爆破堆石壩除險加固防滲處理設計

謝慶明，李照，彭清華

（云南省水利水電勘測設計研究院，云南昆明650021）

爆破堆石壩除險加固防滲處理設計

謝慶明，李照，彭清華

（云南省水利水電勘測設計研究院，云南昆明650021）

受地形地質條件限制，我國于20世紀六七十年代在國內采用定向爆破筑壩技術修筑了一批爆破堆石壩，由于爆破筑壩堆石體組成的復雜性，其滲漏非常嚴重，不能很好地發揮水庫功能。結合云南省武定縣在20世紀70年代修建的己衣水庫定向爆破堆石壩存在的滲漏問題，詳細介紹了該水庫除險加固防滲處理的設計方案要點，可供從事水利工程設計的技術人員參考借鑒。

爆破堆石壩；防滲方案比較；處理效果

1 工程概況

己衣水庫位于云南省武定縣己衣鄉，地處長江流域的金沙江南岸一級支流己衣大河的法保峽谷。水庫除險加固后，樞紐工程由碾壓堆石加高壩體、新建泄洪隧洞、改建輸水隧洞進口豎井組成；水庫壩址以上徑流面積100 km2，總庫容1 260.2萬m3，最大壩高85.2m，壩頂長140m，是一座以灌溉為主結合人畜飲水的省屬重點中型水利工程。

2 庫區工程地質條件[1，2]

2.1 壩址區工程地質

壩址區為典型的深切河谷地貌，呈V形，兩岸均為懸崖絕壁，基巖裸露，為二道水組薄-中層狀白云巖夾硅質灰巖、泥灰巖及頁巖，強-弱風化；除主、副爆區兩側發育危巖外，未見其他不良物理地質現象發育。

樞紐區內斷層地質構造不發育，僅發現1條F4斷層。該斷層出露于壩軸線左岸偏上游約50m處，兩側為陡崖，性質為逆斷層，巖性為糜棱巖、斷層角礫巖，鈣質膠結，弱透水性；斷層影響帶寬約2m，節理裂隙發育一般，巖體較完整。

壩基砂卵礫石層厚約3～5m，結構松散。但其位于爆破堆石壩體之下，受爆破堆石壩體反壓，且透水性遠小于爆破堆石壩體，故砂卵礫石表層可能存在接觸性沖刷破壞，但不存在抗滑穩定問題，壩體壓縮變形性較小，兩岸主、副爆區的危巖及岸坡屬穩定性差-不穩定。

2.2 壩體工程地質

大壩于1978年5月26日采用定向爆破成壩，爆破前兩岸地形坡度均大于62°，爆破后地形變緩，上下游壩坡約為1∶2.5，爆破堆石壩體馬鞍點高度74m，平均高度83m。主、副爆區漏斗堆積物為塊石、碎石夾少量壤土及滾石，一般塊徑30～50 cm，最大達5m以上，爆破堆石壩體架空現象十分明顯；左岸主爆破堆石壩體兩側已經形成沖溝，除局部會產生滾石外，爆破堆石壩體處于基本穩定狀態；右岸副爆破堆石壩體表層的壤土含量約40%，結構松散，在雨水的沖刷作用下易產生坍滑，岸坡穩定性差。

根據1995年完成的《己衣水庫定向爆破壩壩體探井原型觀測研究》成果，爆破堆石壩體的不均勻系數Cu=7～1 500；一般干密度γd=1.7～2.65 g/cm3，平均為2.17 g/cm3；一般孔隙率n=6%～40%。由于不同部位存在著顆粒組成和結構上的差異，塊石架空現象明顯，有形成滲透的良好通道。在做原型觀測過程中，實測壩體滲透系數3.0×10-3～7.2× 10-1cm/s，說明爆破堆石壩體的滲透極強，并具有明顯的差異性。同時，從建于下游的量水堰滲流觀測及1991、1993年兩次高水頭滲流原型觀測試驗看來，大壩在死水位以下滲漏量較小，隨著水頭增加其滲漏量明顯增加，并經兩次高水頭（66.55、68.54 m）蓄水考驗，測得滲漏量分別為2.24和3.23m3/s，說明爆破堆石壩體在短期水流作用下其抗滲性能基本穩定，但在長期高水頭作用下其抗滲穩定會存在一定問題。為了發揮水庫的灌溉效益并滿足蓄水要求，必須對爆破堆石壩體及基礎作防滲處理及整形加固處理，只有這樣才能滿足工程正常運行要求。

圖1 斜墻防滲比較方案

3 防滲處理設計

己衣水庫除險加固重點是對壩體防滲進行處理，防滲處理涉及到大壩軸線選擇，根據壩址所處的地形、地貌及爆破堆石壩體現狀以及大壩防滲結構的不同型式，結合爆破堆石壩體形態，本著安全、可行、盡可能減少工程量的原則，設計考慮3條壩軸線防滲方案[3]：①新壩軸線位于原爆破設計壩軸線位置，大壩防滲上游坡采用斜墻防滲，簡稱“斜墻防滲方案”；②新壩軸線與爆破設計壩軸線重合，在原壩頂及上下游壩坡進行加高培厚和整形處理，大壩防滲在壩軸線位置采用垂直帷幕灌漿防滲，簡稱“垂直防滲方案”；③新壩軸線布置在原爆破設計壩軸線的下游82m位置，結合當時國內防滲墻施工深度要求，在下游壩坡原爆破堆石壩體內造孔46m深的混凝土防滲墻，簡稱“防滲墻防滲方案”。

3.1 斜墻防滲方案

斜墻防滲方案大壩結構布置，如圖1所示。針對斜墻方案可供選擇的有黏土斜墻、鋼筋混凝土面板斜墻、瀝青混凝土面板斜墻和復核土工膜斜墻防滲方案，它們的共同點都是在爆破堆石壩體上游面采用斜墻防滲，壩基及兩岸繞壩滲漏采用水泥漿液帷幕灌漿防滲，而壩前庫內泥砂淤積較深已達1 984.08 m高程位置（近40 m深），經勘探分析壩前淤積層結構為湖積層，為典型的多元結構地層，并含大量的有機物（主要為腐植物）和不規則狀氣孔，為中等-高壓縮性土，屬弱-強透水性，存在滲漏、滲透變形和壓縮變形問題，靠近上游壩坡的淤積物還可能被庫水擊穿。所以，壩前淤積物不能直接作為上游天然水平防滲鋪蓋，需對上游壩基進行垂直防滲。在對上游庫區淤積高程以下爆破堆石壩體進行防滲處理時，由于庫區淤積層不能作為水平鋪蓋防滲，還需對爆破堆石壩體部分進行垂直防滲，一種方案是對壩前淤泥層進行大開挖，另一種方案是在斜墻底部基礎爆破堆石壩體中進行造孔混凝土防滲墻或帷幕灌漿施工，但其上游周邊防滲岸墩線需布置在爆破堆石壩體上，最大爆破堆石壩體深達30m，其穩定性較差，對上游周邊防滲穩定造成較大的隱患；同時，上游壩腳造孔混凝土防滲墻施工平臺滿足不了施工導流度汛高程要求，而且整個防滲體包括上游壩腳的混凝土防滲墻、岸墩線施工、壩基帷幕灌漿、固結灌漿以及壩面斜墻等各種防滲結構，施工工藝較為復雜，給施工導流、施工難度、施工安全帶來極大風險。

3.2 垂直防滲方案

垂直防滲方案大壩結構布置，如圖2所示。擬在壩軸線位置進行帷幕灌漿形成壩體、壩基防滲帷幕，結合兩壩肩帷幕灌漿防滲，形成整體灌漿防滲體系。沿壩軸線布置3排灌漿孔，孔、排距均采用2.0m，上下游排采用低水灰比的膏狀穩定水泥漿液灌注，可以起到灌注大孔隙、封堵大通道、節約灌漿材料和灌漿時間的作用；中間排則采用流動性好的穩定性漿液灌漿，以便對較細的裂隙進行灌注并在有效范圍內進行補強。上下游排孔深入基巖0.5m，中間排孔深入至基巖相對不透水層5m。兩壩肩沿壩軸線開挖灌漿平洞進行帷幕灌漿，帷幕灌漿布置單排孔，孔距2.0 m，灌漿深入基巖相對不透水層（基巖單位吸水率ω值小于或等于5 Lu）5m，帷幕灌漿最大灌漿深度為103m。

圖2 垂直防滲比較方案

圖3 混凝土防滲墻推薦方案

3.3 混凝土防滲墻防滲方案

防滲墻防滲方案大壩結構布置，如圖3所示。根據2001年9月21日水利部江河水利水電咨詢中心文件《關于印發云南省武定縣己衣水庫除險加固工程技術咨詢意見》（水咨設〔2001〕13號），專家組認為“防滲加固處理壩軸線向下游方向移動，在爆破堆石壩體中混凝土防滲墻的高度不宜超過30m”。大壩加固設計壩軸線位于原爆破堆石壩體上，距原爆破壩軸線下游82m，防滲軸線在新壩軸線上游側，距新壩軸線0.5 m。為滿足在爆破堆石壩體中造孔澆筑46m深混凝土防滲墻的施工要求，在下游原爆破堆石壩體上新壩軸線位置開挖至高程1 980m處形成一個寬度大于15m的施工平臺，造孔混凝土防滲墻厚0.8m，深入基巖1.0m左右，其次在新加高碾壓爆破堆石壩體部分采用現澆混凝土防滲墻防滲，壩體二維應力-變形計算結果表明，防滲墻墻體中間部位大部分區域拉應力較小或無拉應力，為便于安全，在明澆混凝土防滲墻根部與造孔混凝土防滲墻頂結合部位設置銅片止水，并在其明澆混凝土防滲墻上游面增設1層復合土工膜聯合防滲，造孔及現澆混凝土防滲墻面積為7 800 m2。防滲墻下壩基防滲帷幕用預埋管灌漿處理，先進行造孔混凝土防滲墻施工，澆筑至1980m高程時，再對混凝土防滲墻預埋灌漿管進行墻下壩基灌漿施工，兩岸壩基帷幕灌漿在壩體填筑到壩頂高程時施工。在壩頂左右壩肩繞壩滲漏采用2.5m×4m的灌漿平洞進行帷幕灌漿處理，并同壩體防滲體相接，形成整體防滲體系。防滲帷幕處理最大灌漿深度92m，為單排孔布置，孔距1.5m，灌漿底界深入基巖相對不透水層（基巖單位吸水率ω值小于或等于5 Lu）內5m，兩壩肩防滲邊界處理原則是由正常蓄水位延伸至與地下水水位相交位置或者是與壩基相對隔水層相交位置。由于兩岸地下水水位較低，正常蓄水位與地下水水位不能相交。左岸邊界與岸坡交界向下游偏轉11°延長27m（與壩基相對隔水層相交），右岸邊界由于壩基相對隔水層較遠，結合壩體繞壩滲漏和岸坡陡巖地質情況分析，在滿足滲流穩定時，防滲邊界向下游偏轉28°延長70m，將輸水隧洞包含在防滲處理范圍內，整條防滲軸線長230.75m。

3.4 防滲方案選擇

對上述3個方案進行投資估算，結果見表1。

表1 大壩防滲方案投資估算

經綜合比較，認為“斜墻防滲方案”雖然投資最少，但其上游周邊防滲岸墩線需布置在爆破堆石壩體上，最大爆破堆石壩體深達30m，穩定性較差，上游壩腳造孔混凝土防滲墻施工平臺滿足不了施工度汛高程要求，而且整個防滲體包括上游壩腳的混凝土防滲墻、岸墩線施工、壩基帷幕灌漿、岸墩固結灌漿以及壩體上游斜墻等各種防滲結構，施工工藝較為復雜；同時，壩頂兩岸壩肩正對主副爆破漏斗區，兩岸爆破松動巖體影響范圍較大，防滲處理難度較大，不作推薦。

原爆破壩軸線帷幕灌漿防滲方案“垂直防滲方案”，雖投資適中，但據原型觀測資料顯示，爆破堆石壩體內部顆粒組成極不均勻，一般粒徑30～50 cm，最大達5m以上，不均勻系數Cu值在7～1 500變化，平均孔隙率為32%，最大達40%。其難點在于上、下游排灌漿孔灌注低水灰比的膏狀濃漿堵漏，其難度較大，施工質量及工程量難以控制，對造價影響較大；同時，3排帷幕灌漿孔灌漿最大深度達103m，在爆破堆石壩體中灌漿鉆孔容易卡鉆、掉鉆、塌孔，施工處理難度較大，根據規范規定的造孔孔斜要求，成幕較為困難，不確定因素難以把握，其防滲結構可靠度較低，不作推薦。

原爆破壩軸線下游82m處的“混凝土防滲墻方案”投資雖較高，需在爆破堆石壩體中造孔46m深的混凝土防滲墻。此方案壩體采用混凝土防滲墻及壩基帷幕灌漿兩種防滲結構型式，施工工藝并不復雜。2000年前后云南白龍河水庫除險加固工程已在爆破堆石壩中成功做到45m深的混凝土防滲墻（其中混凝土防滲墻穿過爆破堆石壩體平均深度15m），防滲效果較好，該工程給己衣水庫的壩體防滲墻施工提供了寶貴的經驗。混凝土防滲墻能夠徹底可靠地對壩體滲漏進行處理，該方案雖投資較高，但安全可靠、比較穩妥，施工時要加強混凝土防滲墻造孔孔斜控制力度，嚴格控制混凝土防滲墻的垂直度。

綜上所述，選用混凝土防滲墻防滲方案，防滲壩軸線布置在原爆破設計壩軸線下游82m位置，可以避開左右主副爆破區的影響，同時滿足在爆破堆石壩體中造孔混凝土防滲墻施工深度要求。現澆混凝土防滲墻高度35m，設計墻體指標為了上下墻（造孔段與現澆段）體變形協調一致，根據工程類比，采用垂直等厚0.8m布置，混凝土抗壓強度大于10 MPa，混凝土彈性模量12 000～20 000MPa，抗滲強度大于W10。由于新加高碾壓爆破堆石壩體部分防滲墻為現澆混凝土，國內未見有類似工程實例，為安全考慮，在現澆部分墻體前增設1層復合土工膜作為聯合防滲，墻體兩側各設50 cm厚漿砌石作為現澆混凝土防滲墻施工胎膜；為便于墻體與壩體爆破堆石協調變形，在砌石體與爆破堆石壩體之間設2.0m厚的砂石混合過渡層，基礎及兩岸延長段采用帷幕灌漿單排孔，孔距1.5 m，形成整體防滲系統。

4 結語

己衣水庫按照設計推薦的混凝土防滲墻方案于2007年9月開始施工，2008年8月完成防滲墻施工，2011年8月完成樞紐工程除險加固施工，經試蓄水運行一年，2012年12月通過了上級主管部門的樞紐工程安全竣工驗收，總體工程質量被評為合格，同意竣工驗收[4]。

2013年汛期庫水位在2 011.58m，已超過正常蓄水位（2 010.92m）0.66 cm，下游壩腳三角量水堰（僅測壩體滲漏）測得壩體本身滲漏量為30.0 L/s，與庫水位在正常蓄水位下理論計算滲漏量基本一致；另外在其下游約80m處的河床梯形量水堰觀測得到壩體、輸水隧洞閘門、豎井、洞身及兩岸繞壩滲漏總量為0.12 m3/s，較大壩防滲處理前相同水位下滲漏3.23m3/s大為減少，防滲處理效果較為明顯。并且，經觀測1年多來，在相同蓄水位下其下游壩腳三角量水堰滲漏量變化不大，說明本次樞紐工程除險加固防滲處理達到了預期目的，防滲方案選擇恰當，施工方法合理。

[1]陶忠平.爆破堆石壩堆石體主要工程地質研究[J].人民長江，2005，（9）.

[2]云南省水利水電勘測設計研究院.己衣水庫定向爆破壩壩體探井原形觀測研究[R].昆明：云南省水利水電勘測設計研究院，1995.

[3]云南省水利水電勘測設計研究院.云南省武定縣己衣水庫除險加固工程初步設計報告[R].昆明：云南省水利水電勘測設計研究院，2005.

[4]云南省水利水電勘測設計研究院.云南省武定縣己衣水庫除險加固工程竣工資料設計工作報告[R].昆明：云南省水利水電勘測設計研究院，2012.

Design of Reinforcing the Blasting RockfillDam to Avoid the Seepage

XIEQing-ming，LIZhao，PENGQing-hua
（Yunan Provincial Investigation，Design and Research InstituteofWater Conservancy and Electric Power，Kunming 650021，China.）

In the 1960s and 1970s，a number of Blasting Rockfill dams were built，with the direct blasting technology based on the condition of geography.Due to the complexity of the composition，the leakage is a very serious problem.The dams cannot reservewater.The details of Jiyi reservoir and theways of reinforcing the Blasting Rockfill Dam to avoid the seepageare discussed，which can provide someusefulwaysofavoiding the Seepage tootherengineers.

blasting Rockfill Dam；comparewith schemesofavoiding the seepage；treatmenteffect

TV641.4；TV222

B

1004-7328（2014）06-0020-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.06.007

2014-09-09

謝慶明（1964-），男，高級工程師，主要從事水利水電工程設計工作。