病險土石壩防滲技術研究與探討

吳堅定

（平江縣水利水電勘測設計院 岳陽市 414500）

1 概 述

平江縣位于湖南省東北部，湘、鄂、贛3省交界地域，汨羅江上游。北毗湖北省通城縣及本省岳陽縣，東鄰江西省修水、銅鼓縣，西與汩羅市交界，南與省內長沙、瀏陽接壤。東西長98.5 km，南北寬76 km，縣域總面積為4 125.18 km2，平江縣多年平均降雨1 600 mm，年降水總量63.97億m3，多年平均水資源總量為33.67億m3。全縣已建水庫214座，其中中型水庫7座、小（Ⅰ）型水庫34座、小（Ⅱ）型水庫173座。所有水庫中重力壩8座，拱壩3座，土石壩203座。在水庫安全鑒定中，土石壩絕大部份在20世紀50～60年代修建，為非專業技術隊伍施工，運行到今，成為病險水庫的很多，對土石壩防滲除險加固成為土石壩除險加固措施重中之重。

2 土石壩防滲

壩基防滲結構形式采用帷幕和排水結合或截水墻防滲；壩體防滲結構形式在于選擇好筑壩土料以及壩的防滲體結構形成，過渡區和排水反濾等，以防止滲流變形對壩的危害。病險水庫滲流問題主要表現在土石壩壩體與壩基滲漏，針對該類問題，通常采取“上堵下排”加固措施，上堵就是沿壩軸線上游側采取防滲措施，以增強壩體抗滲性能；下排就是做好下游壩腳的排水設施，防止土體顆粒被滲水帶走。病險土石壩防滲處理分壩體防滲處理和壩基防滲處理，根據處理對象的具體情況，可選用高壓噴射灌漿、劈裂灌漿、混凝土防滲墻、沖抓套井黏土回填防滲墻、土工膜、黏土斜墻防滲等措施。

（1）高壓噴射灌漿防滲。

利用鉆機鉆孔，將噴射管置于孔內（內含水管、水泥管和風管），由噴射出的高壓射流沖切破壞土體，同時隨噴射流導入水泥漿液與被沖切土體摻攪，噴嘴上提，漿液凝固，在地基中按設計的方向、深度、厚度及結構形式與地基結合成緊密的凝結體，起到防滲作用。其主要優點是施工速度快，比混凝土防滲墻快10～30倍。如三峽三期圍堰防滲面積達2萬m2，僅用45天就完成施工。20世紀70年代，由日本引進高壓旋噴灌漿法，80年代初國內將旋噴改為定向噴射灌漿，用于病險水庫壩基防滲，取得了較好的效果，迅速得到了推廣。進入80年代后，在已有經驗的基礎上，繼續深入地結合實際工程研究施工工藝、專用設備、噴射形式、設計計算及相應的技術參數。高噴灌漿最初主要用于黏土層和砂土層的防滲，近年來在砂礫層中也有許多成功應用。目前分為旋噴、擺噴、定噴三種。采用高壓噴射灌漿進行大壩防滲處理，成功例子很多，2010年對平江縣的花橋水庫、高嶺水庫進行高噴灌漿，效果明顯。但失敗例子也不少，其原因是，不同地層條件，高噴技術參數選用具有較強的經驗性，有時還需要通過灌漿試驗確定。如在二長花崗巖砂性地區，若帶水鉆孔常有塌孔，往往高壓灌漿不能完成設計長度，需要采用干鉆鉆孔，成孔效果好些。

高噴灌漿適應性較廣，優點突出，對細顆粒地層是比較適宜的，對摻有大顆粒地層或是致密的黏性土層中，要求工藝就高，選取參數要試驗，在砂卵石、塊石地層中造孔難度也大，需要采用沖擊進鉆及化學固壁材料。近年來平江縣在壩高大于20 m土石壩除險加中，該項防滲技術得到廣泛應用。

（2）劈裂灌漿防滲。

20世紀70年代末，國內研究人員通過試驗，在過去重力壩灌漿的基礎上，利用土石壩中最小主應力面和壩軸線方向一至的規律，在土壩中采取劈裂灌漿，沿壩軸線布孔，使用一定壓力，將壩體沿壩軸線小主應力面劈開，灌注泥漿，并使漿壩互壓，最后形成（10～50）cm 厚的密實、豎直、連續泥墻，以達到防滲目的。同時，泥漿使壩體濕化，與漿脈連通的所有裂縫、洞穴等隱患均可被漿液充填密實，增加壩體的密實度。這項技術不僅起到防滲作用，也加固了壩體。其優點在于可以就地取材，施工簡便，投資省、工效高、較快地得到推廣。劈裂灌漿應用范圍越來越廣，過去規范規定壩高50 m以下的均質壩和寬心墻壩，并要求在低水位進行；近年來，逐漸發展到超過50 m壩高，且高水位也可進行，還可以作劈裂堤壩基礎灌漿，在窄心墻壩也可以進行。適用于壩身浸潤線出溢點過高，有散浸現象，裂縫（不包括滑坡裂縫）及各種洞穴的壩體。灌漿材料主要有：水泥漿、黏土漿、水泥黏土漿、水泥水玻璃漿液、水泥砂漿、水玻璃類漿液等。一般多采用土料漿，根據不同需要可摻入水泥、各種外加劑。

對于粗砂及卵礫石壩基，因其土層結構性差，形不成連續劈裂，壩基不適合用劈裂灌漿技術處理。劈裂灌漿技術主要適合于處理存在壓實質量差、有裂縫、洞穴、水平夾砂層等隱患的土壩及結構性較強的粉細砂及土砂夾層透水地基。平江縣在新龍、馬頭、潭灣、吐源水庫中曾利用該技術進行壩體防滲加固，取得的效果較好，滿意度高。

（3）混凝土防滲墻。

主要采用鉆鑿、鋸槽、液壓開槽機、射水及薄抓斗等工法，在壩體或地基中建造槽形孔，以泥漿固壁，然后采用直升導管，向槽孔內澆筑混凝土，形成連續的混凝土墻，以達到防滲目的。防滲墻施工可以適應各種不同材料的壩體和各種復雜地基，墻的兩端能與岸坡防滲設施或岸邊基巖相連接，墻的底部可嵌入弱風化基巖內一定深度，徹底截斷壩體及壩基的滲透水流。早期防滲墻主要采用烏卡斯鉆機施工，成墻厚度（0.8～1.0）m，價格較貴。20 世紀 80 年代后，出現了鋸槽、液壓開槽、射水及薄抓斗等多種成墻方法，墻體厚度也愈來愈薄，墻體深度也愈來愈大。如黃河小浪底右岸壩基防滲墻深度已達81.9 m。近年來推廣使用振動沉模防滲板墻技術，利用強力振動原理將空腹模板沉入土中，向空腹內注滿漿液，邊振動邊拔模，漿液留于槽孔中形成單塊板墻，將單板連接起來，即形成連續的防滲板墻帷幕，該項新技術主要用于砂、砂性土、粘性土、淤泥質土及砂礫石地層建造混凝土連續的防滲檣，造墻深度可達20 m左右，厚度（8～25）cm，最厚可達 30 cm，其不足之處是對卵石含量高的厚地層沉入困難，不能沉入基巖和大塊石中。目前國內大型病險土石壩防滲加固采用此法的工程較多，應該引起注意的是，防滲墻剛度遠大于土石壩材料，因此，壩體防滲墻與壩基防滲墻有較大不同。壩基防滲墻受壩體自重和水荷載作用，壩體自重引起壩基變形對防滲墻受力有利，水荷載引起壩基變形對防滲墻受力不利，有可能產生拉應力。由于壩體水平變形比壩基大得多，壩體防滲墻更容易出現拉應力，甚至發生斷裂。而且病險土石壩多數存在施工碾壓密實度不夠問題，大壩受水荷載作用時變形更大，因此，應注意壩體防滲墻的受力分析，特別是深壩體防滲墻受力分析。平江縣大型土石壩不多，所以在土石壩除險中較少采用該項技術。

混凝土防滲墻適用性較廣，如砂土、砂壤土、粉土、卵礫石土層等，實用性較強，但在造孔成墻技術對槽孔之間的接頭和墻體下部開叉問題難以徹底解決。

（4）沖抓套井黏土回填防滲墻。

利用沖抓式打井機具，在土石壩防滲漏范圍的防滲體中造孔，用黏性土料分層回填夯實，形成一個連續的黏土防滲墻。同時，在回填夯擊時，對井壁土層擠壓，使其井孔周圍土體密實，提高壩體質量，從而達到防滲加固的目的。20世紀70年代初，由浙江省溫嶺縣在處理險壩中首創，近年來，這項防滲措施不斷得到完善和發展，逐步推廣。實踐證明，它具有機械設備簡單，施工方便、工藝易掌握、工程量小、工效高、造價低、防滲效果好等優點。中小型水庫土石壩使用較多。但該項措施，僅適用于壩體滲漏處理，孔深一般不超過25 m。對處理壩基滲漏時，很難解決砂礫石和風化破碎巖石的清除，尤其在水下更難以施工，在雨季施工也有一定困難。如我們曾對中型水庫九峰水庫采用該項技術，水庫水位較高，水下部份抓不起來，防滲未取得成功。

由于機械性能的限制，此頂技術一般只適用于均質土壩和心墻壩，對于斜墻土壩之類，因與防滲體的銜接困難，只適用于斜墻局部高程的防滲加強。對于孔深以不超過40 m為宜，此項技術受水庫蓄水情況控制明顯，在高水位情況下，因壩體受滲水影響面使造孔和回填困難，所以，只能在干庫或孔內無水的情況下施工。

（5）土工膜防滲。

土工膜以重量輕、運輸量小、縮短工期、鋪設方便、節省造價、防滲性能及適應壩體變形等優點，近年來廣泛應用于土壩防滲加固，已從低壩向高壩發展。土工膜防滲的主要問題是，受紫外線作用的老化問題，實踐證明埋在地下的土工膜基本不受紫外線的影響，我國規范規定僅50 m高以下的大壩可使用土工膜防滲。鑒于壩體深混凝土防滲墻施工難度大和受力狀態難以滿足要求，土工膜防滲又難以解決壩基滲漏問題，為此，不少工程設計出在上游壩坡中下部向下打混凝土防滲墻，上部接土工膜斜墻到壩頂的聯合防滲方案，有效克服了上述兩種防滲技術單獨使用存在的不足。土工膜還與黏土斜墻結合防滲，如后來對九峰水庫壩體防滲采用土工膜與黏土斜墻相結合防滲技術，取得防滲效果較好；在小（Ⅰ）型水庫除險加固中丁溪水庫采用土工膜，防滲效果明顯。

土工膜可用于水庫庫盤防滲、土石壩的直立防滲墻或傾斜防滲層。土工膜用于水利防滲工程，具有結構簡單，施工方便，防滲效果好，節省工程造價，加快工期等顯著優點，但與混凝土、黏土等防滲材料相比，有容易破裂、脆裂、老化、化學腐蝕等弱點。

（6）黏土斜墻防滲。

適用于均質土石壩，在黏土含量較豐富地區，對均質土質的壩體滲漏采用黏土斜墻防滲體能有效地控制滲漏。黏土斜墻防滲效果比不上前面所述技術方案，但它施工方便，簡單，施工進程快，能達到土石壩滲流要求，只是需要黏土較多，運輸量較大，是一項較成熟的土石壩防滲技術。平江縣鴉沖水庫位平江縣伍市鎮，水庫周邊黏土分布多，采用黏土斜墻防滲取得成功。

以上各種防滲技術，各有特點及適用條件，技術、工藝要求各有不同，對于治理病險土石壩具體選用何種處理方案，必須綜合考慮水庫壩型、壩高、地質、施工等因素，查明病因和機理，然后提出可行治理技術方案，通過技術經濟綜合比較，擇優選取，最終選定方案。

1 祁慶和，等.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，1996.

2 白永年，等.中國堤壩防滲加固新技術[M].北京：中國水利水電出版社，2001.

3 孫正東，施俊躍，范波芹，等.小型水庫除除加固工程設計復核工作探計[J].中國水利，2011，（14）.

4 譚界雄，任翔等.我國小型病險水庫病害特點及除險加固技術[J].中國水利，2011，（14）.