土(土石)壩防滲治漏工程措施

摘要：在目前已成水利蓄水樞紐中，絕大多數是利用粘土防滲，由于粘土防滲體積龐大，施工質量難以保證，往往留下許多隱患，使工程一蓄水就出現滲漏，從而形成病險工程。我縣的土壩、土石混合壩占總數81座的90％以上，其中：因滲漏造成的病險水庫占66％。根據多年的病險水庫整治經驗總結，特介紹幾種實用的防滲治漏工程措施。

關鍵詞：水庫防滲工程措施

當前，絕大多數已成水庫均建于上世紀60—80年代，由于受當時的設計水平和施工技術的限制，大多數為粘土防滲土壩或土石混合壩，水庫蓄水后，在水壓力作用下，滲流對土體產生滲流作用力，流力作用于無粘性土的顆粒以及粘性土的骨架上，使其失去平衡，產生各種形式的滲透變形，直至產生滲透破壞，使水庫出現各種病險而無法正常發揮效益，相反還要浪費大量人力物力確保防洪度汛安全，據統計，因滲漏造成大壩不安全的約占病險水庫總數的60％以上，所以，合理的防滲治漏工程措施是保證水庫除險加固成功的關鍵。

土壩和土石壩常見的滲透破壞按部位主要分壩體(或壩基)滲漏、壩肩接觸滲漏和繞壩滲漏。針對不同部位、不同壩體結構以及滲漏范圍大小，在正確分析滲漏原因的基礎上合理采用最有效、最節省、最方便的工程措施，達到除險加固工作事半功倍是我們的根本目的，為此特介紹三種比較適用的防滲治漏工程措施。

一、粘土防滲治漏

粘土是傳統的防滲材料，但在已成水庫附近一般難以找到高質量的粘土，大多只能在耕作區開采，一般運距較遠，加之土地要有償征用，所以，粘土成本較高，且用量受到限制，僅僅適用于粘土需用量較少的情況。

粘土防滲治漏的原理和施工要求與新建土壩一樣，利用“上堵下排\"的原理，對壩軸線上游被破壞及松動的粘土進行開挖，然后用優質粘土進行夯筑回填，使之與老壩有機結合共同形成防滲體。回填施工嚴格按碾壓土石壩旌工技術規范的有關要求進行，嚴格控制粘土質量和碾壓質量，處理好邊界接觸部位的銜接。為使新舊土體緊密結合，防止交結面因不均勻沉陷和收縮形成裂縫，應將老壩體開挖成階梯狀，分層夯實。在下游用透水性相對較強的土料填筑，或另外設置排水體。

適用條件：(1)土壩壩體體局部出現滲漏、漩孔、管涌等病險，而整個防滲體的結構并沒有被破壞；(2)滲漏部位離壩頂高差不大，開挖填筑工程量不大；(3)施工條件許可，開挖對防滲體沒有不利影響；(4)滲漏途徑比較明顯，能直接判定滲漏通道；(5)壩址附近有滿足要求的粘土料場。

注意事項：(1)設計時要認真分析滲透破壞的部位和形式，以及對整個防滲體結構的影響；(2)調查清楚附近料場情況；(3)開挖清除完被松動的土體，適當放寬開挖范圍；(4)保證回填質量，嚴格控制土料質量和碾壓密實度，特別是新老壩交接面的處理要合理，防止形成交接縫和沉降縫。

二、灌漿防滲治漏

當土壩壩身散漏、基礎滲漏或岸肩繞壩滲漏時，如繼續采用粘土防滲，其工程量將非常巨大，施工也非常困難，治理效果難以保證，此時就不能再采用粘土防滲措施了，可以采用第二種更方便有效的防滲措施——灌漿防滲。當壩體土粒在滲透力作用下，逐漸隨水排出，壩體土粒孔隙增大，壩體結構逐漸疏松形成滲漏，嚴重的引起大壩漩孔和局部沉陷、坍塌；當基巖裂隙中的充填物在庫水壓力作用下，逐漸隨水流走，裂隙增大，使原來不被察覺的繞壩滲漏量越來越大。灌漿的目的，就是在大壩縱軸線上和岸肩鉆孔灌注防滲漿液充填疏松的壩體和基巖裂隙，重新構筑一道垂直的防滲墻。所以，灌漿防滲最關鍵的是既要保證灌漿形成一個完整的防滲體，有效阻斷庫水外流通道，同時還要保證在攔截滲壩水流的同時不能堵塞下游排水體，因此灌漿孔的布置，灌漿壓力的控制和確定合理的施工操作程序尤為重要。

(一)應用情況

青山水庫是我縣已成重點小(二)型水庫，均質土壩，最大壩高23．30m，壩頂寬4.Om，長85m，總庫容80.8萬m3，1955年10月動工，1989年10月竣工。大壩自建成投入使用就發現壩體和基礎存在散漏，時間越長滲漏量越大，1994年7月在高水位情況下發現滲流混濁且帶有大量土粒，從此以后，水庫一直不敢蓄水，長期限制蓄水在正常水位以下4.5m左右，1997年10月一12月對青山水庫(小二型)應用灌漿防滲治漏效果顯著，從此以后大壩及基礎不再存在滲漏，水庫效益開始得到充分發揮；隨后又分別在民主(小二型)、上游(小一型)等6座小型水庫和9處山坪塘應用灌漿防滲治理壩體、壩基和壩肩繞壩滲漏，均取得事半功倍的效果，共完成灌漿進尺15500多米，與粘土防滲治理方案節約工日7.69萬個，節約投資186萬元，恢復水方86萬m3，恢復灌面300多公頃。

(二)設計、施工

工程設計中要根據壩體結構、滲漏形式及流向、壩區地質狀況和鉆孔壓水試驗參數設計灌漿孔的平面布置和鉆孔深度，合理確定灌漿半徑、灌漿壓力和灌漿材料。嚴格按《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》施工，保證灌漿質量。

(1)灌粢孔的布置。灌漿孔應根據壩體結構、壩高和滲流走向來確定：灌漿孔縱向沿滲流走向的切向布設，土壩壩體和基礎防滲灌漿孔一般布設在壩軸線附近并偏向上游側；壩肩基巖防滲灌漿孔沿裂隙切向布置，孔位距最薄臨空面不小于0.5倍孔深，且不小于5.0m，縱向與大壩防滲體連接。灌漿孔橫向(順滲流方向)在壩軸線及上游側設1～3排，每排孔分II～III序，排數及序數隨壩高增大家而增加，對30m左右的土壩一般不少于2排II序，15m以下的土壩一般不少于1排II序，若滲漏量過大，壩體孔隙過大，則應增加排數和序數。孔距一般可取 倍灌漿半徑，灌漿半徑與灌漿壓力、原壩土質及填筑質量、灌漿材料等因素有關，一般可取l.3～2.0m，壩體高度越大此值越大；排距一般為0.85～1.0倍孔距，每排孔應相對錯開呈梅花形布置。

(2)灌漿壓力。土壩壩體灌漿壓力一般可控制在0.2～0.4MPa，1、3排孔可取小值，2排孔可取大值；基礎帷幕灌漿壓力為壩高的1.5倍；岸肩基巖帷幕灌漿壓力不小于正常庫水壓力的1.5倍。

(3)灌漿材料。土壩壩體灌漿材料要求有較好的粘性和沉積、固結能力，可以為粘土泥漿、水泥漿、或水泥粘土混合漿，當灌漿過程中存在有壓滲流時，為防止漿液被水流帶走，可用水泥漿或水泥砂漿加入一定量的快凝劑(如水玻璃等)使漿液在離開鉆孔后，迅速停留下來。巖石帷幕灌漿一般采用

水泥漿或水泥砂漿，當有壓力滲流時，可以加快凝劑。

(4)灌漿施工工藝。為防止漿液隨滲透水大量流向下游影響灌漿質量，一般采用先下游再上游最后中間的順序灌漿，在進行第1排第1序灌漿時，可用低壓力、濃漿(具體根據先導孔壓水試驗確定)灌注。對II、III序和第3、2排孔逐漸加大壓力灌漿，漿液濃度由稀至稠。

(三)適用范圍

(1)土壩壩體大范圍或多處出現滲漏、漩孔、管涌等病險，防滲體的結構和防滲性能被破壞；(2)壩基滲漏；(3)壩肩深層接觸滲漏和繞壩滲漏。

三、塑膜防滲

當土石壩的粘土斜墻發生較大滲透變形而使斜墻的整體結構和防滲性能被破壞時，采用開挖回填粘土的工程量太大(相當于挖掉一個斜墻又重新填筑一個斜墻)，又沒法采用灌漿防滲，在這種情況下最好采用第三種防滲措施——塑膜防滲。我縣從八七年開始對塑膜防滲在大壩中的應用進行了試驗研究，取得了較好的成效。

(一)已成工程應用情況

一九八七年在青山水庫(小(二)型)利用塑膜(普通農膜)防滲成功。一九九一年至九八年分別在我縣云臺鄉利華水庫(小(一)型)和巖口鄉長巖水庫[小(一)型]樞紐工程病害治理中，成功地試驗應用了復合土工膜防滲，十多年的運行情況，充分證明了塑膜防滲的優越性，可靠性和先進性。

長巖水庫是我縣骨干水利工程之一，其病險特征具有典型性和代表性。該樞紐系干砌石粘土斜墻壩，壩高30.33m，總庫容138.0萬m3。有效庫容118萬m3，控灌農田5000畝。該工程于1958年春動工，1986年底完工。前后歷時28年。1982年7月下旬，由于庫區連降暴雨，當庫水位升至27.Om時，大壩內坡左右端分別出現了兩上渦形漩洞，右端漩洞進口直徑0.4m，左端漩洞最大直徑18.0m，呈橢圓形。同時，壩頂軸線內側全部開裂，最大縫寬9.0厘米。從1983年2月開始，對漩洞進行了傳統的開挖回填處理。1992年7月和93年4月在大壩左肩又先后出現漩洞兩個，進口直徑約1.Om，當時進行了臨時回填，大壩防滲斜墻己失去防滲作用，需要重新設置防滲體。

經過方案比較，最后采用復合土工膜對上游壩面全面防滲，該工程于1995年動工，1998年2月竣工，經蓄水運行，效果良好。并經受住了多次洪水考驗。

(二)塑膜防滲與粘土防滲比較的優越性

從我縣小型水庫樞紐病害治理結果來看，利用塑膜(包括普通農膜和復合土工膜)防滲與粘土防滲比較具有以下特點：一是粘土需求量少，可節約耕地；二是工程量小，工期短，用工少。利用塑膜防滲比粘土防滲減少60％的工程量；三是塑膜受變形變位影響小，由于其破壞拉應變達到25％左右，系柔性防滲材料，有較強的變形適應能力，在一定變位，沉降作用下仍能正常發揮其防滲性能；四是施工技術簡單，影響因素少，質量容易保證，防滲效果明顯。

(三)塑膜防滲的適用范圍

塑膜防滲主要適用于山區小、微型蓄水樞紐工程中：一是己成工程的粘土防滲體的防滲性能被大范圍破壞造成滲漏水量很大或直接無法蓄水運行的病險工程，特別是粘土斜墻土石壩；二是在防滲粘土奇缺的地方新建蓄水工程，應用塑膜作防滲材料，可大大放寬筑壩材料質量要求，從而提高工程建設進度質量，可節約投資30％左右。

(四)采用塑膜防滲的設計施工

通過實踐總結，在塑膜防滲的設計、施工過程中，應注意處理好以下幾個關鍵問題，才能保證達到理想的防滲效果。

1、正確選擇塑膜品種和規格。塑膜分普通塑膜和復合土

工膜兩種。前者適用于最大水壓小于0.15Mpa的小、微型蓄水工程中，價格便宜，購買方便。對于最大水壓大于0.15Mpa小于0.35Mpa的中小型樞紐工程，適宜采用復合土工膜防滲，膜厚根據前蘇聯水利科學院試驗公式計算選定：

δ=9.8Hd1.03／(([σ]／0.0347)3/E)0.5(1)

式中：δ——塑膜厚度(mm)

d——墊層最大粒徑(mm)

[σ]——塑膜允許拉應力(N／cm2)

E——塑膜彈性模量

H——膜上最大水深(m)

考慮塑膜在運輸施工中磨損等因素，結合生產廠家的產品規格，實際選用膜厚大于計算膜厚。

2、真實掌握材料性能，合理確定防滲體結構型式。塑膜的滲透系數極低，一般k<1.8×10-9cm／s；梯形撕裂強度和抗刺破強度極低，破壞拉應變超過20％，抗拉強度和彈性模量隨強度升高而降低。膜與土的摩擦系數極低。根據塑膜的性能特點，防滲體結構一般采用“墊層一塑膜一護面”的型式(詳見下圖)。墊層多用細砂土鋪平拍實，以防止壩面石子或不被發現的尖利之物刺破塑膜；塑膜是主要防滲層；護面是保護塑膜不受人為和氣候變化的破壞，延長塑膜的使用壽命。

3、防滲體的穩定分析

防滲體的穩定分析主要分析計算保護層是否會沿塑膜滑動，由膜上保護層具有良好透水性，當庫水位驟降時(最不利情況)，浸潤面與庫水位能同步下降，保護層按潮濕狀態考慮。此時，塑膜與沙土墊層接觸面的抗滑安全系數按下式計算。

K=fGcosa／Gsina=f／tga (2)

式中：a——壩面與水平面的夾角

G——滑塊重力(KN)

F——防滲塑膜與墊層的磨擦系數，通過試驗可得

計算得到各壩段的抗滑安全系數，若大于(K)=1．2。則滿足穩定要求。否則需采取有效措施增大抗滑穩定性，一般在可能失穩壩段橫向設置防滑齒(詳見下圖，圖中單位：厘米)。

防滑齒距經過穩定計算確定，設置防滑齒后的抗滑安全系數取兩齒間單位寬度進行計算。

K=｛1/2rh2tg2(45°+Φ/2)+2chtg(45°+Φ/2))+Gcosa#8226;f)｝／Gsina(3)

式中：r——壩體土料濕容量。(KN／m3)

h——防滑齒有效埋深。(m)

——壩體土料內磨擦角。(度)

c——壩體土料粘聚力。(Kpa)

計算得到K>[K]=1.2，說明防滑齒設置后滿足抗滑穩定安全；若K

4、周邊止水與錨固

周邊止水與錨固是保證塑膜邊界防滲的重要措施，膜的周邊必須與弱透水基巖錨固在一起，對周邊基巖的裂隙及軟弱夾層先進行清理和封閉，然后用C13砼把膜嵌埋于固埋溝內，溝沿呈圓滑弧形。(詳見下圖，圖中單位：厘米)

5、膜下水、氣排輸

膜下水氣流量的大小，與壩體土料性質，壩體密實程度和壩基滲漏情況，地下水位高低有關，設置排輸系統的目的是避免兩相對不透水層之間產生水、氣匯集，形成高壓區(水壓、氣壓)，從而使防滲體在低水位情況下承受反壓力，可能導致防滲體失穩。所以在新建的蓄水樞紐中，若壩體土料粘性較大，一般需設置專門的輸氣排水系統，在上游壩面防滲塑膜下縱向間距40～60m，橫向在馬道上或防滑齒(墩)，后呈網狀設置排水輸氣塑料管，縱橫管用鋁三通相連，在橫向管上每間距10m開5～10個直徑2～3mm的孔，用無紡布綁扎濾沙排水(汽)，無紡布規格根據土料和墊層砂的粒徑選擇。各分支管與壩下主管相連，主管在建壩時預埋，尾端伸入壩后堆石排水體，首端高程與死水位保持一致。對于已成的病害工程中，一般壩體透水透氣條件好，則可以不設水(汽)排輸系統，若需設置排輸系統，其主管可通到涵管，由涵管排出。

6、施工中要注意

(1)壩面按設計坡度削坡整平，對表面石子，草根等尖銳物進行徹底清除，然后鋪筑2～3cm厚的細砂墊層，拍壓密實。

(2)膜的搭接。低壩普通塑膜可采用幅間咬合折疊搭接，搭接頭埋入固埋溝內，用粘土回填。(詳見下圖，圖中單位：厘米)

也可采用粘合劑粘接，復合土工膜一般采用廠家生產的專用粘合劑現場粘接，接縫時在膜下墊一塊長2．0米，寬0．15米的木板。將搭接邊平放其上，均勻涂上粘合劑，待稍干后即粘接，并用塑料磙簡均勻磙壓，使之粘合牢固。

(3)膜的鋪設由下而上水平進行，兩岸固埋溝和膜上保護層相應平行也可采用作業。同步上升，在鋪膜過程中，施工人員一律穿軟底鞋或赤腳進場，以免損壞土工膜，如發現有孔眼及粘接縫，必須及時補救。

(4)工程竣工后，逐漸蓄水，注意觀測大壩運行情況，確保工程安全，正確利用塑膜防滲，可節約投資，且防滲性能穩定，效果好，具有顯著的經濟效益和社會效益，具有較高的推廣應用價值。

四、結語

我縣病險水庫眾多，絕大多數皆因滲漏造成，因地制宜采用合理工程措施進行防滲治漏是保證水庫除險加固效果的根本。粘土防滲、灌漿防滲、塑膜防滲三種工程措施在我縣蓄水樞紐除險加固工程中被廣泛應用，取得良好防滲效果和顯著的經濟效益，截止目前全縣已有3座小(一)型水庫、l座小(二)型水庫和5處山坪塘應用塑膜防滲，有6座小型水庫和9處山坪塘應用灌漿防滲，共應用塑膜面積20950平方米，完成灌漿進尺15500多米，共節約工日58．78萬個，節約投資486萬元，恢復水方765．8萬m3，恢復灌面1300公頃。