于地层中的各类土。 

　　施工条件 施工条件要求宽，可昼夜施工，加快施工速度。一般要求在枯水季节水库低水位时进行，以加速泥浆固结，保证土坝安全。 相对成槽法造墙工艺来讲，高压喷射灌浆无需护壁浆液和混凝土制作浇注系统，其对施工场地的要求不高。 

　　工作原理 通过混凝土墙体的弱透水性，阻隔坝体渗漏。 借助于高压射流冲切掺搅地层，浆液只是在高压射流作用范围内扩散填充，有着较好的可灌性和可控性。 

　　施工工艺 有多种施工工艺，主要设备为造孔设备和浇注设备。本次设计造槽采用射水法。 高压喷射灌浆成套设备共分造孔、供水、供气、供浆、喷灌等五大系统和其他配套设备等六个部分。 

　　造价 172万元 306.25万元 

　　防渗效果 其防渗系数可达到10-7m/s以下，效果良好。破坏水力坡降大。 渗透系数可小至10-7m/s，效果较好。 

　　塑性混凝土防渗心墙造价较低，且防渗效果较好，其渗透系数随着时间的增长而降低，两年后一般可降低到28d渗透系数的1/10～1/100，破坏水力坡降可以达到500以上，如控制好施工质量，建成后可彻底解决坝身渗漏问题。施工工艺和施工设备均比较简单，且库水位骤降时心墙下游面不会产生顶托作用。 

　　通过以上综合比较，本工程大坝坝体防渗采用塑性混凝土防渗心墙加固措施。 

　　由于大坝建设时清基不彻底，大坝坝基部位存在接触渗漏的可能，是大坝渗流安全的隐患。坝基及坝肩基岩为板岩、花岗岩。根据全风化和强风化板岩的钻孔注水试验揭露坝基为中等透水岩层，故对主坝坝基采取帷幕灌浆加固措施，以透水率小10Lu的位置为相对不透水层，帷幕深度要求深入不透水层（w＜10lu）下5m。设计孔距为2.00m。 

　　主坝的岩基虽然属于中强透水性，但地质条件比较简单，且坝工设计对基础没有特殊要求，故帷幕灌浆组成选用为单排钻孔数。钻孔位置沿着坝体轴线布置，即帷幕位于塑性混凝土防渗心墙下面，两者形成坝体和坝基的垂直防渗体。并沿着坝轴线到达两岸，帷幕总长度为435m。 

　　参考文献： 

　　[1]《中国堤坝防渗加固新技术》 白永年著 中国水利水电出版社 

　　[2]《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000 

　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文