關田壩水庫大壩滲漏原因分析及加固方案

左雅楠，謝新生，雷 蕾，王紅莉

(四川大學水利水電學院，四川成都 610065)

1 工程概況

關田壩水庫位于重慶市萬州區恒合鄉境內，校核洪水位1 172.23 m，設計洪水位1 171.87 m，正常蓄水位 1 170.90 m，死水位1 153.58 m;總庫容159 萬 m3，正常庫容 137.5 萬 m3，死庫容 1.5萬m3;水庫設計灌溉面積733.33公頃。該水庫系一座以農業灌溉為主的小(1)型水庫。

關田壩水庫始建于1976年1月，1980年完工。最大壩高 21.32 m，壩頂寬 4.5 m，壩頂長120 m，壩頂高程1 173.00 m。大壩上游采用400 mm 厚的水泥土護坡，坡率為1∶2.3 ～1∶3.2;大壩下游未護坡，坡率為 1∶1.75 ～1∶3.18;坡腳設置干砌條石排水棱體，棱體頂部高程1 156.3 m，棱體內側無反濾。

2 壩體滲漏分析

2.1 滲漏現象

2009年現場檢查發現:大壩左壩肩1 167 m及1 156 m高程處見有少量滲漏，壩體外坡1 165 m高程局部滲漏。

2.2 計算分析

2.2.1 計算方法和計算參數

為進一步分析大壩滲漏原因和擬定正確的除險加固方案，本文滲流計算采用Geo－slope分析軟件中的SEEP/W模塊，該程序用有限元方法分析計算壩體的浸潤線、滲流量和滲透比降等主要參數。

為了計算的方便，將大壩最大橫剖面進行簡化，計算范圍為順水流方向上下游分別取一倍壩高，沿深度方向取一倍壩高。

滲流計算參數采用關田壩水庫土工試驗的成果參數值，壩體各主要材料滲透系數見表1。

表1 各材料滲透系數

2.2.2 滲流計算結果

滲流計算分析的結果為各個工況下壩體的浸潤線、等勢線、滲流量和滲透比降。本文只給出了設計工況下的浸潤線和等勢線結果圖，見圖1。各個工況下的滲漏量及壩坡出逸坡降見表2。

圖1 設計工況下浸潤線和等勢線結果圖

表2 大壩滲流計算結果表

2.3 結果分析

計算結果表明:

(1)在多個工況下，水庫大壩的年滲漏量占總庫容的百分比超過1%，滲漏量過大。

(2)采用《水利水電工程地質勘察規范》(GB50287－99)附錄M中的判別方法，大壩滲流變形破壞為流土型。流土型的臨界水力坡降由下式計算:

Jcr=(Gs－1)(1－n)

式中 Jcr為土的臨界水力坡降;Gs為土的顆粒密度與水的密度之比;n為土的孔隙率。

經計算，壩體土的臨界水力坡降為0.94。

壩體土的允許水力坡降由下式計算:

Jp=Jcr/ka

式中 ka為安全系數，一般情況下取1.5～2。

取ka=1.5，經計算可得允許水力坡降Jp=0.63。由表2可見，在多種工況下，壩坡的出逸坡降都大于滲透變形允許水力比降，且棱體內側無反濾層，大壩滲透穩定性不滿足規范要求，可能產生流土破壞。

綜上所述，判定大壩壩體滲流性態處于不穩定狀態，其主要原因是由于壩體土料滲透性過強，棱體內側無反濾層造成的。

3 壩體防滲除險加固方案比選

3.1 除險加固方案的擬定

對于土壩的滲漏處理，總的原則是“上堵下排”?！吧隙隆钡拇胧┯写怪狈罎B和水平防滲;“下排”主要是在壩體背水坡腳采用工程措施排除滲水。垂直防滲處理可以比較徹底地解決壩基和壩身滲漏問題，而水平防滲結合下游排水減壓導滲，雖可保證壩體滲透穩定，但仍有一定的滲漏損失。

根據本工程除險加固的要求，結合工程的具體條件，為徹底解決滲漏問題，保證水庫大壩的安全運行，處理措施宜采用垂直防滲。大壩現有的排水棱體外坡偏陡，內坡無反濾層，基本失效，故排水棱體需拆除重建。為此，擬定如下處理方案:

方案1:劈裂灌漿+排水棱體方案

方案2:充填灌漿+排水棱體方案

方案3:高壓擺噴灌漿+排水棱體方案

3.2 方案的比較與選擇

3.2.1 防滲效果

劈裂灌漿機理明確，操作簡單，能取得較好的防滲效果。高壓擺噴灌漿可形成結構密實、強度較大、有足夠防滲性能的連續防滲體，防滲效果良好。充填灌漿主要是針對局部裂縫或空洞的防滲處理措施，當用于土壩全斷面的防滲處理時，由于不能施加太大的灌漿壓力，因此會對灌漿效果有一定的影響.

3.2.2 施工條件

充填灌漿方法簡單，易于控制，是常用的壩體防滲處理措施。

劈裂灌漿施工方法雖然簡單，但在灌漿孔距和灌漿壓力控制上要求高，相對對漿液的要求低些。

高壓擺噴灌漿但施工工藝高，同時對施工隊伍的選擇要求也高。

3.2.3 施工對壩體結構的影響

劈裂灌漿是運用壩體應力分布規律，用一定的灌漿壓力，將壩體沿軸線方向劈裂，同時灌注合適的泥漿，形成連續防滲泥墻防滲。只要控制好灌漿壓力，就不會破壞壩體結構。

高壓擺噴灌漿室用鉆機造孔，將帶有噴頭的灌漿管下至預定位置的地層，用高壓水泵把水經過灌漿管所形成的高壓、高速水流、氣射流從噴嘴中同軸噴射，直接沖擊、切割、粉碎、剝蝕土體。地層破壞后剝落下來的土石料濕化崩解、升揚置換，而灌注的水泥漿與土體顆粒之間發生強制性的摻攪混合、凝結硬化，從而形成結構密實、強度較大、有足夠防滲性能的連續防滲體。

充填灌漿、劈裂灌漿和高壓噴射灌漿形成的防滲體屬逐漸過渡性接觸，灌漿時對壩體起擠壓作用，不會導致壩體應力釋放，凝結體的強度與壩體接近，這對適應和協調壩體變形是十分有利的。

因此，從對壩體結構的影響來看，三種灌漿方式對壩體的影響都不大，其中高壓噴射灌漿最小。

綜上所述，考慮到充填灌漿針對土壩全斷面防滲處理時，對灌漿效果有一定的影響，排除方案2，又高壓擺噴灌漿對施工工藝要求高，投資高，排除方案3，故選取方案1:劈裂灌漿+排水棱體方案.

4 壩體劈裂灌漿設計

4.1 灌漿范圍

劈裂灌漿范圍為沿壩軸線的整個壩體段。

4.2 排距和孔距

劈裂灌漿設計為一排孔，沿壩軸線布置。根據規范規定，孔深大于15 m時，孔距布置為10 m，小于15 m時，孔距5 m。依據地勘報告，壩體粘性較大，孔距宜小。該壩最大壩高21.3 m，大于15m的壩段長度為50 m，綜合考慮，在壩高大于15 m的中部壩段，孔距按10 m設計，設計6孔。孔深小于15 m，大于8 m壩段，孔距按6m布置，該段長32 m，設計4孔。岸坡段(壩高小于8 m)因應力比較復雜，灌漿時容易發生橫向裂縫和斜向裂縫，依據規范孔距宜小(規范建議為2～3 m布置)，考慮基礎灌漿孔距為2 m，與劈裂灌漿孔可共用，故岸坡段孔距設計采用2 m，該段長34.70 m，設計18孔。劈裂灌漿共布置灌漿孔28個。

4.3 灌漿深度

劈裂灌漿深度從壩頂至壩底基巖，最大孔深21 m，灌漿深度共計202 m。

4.4 灌漿材料

壩體灌漿材料采用重粉質壤土或輕粉質壤土，粘粒含量需大于20%，如適用有砂粒，砂粒粒徑應小于0.5 mm。為加速漿液的凝固，在土料中摻入一定量的水泥，制成水泥粘土混合漿，其水泥粘土比值按1∶9或2∶8配制。

4.5 灌漿方式

劈裂式灌漿一般采用孔底注漿全孔灌注的方法，即注漿管下到孔底以上0.5～1.0 m處，不設阻漿塞灌漿，經過幾次灌注基本不吃漿或孔口壓力達到或接近設計灌漿壓力時，應立即停灌，提升注漿管3～4 m，繼續灌到設計要求。如此反復灌注，直至該孔灌漿達到設計要求為止。

4.6 灌漿壓力

灌漿壓力是保證和控制灌漿質量，提高灌漿效益的關鍵因素。最大控制灌漿壓力根據其他工程經驗，設計定為2.5×105 Pa，最終由現場試驗確定。

對壩體霹裂灌漿的最大允許壓力按規范也可采用如下公式計算:

孔底灌漿壓力ΔP=γH+σt–γ'h

式中 γ為壩體土容重，N/m3;γ'為漿液容重，N/m3;σt為土的單軸抗拉強度，由試驗確定;h為全孔灌漿時注漿管高度，m;H為計算點以上壩高，m

5 處理后滲流計算結果

本文只給出了設計工況下的浸潤線和等勢線結果圖，見圖2。各個工況下的滲漏量及壩坡出逸坡降見表3。

圖2 設計工況下浸潤線和等勢線結果圖

表3 大壩滲流計算結果表

從圖2可以看出，劈裂灌漿有效地降低了浸潤線，從表3可以看出，單寬滲流量有效降低，各個工況下壩坡出逸坡降均小于允許坡降。

6 結語

滲漏問題是病害土石壩的一個重要問題，選取有效的模型對土石壩進行滲流分析，進而確定有效的除險加固方案是十分有必要的。對于小型土石壩工程來說，劈裂灌漿具有操作簡單、性能穩定、節約投資等優點，是一種不僅技術可行，而且經濟合理的除險加固方案。

[1]牛云光.病險水庫加固實例[M].北京:水利水電出版社，2002

[2]張啟岳.土石壩加固技術[M].北京:水利水電出版社，1999

[3]毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京:中國水利水電出版社，2003

[4]SD266－88，土壩壩體灌漿技術規范[S]

[5]GB50287－99，水利水電工程地質勘察規范[S]

[6]SL251－2000，水利水電工程天然建筑材料勘察規程[S]