淺談土石壩壩體防滲技術(shù)

楊玉華

（益陽(yáng)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 益陽(yáng)市 413000）

1 壩體滲漏的成因

由于填筑土壩的土料和砂礫料是散粒體結(jié)構(gòu)，顆粒間存在大量空隙，都具有一定的透水性，水庫(kù)蓄水后，產(chǎn)生上下游水頭差，庫(kù)水通過(guò)孔隙向下游滲透，當(dāng)滲透水流坡降超過(guò)壩體土料和壩基砂礫料允許坡降時(shí)，滲流將逐漸帶走其細(xì)小顆粒，產(chǎn)生有危害性的滲透變形。壩體的滲流控制是保證土壩安全的一項(xiàng)重要措施，一般是在壩體內(nèi)增設(shè)一種防滲效果較好的防滲體，截?cái)鄩误w滲流通道，減小滲流坡降，使其滲透坡降不超過(guò)允許值，保持土壩的滲透穩(wěn)定。同時(shí)結(jié)合采用其它排滲措施，排除滲透水流，進(jìn)一步降低下游壩基的剩余水頭，保持土壩滲流穩(wěn)定。

2 常用壩體防滲技術(shù)

2.1 沖抓套井回填粘土防滲墻

沖抓套井回填粘土防滲墻的機(jī)理，即利用沖抓式打井機(jī)具，在土壩滲漏范圍造井，用粘性土料分層回填夯實(shí)，形成一道連續(xù)的套接粘土防滲墻，截?cái)酀B流通道，起到防滲的目的。此外，在回填粘土夯擊時(shí)，夯錘對(duì)井壁的土層擠壓，使周?chē)馏w密實(shí)，提高堤壩質(zhì)量，從而達(dá)到防滲和加固的目的。該防滲方法的設(shè)計(jì)要點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

（1）套井防滲墻的設(shè)計(jì)。套井防滲墻在平面上按主、套井相間布置，一主一套相交成井墻，如圖1和圖2所示，從降低浸潤(rùn)線(xiàn)考慮，粘土心墻壩或均質(zhì)壩套井盡量布置在壩軸線(xiàn)上游側(cè)。

圖1 單排布孔平面圖

圖2 雙排布孔平面圖

（2）合理確定套井的排數(shù)和排距。套井的排數(shù)，即需要的套井回填粘土防滲墻的厚度，可以根據(jù)滲透計(jì)算確定。確定防滲墻的有效厚度T≥△H/J，T為防滲墻有效厚度，△H為防滲墻承擔(dān)的最大水頭，J為防滲墻允許滲透坡降（對(duì)于粘土一般采用6～8）。

（3）套井深度。根據(jù)壩體填筑質(zhì)量確定，要求做到填筑質(zhì)量較密實(shí)，滲透系數(shù)與防滲墻接近的土層相銜接，并深入壩體填筑質(zhì)量較好的土層內(nèi)（1～2）m。一般造井深度不超過(guò)30 m。壩內(nèi)設(shè)有涵洞時(shí)，為了不影響涵洞質(zhì)量，一般洞頂5 m時(shí)，不要沖擊，而是采用鉆頭自重抓土。

（4）回填土料的選擇?；靥钔亮系馁|(zhì)量是套井回填成功的關(guān)鍵，對(duì)所選料場(chǎng)必須做土的物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)，與原壩體指標(biāo)對(duì)比，加以確定。一般要求是非分散性土料，粘粒含量在 35%～50%，滲透系數(shù)小于10-5cm/s，干密度要大于1.5 g/cm3，干密度與含水量通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。

該技術(shù)適用于30 m以?xún)?nèi)土石壩防滲處理，孔深過(guò)高時(shí)，由于孔徑隨孔深縮小，易于偏斜，回填土套井搭接厚度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的厚度。該技術(shù)成功的關(guān)鍵是施工質(zhì)量，要求井要直，夯要實(shí)，粘土質(zhì)量要好，滲透系數(shù)要小。該防滲技術(shù)施工方法和機(jī)具簡(jiǎn)單易行，工效高，投資省，直觀性強(qiáng)，通過(guò)下井檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可以及時(shí)處理，確保安全。

2.2 高壓噴射灌漿防滲

高壓噴射灌漿是在靜壓灌漿和高壓旋噴灌漿的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。該技術(shù)利用置于鉆孔中的噴射裝置射出高壓水束沖擊破壞被灌地層結(jié)構(gòu)，同時(shí)將漿液灌入，形成按設(shè)計(jì)的方向、深度、厚度的結(jié)構(gòu)形式，與地基緊密結(jié)合，構(gòu)成連續(xù)的防滲帷幕體。

高壓射流與速度和壓力有關(guān)，流速越大，動(dòng)壓力越大，則破壞力就越大，沖切摻攪地層的范圍也越大。漿液是隨高壓射流在低壓條件下進(jìn)入地層，形成充填凝結(jié)體，其主要的作用機(jī)理有沖切摻攪作用、升揚(yáng)置換作用、沖填擠壓作用、滲透凝結(jié)作用、位移袱裹作用等。

該防滲方法的設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）在進(jìn)行高壓噴射灌漿設(shè)計(jì)工作前，要詳細(xì)了解被灌地基土層的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，同時(shí)，對(duì)病險(xiǎn)土壩存在的問(wèn)題，作進(jìn)一步調(diào)查分析，選擇相似的地基，做噴射灌漿圍井試驗(yàn)，為設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)鉆孔孔距和布置形式，結(jié)合試驗(yàn)成果，進(jìn)行設(shè)計(jì)。

高壓噴射灌漿凝結(jié)體物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 高壓噴射灌漿凝結(jié)體物理力學(xué)性能指標(biāo)

（2）根據(jù)以往工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),單排孔布置宜采用孔距為（1.5～1.8）m；雙排孔布置孔距可以適當(dāng)加大，但也不能超過(guò)2.5 m。從開(kāi)挖情況看在相同的施工工藝參數(shù)情況下，在中細(xì)砂、粉砂地層，孔距可以大些；在中粗砂、壤土或雜填土層中，孔距可以小些，在礫卵石及卵漂石孔距可以更小些?？椎妮S線(xiàn)可以布置在壩軸線(xiàn)偏上游。

（3）在灌漿中，采用擺噴形式，交叉折線(xiàn)連接。這種連接形式，防滲性能較好。斜交有兩種形式：一是在先期形成的凝結(jié)體強(qiáng)度不高時(shí)，后期噴射流可以把它沖切割開(kāi)，形成插入連接；二是焊接式連接，即先期形成的凝結(jié)體強(qiáng)度高，噴射流難以將其切割，只能將其表面沖刷剝離潔凈，新的漿液再與之凝結(jié)。這兩種形式連接是緊密的，防滲性能是好的，關(guān)鍵在于噴射作用有效距離以?xún)?nèi)，連接處能量集中，切割或沖刷作用部位的凝結(jié)強(qiáng)度一般較其它部位高，連接牢固。與連接相關(guān)的噴射角度，一般選用20°～30°，分序施工，先噴一序孔，再?lài)姸蚩?，遇到轉(zhuǎn)折處，則孔距和噴射仍要適當(dāng)調(diào)整，以確保轉(zhuǎn)折孔和鄰孔板墻之間的緊密連接。

高壓噴射灌漿較靜灌漿具有顯著的優(yōu)越性，具有更好的可灌性和可控性，而且節(jié)省了灌漿材料。且該技術(shù)適用范圍廣，技術(shù)上可行，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、工效高、造價(jià)比混凝土防滲墻低等優(yōu)點(diǎn)，但目前該技術(shù)沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)、施工和管理運(yùn)行的規(guī)范，在設(shè)計(jì)和施工中隨意性較大，不能做到規(guī)范化。

2.3 混凝土防滲墻

混凝土防滲墻是利用專(zhuān)用機(jī)具，在壩體中建造槽（孔），以泥漿固壁，采用直升導(dǎo)管，向槽孔內(nèi)澆筑混凝土，形成連續(xù)的混凝土墻，起到防滲的作用。對(duì)于處理壩體滲漏的防滲墻，其下部應(yīng)與基礎(chǔ)防滲體相連接。

混凝土防滲墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）混凝土的防滲墻分類(lèi)。按鉆孔形式一般可以分為圓孔和槽形孔，圓形孔是由許多直徑（60～80）cm的混凝土圓柱搭接而成，施工時(shí)，先單孔，再雙孔。其有效厚度為兩柱搭接厚度，一般為樁柱直徑的3/4～3/5。這種孔形由于搭接縫過(guò)多，有效厚度減少，施工煩瑣，要求鉆孔的鉛直度較高，進(jìn)度慢，造價(jià)高，現(xiàn)已很少使用；槽形孔是由許多混凝土板墻套接而成。施工時(shí)先造單號(hào)槽形孔，后建雙號(hào)槽形孔，由單雙號(hào)槽孔混凝土套接成一道墻，槽孔長(zhǎng)度（1.85～38.2）m，在保證造孔安全成墻，質(zhì)量好的前提下，槽孔越長(zhǎng)，套接接縫越少，墻的防滲性能越好。但要求混凝土的供應(yīng)強(qiáng)度越大。

（2）混凝土防滲墻厚度的選擇。混凝土防滲厚度的選擇，應(yīng)根據(jù)滲透穩(wěn)定、施工機(jī)械、水力梯度三個(gè)條件決定。我國(guó)已建混凝土防滲墻的厚度為（0.7～1.3）m，一般厚度為0.8 m。

（3）防滲材料的選擇。防滲材料一般分為剛性材料和柔性材料兩類(lèi)，主要有以下幾種：①純混凝土，我國(guó)一般采用200號(hào)混凝土，抗?jié)B標(biāo)號(hào)B8，允許水力梯度80～100；②鋼筋混凝土，在混凝土防滲墻拉力較大的部位增設(shè)鋼筋承受拉力，可以限制裂縫開(kāi)裂，但相應(yīng)投資會(huì)加大；③塑性混凝土，我國(guó)多數(shù)土壩防滲墻用塑性混凝土，摻粘土30%以?xún)?nèi)，以降低混凝土變形模量，使之與地基彈性模量接近，提高墻的抗拉強(qiáng)度，適應(yīng)地基較大變形；④自凝灰漿，在塑性混凝土發(fā)展基礎(chǔ)上，使用水泥和膨潤(rùn)土摻入少量緩凝劑，制成自凝灰漿，在凝固前可以作為造孔過(guò)程中的固壁泥漿，完工后自行凝固形成墻體，起到防滲補(bǔ)墻的作用。

混凝土防滲墻是一項(xiàng)比較徹底可靠的防滲措施，近年來(lái)防滲體接頭和防滲材料技術(shù)都有了較大的發(fā)展，尤其是在混凝土中加入一定量的粘土或膨潤(rùn)土，可以降低彈性模量，提高抗拉強(qiáng)度，適應(yīng)地基覆蓋層較大變形，同時(shí)，也可以減少水泥用量，降低防滲墻的造價(jià)，擴(kuò)大使用范圍，便于推廣。

2.4 劈裂灌漿

劈裂灌漿機(jī)理是沿土壩軸線(xiàn)小主應(yīng)力面，用一定的泥漿壓力人為地劈開(kāi)壩體，灌注泥漿，利用漿壩互壓，泥漿析水固結(jié)和壩體濕陷密實(shí)作用，使所有與漿脈連通的裂縫、洞穴、砂層等隱患得到填充，擠壓密實(shí)，形成豎直連續(xù)的漿體防滲墻。同時(shí)，由于灌漿壓力在壩體內(nèi)部所產(chǎn)生的應(yīng)力再分配，也能改善壩體的應(yīng)力狀態(tài)，促進(jìn)變形穩(wěn)定。

劈裂灌漿設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）適用范圍。壩體浸潤(rùn)線(xiàn)較高，壩后存在大面積濕潤(rùn)，或有管涌、流土破壞現(xiàn)象；壩體出現(xiàn)不均勻沉陷的橫向裂縫、軟弱帶、透水沙層或較多的蟻穴獸洞等隱患。

（2）灌漿孔的設(shè)計(jì)。確定孔位，要根據(jù)壩體質(zhì)量、小主應(yīng)力分布情況、裂縫及洞穴位置、地形等加以對(duì)待，用不同的灌漿方法提出不同要求，一般分為河床段、岸坡段、彎曲段及其它特殊的壩段。在河床段，一般沿壩軸線(xiàn)或偏上游直線(xiàn)單排布孔，有利于壩體劈裂，形成豎直連續(xù)的漿脈防滲體。對(duì)重要的壩或壩體普遍碾壓不實(shí)，土料混雜，夾有風(fēng)化塊石，存在架空隱患，可雙排或三排布孔，增加土體強(qiáng)度，改善壩體結(jié)構(gòu)和防滲效果。在岸坡段或彎曲段，由于壩體應(yīng)力復(fù)雜，劈裂縫容易沿弧切線(xiàn)發(fā)展，應(yīng)根據(jù)其弧度方向采用小孔距布孔，或采用多排梅花形布置。

（3）壩體灌漿控制壓力的確定。灌漿壓力的確定是影響灌漿大壩安全和灌漿效果的主要因素，也是劈裂灌漿設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的控制指標(biāo)，它與壩型、壩高、壩體質(zhì)量、灌漿部位、漿液濃度以及灌漿泵量有大小等因素有關(guān)，一般可采用公式估算，重要工程，還應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。

（4）壩體灌漿帷幕設(shè)計(jì)厚度。漿體厚度是指灌漿泥墻固結(jié)硬化以后的厚度，確定其厚度，應(yīng)考慮漿體本身抗?jié)B能力，滿(mǎn)足防滲要求，控制壩體變形穩(wěn)定安全以及漿體固結(jié)時(shí)間等因素，全面考慮確定。

（5）漿液的選擇和泥漿析水固結(jié)。選用適宜的泥漿，是保證劈裂灌漿質(zhì)量的關(guān)鍵。原則上宜選用灌入的土料與壩體土料的物理力學(xué)性質(zhì)基本上接近，或者偏粘為宜，這樣泥漿在析水過(guò)程中，能與邊界條件排水能力相協(xié)調(diào)。泥漿灌入壩體后，在未固結(jié)前是一個(gè)薄弱帶，因此，控制劈裂灌漿寬度和固結(jié)時(shí)間，關(guān)系到大壩的安全和水庫(kù)蓄水運(yùn)行，泥漿析水固結(jié)關(guān)系到多種因素，需謹(jǐn)慎對(duì)待。

劈裂灌漿在土壩內(nèi)形成了豎直密實(shí)連續(xù)的防滲墻，并提高壩體的密實(shí)度，增強(qiáng)壩體抗?jié)B性能，是一種適用范圍較廣，技術(shù)性強(qiáng)的防滲技術(shù)。具有施工設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易，能夠就地取材，防滲效果好，工程造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)效果顯著等特點(diǎn)。

3 幾種不同壩體防滲技術(shù)的比較

各種壩體防滲技術(shù)有不同的防滲機(jī)理，也有各自不同的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)，表2比較了上述幾種防滲技術(shù)。

表2 幾種不同壩體防滲技術(shù)比較

4 結(jié) 語(yǔ)

上述4種防滲技術(shù)均能達(dá)到壩體防滲的目的，但隨著各種防滲技術(shù)的發(fā)展，單一的防滲技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足高效、經(jīng)濟(jì)的原則，越來(lái)越多的綜合防滲體技術(shù)在中小型土石壩壩體防滲中應(yīng)用，如桃江縣雪峰山水庫(kù)大壩防滲采用土工織物結(jié)合沖抓回填防滲墻，安化縣大豐山水庫(kù)大壩防滲采用土工織物結(jié)合高噴灌漿，安化縣溫沖水庫(kù)大壩防滲采用沖抓回填防滲墻結(jié)合高噴灌漿等等，均取得了較好的防滲效果。綜合防滲體的出現(xiàn)，可以更好地發(fā)揮各種防滲技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，為大壩防滲提供更經(jīng)濟(jì)有效的防滲技術(shù)。

1牛運(yùn)光.土壩安全與加固[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1998.

2張啟岳.土石壩加固技術(shù)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1999.

3周學(xué)文,徐尚閣.水利水電工程安全評(píng)價(jià)與加固[M].武漢:長(zhǎng)江出版社,2005.