探討中小型水庫土石壩的除險加固設計

丁昭佐，沈寬勇，簡士洋

(1. 畢節市勘測設計研究院，貴州 畢節551700;2. 畢節市水利局，貴州 畢節551700)

1 工程概況

某地區水庫以灌溉為主，兼有防洪、養殖等綜合效益的中型水利工程。

大壩壩頂高程不夠，大壩施工質量較差，目前大壩中上部滲漏嚴重，下游壩坡散浸嚴重，滲流逸出點高，危及大壩安全。輸水涵為漿砌石拱涵，由于施工時基礎處理不徹底，砌體質量差，且經過長時間運行后，涵洞出現滲漏。目前裂縫寬度達4 ～5 cm，因此滲水大量滲入大壩，危及大壩安全。另外，溢洪道中部被毀并修建為公路，致使無法泄洪。

出現的險情已經嚴重影響到水庫的正常安全運作，對下游居民的生命財產安全威脅很大［1］。

2 土石壩主要病險情的除險加固設計

土石壩除險加固設計包括壩頂加高、壩體防滲處理。

2.1 土石壩壩頂加高

某水庫大壩壩頂高程為193.8 m，較規范要求的最小高程194.8 m低了1.0 m，大壩壩頂高程不能滿足防洪要求。

因此需對大壩進行加高。壩頂加高常用的方案有大壩加高培厚和在壩頂修建防浪墻。對大壩加高培厚工程量大，施工復雜;而在壩頂修建防浪墻的工程量小，施工簡便。

某水庫壩頂高程為193.8 m，大于300 a一遇校核洪水位。因此，本設計在壩頂修建防浪墻以解決大壩壩頂高程不夠的問題。

2.2 壩體防滲處理方案比較

本次勘探對壩體進行鉆孔檢查，發現壩體局部夯壓不密實，壩基接觸面清基不徹底，接觸面滲漏嚴重。

根據目前大壩現場檢查出現的異常滲漏情況和鉆孔檢查結果，必須考慮加固大壩防滲體。根據《碾壓土石壩設計規范》以及結合當地筑壩材料和施工經驗，加固大壩防滲體可以采用沖抓套井回填和上游加作黏土斜墻2 種方案:

2.2.1 方案一:沖抓套井回填

借鑒沖抓套井回填防滲加固的成功經驗，在大壩頂離上游1.0 m位置進行沖抓套井回填，沖抓套井回填采用1 排孔，孔距為0.78 m，形成的防滲墻有效厚度為0.78 m，沖抓范圍自壩頂至基巖，最大沖抓深度25.3 m。

2.2.2 方案二:上游加黏土斜墻

施工前，把水庫放干，按一定坡比修整內坡，在內坡腳清淤，清到基巖，做一道1.0 ～1.5 m高的混凝土防滲墻，在混凝土防滲墻上做斜墻，在斜墻上游設0.4 m厚反濾層，反濾層上設0.3 m厚塊石護坡。

黏土斜墻防滲體做在大壩上游側，淤積庫內，減少庫容，在施工時要全部放干水庫，并要修建圍堰，施工項目較多，施工較為復雜。

因此，采用方案一作為壩體防滲處理方案。

2.3 土石壩沖抓回填

主要包括6個方面的內容:

2.3.1 沖抓鉆孔套井原理

沖抓鉆孔套井回填處理土壩滲漏，是在漏水范圍內利用沖抓機鉆孔，然后用黏土進行分層回填，并利用鉆機的動力和卷揚設備帶動夯錘加以夯實，造成一個連續的截水墻，截斷壩身或壩基中的滲流［2］。

2.3.2 沖抓套井防滲墻頂高程的確定

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2001)4.2.4 條防滲墻頂部在靜水位以上的超高，對正常運用情況，應為0.6 ～0.3 m;對非常運用情況，防滲體頂部應不低于非常運用的靜水位。對正常運用情況時，防滲墻頂部高程最高為192.6 m，對非常運用情況，防滲墻最高為193.6 m。

大壩壩頂高程193.8 m，沖抓套井在壩頂進行，由上而下進行鉆孔后回填，為便于施工和保證質量，沖抓套井回填防滲墻頂高程與壩頂齊平，為193.8 m。

2.3.3 沖抓套井防滲墻軸線位置確定

大壩沖抓回填防滲墻的主要作用為在壩體內形成防滲體以截斷壩身或壩基中的滲流［3］。為減少下游壩體內的水壓力，壩體防滲墻在滿足防凍與保護層要求下盡量靠上游。因此，沖抓回填防滲墻軸線離壩頂上游側1.0 m。

2.3.4 套井回填土料的選擇

套井回填土料暫擬在壩區北面左岸10 km崗地取土，此處為荒地，貯量足，其物理性質可以滿足防滲墻土料要求，根據《碾壓式土石壩設計規范》，防滲墻土料必須符合以下物理性質:回填土料為黏性土料，填土滲透系數要求K ＜1 ×10－5cm/s，填土干容重為1.6 g/cm3，壓實度≥0.95。

2.3.5 有效厚度的確定

防滲墻的有效厚度是根據滲透穩定計算求得其滲透坡降小于允許滲透坡降的條件決定的。

表1 孔距、排距和有效厚度的相互關系

將防滲墻的有效厚度，按照防滲墻的滲透系數和壩體滲透系數的比值折算成等效的壩身厚度來進行計算［4］。

防滲體厚度:由B = H/J (H = 3.2，J = 6)則B =0.53。假定大壩采用單排孔α =45°;所以L1=0.78 m;T1=0.78 m。T1=0.78 m ＞B =0.53，故采用單排孔布置可以滿足要求。因此本次選用單排孔沖抓作防滲墻。

2.3.6 鉆孔深度的確定

根據地質情況及防滲要求，本次設計沖抓回填自壩頂而下至基巖，本次設計沖抓回填最深為從壩頂193.8 m到167.5 m的26.3 m。

2.4 壩體及兩壩肩帷幕灌漿設計

在對壩體進行鉆孔檢查時，發現壩基強風化巖石破碎，巖層吸水率在17.3 Lu ～25.3 Lu，壩基與兩岸山體巖石裂隙發育，漏水嚴重。因此，壩基和兩岸山體除險加固采用帷幕灌漿防滲處理。

2.4.1 帷幕設計

帷幕灌漿采用一排灌漿孔，孔距2.0 m，防滲標準根據地勘成果及規范要求，取q =10 Lu，灌漿孔伸入相對不透水層(q =10 Lu)以下1 m，帷幕最深處高程為164.66 m，最終孔深應由現場先導孔壓水試驗確定［5］。

2.4.2 灌漿孔布置

大壩壩基、壩肩和溢洪道存在滲漏，設計采用帷幕灌漿作防滲加固處理，大壩壩肩灌漿孔沿兩岸山坡布置，在壩頂向兩岸延伸，延伸至正常蓄水位與相對不透水層在兩岸的相交處［6］。

2.4.3 鉆孔及簡易壓水試驗

帷幕灌漿鉆孔:壩身采用沖擊干鉆、套管護壁，基巖采用回轉式鉆機鉆進，用金剛石鉆頭或硬質合金鉆頭鉆進，終孔孔徑為75 mm。

鉆機安裝必須水平、穩固，開孔位置偏差應控制在10 cm之內，孔斜率控制在1%以內，鉆孔深入相對不透水層內1 m左右。

鉆孔沖洗及簡易壓水試驗:鉆孔達到設計深度后，應采用清水沖洗鉆孔，直至回水澄清無砂和巖粉為止，殘留巖芯應≤0.2 m。

帷幕灌漿孔在灌漿前，對先導灌漿孔均應進行簡易壓水試驗，所得透水率q 值來確定開灌水灰比及了解巖層的透水程度。

2.4.4 灌漿參數的選取

2.4.4.1 灌漿段長度

灌漿段的長度是根據巖石的裂隙發育程度、破碎情況、滲透性以及設備條件決定的。

參照省內外帷幕灌漿取得的成功經驗，并根據工程的具體情況，為確保工程質量，設計要求灌漿段一般長5 ～8 m，基巖條件較好的灌漿段取大值，裂隙發育，巖石破碎段取小值。接觸面單獨做一段，灌段長1.5 ～2.0 m。

2.4.4.2 灌漿壓力及漿液變換

灌漿壓力是影響灌漿質量的重要因素，本次灌漿壓力一般要求現場通過灌漿試驗確定。

漿液稠度根據基巖透水率不同而改變，起始水灰 比 采 用8∶1;以 后 采 用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1。

接觸面灌漿壓力要求以不使壩體底部劈開或上抬為原則，根據有關規范，接觸面灌漿壓力應控制在0.05 MPa以內。

漿液稠度的變換原則是:當某一比級漿液的灌入量已達300 L以上或灌注時間已達30 min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應改濃一級。或注入率＞30 L/min時，可根據具體情況越級變濃。

2.4.4.3 結束灌漿標準

符合下列條件之一者，即可結束灌漿:

1)在設計規定的灌漿壓力下，灌漿段已停止吸漿或吸漿量＜1.0 L/min，并持續60 min以上時。

2)在規定的壓力下，吸漿量徘徊在1.0 L/min的時間達1 h以上。

2.4.5 灌漿材料及灌漿工藝

2.4.5.1 灌漿材料

必須是新鮮合格的普通硅酸鹽水泥，強度等級≥32.5，對水泥的供給采取邊用邊進的原則，以保障水泥不過長時間在工地積放。

2.4.5.2 灌漿施工次序

灌漿應遵循分序加密的原則。帷幕孔分三序次施灌，一序孔孔距8 m;二序孔孔距8 m;三序孔孔距4 m，最終孔距2 m。

2.4.6 灌漿方法

當巖段＜6 m時，采用全孔一次灌漿法;＞6 m或在漏水嚴重地段應采取自上而下的方法灌漿，以提高灌漿質量。

2.4.7 灌漿結束和封孔

在灌漿過程中，對于每一個灌漿孔都應嚴格按照規程、規范的要求結束灌漿，以確保工程質量。對較深的帷幕灌漿孔，在最后一段灌漿結束后即采用濃漿封孔。封孔分段長15 ～20 m，封孔壓力與灌漿壓力相同，當注入率≤1 L/min，繼續灌注30 min后，在孔口處繼續灌注60 min，灌注結束后閉漿24 h。

2.4.8 工程質量檢查

檢查孔數為灌漿總孔數的10%，布置在斷層、巖體破碎帶等地質條件復雜的部位、末序孔注漿量大的孔段附近、孔偏斜過大處、灌漿過程不正常的部位。

檢查孔應采取巖芯，繪制鉆孔柱狀圖。檢查孔壓水試驗在該部位灌漿結束后14 d后進行，自上而下分段卡塞進行壓水試驗，采用單點法或五點法。壓力為1 H0(H0為正常蓄水位至試驗段處高差)，且不大于該處灌漿壓力的80%。

檢查孔各段壓水試驗測得的q 值原則上須≤10 Lu，所有試段的q 值必須＜10 Lu，才認為該孔符合標準。

3 結 語

本文對某水庫土石壩進行了除險加固設計，選擇帷幕灌漿防滲的方案，解決了關于水庫壩頂高程不夠;大壩施工質量較差，目前大壩中上部滲漏嚴重，下游壩坡散浸嚴重，滲流逸出點高，危及大壩安全等主要問題。

［1］程圣國，鄭英，蔡啟龍，等. 小型土石壩病險水庫除險加固技術研究［J］. 小水電，2005(06):16 －18.

［2］鄒玉華. 淺談中小型水庫土石壩的除險加固設計［J］. 四川水利，2009(05):52 －55.

［3］黨雪梅. 土石壩除險加固設計［J］. 水利技術監督，2010(05):50 －53.

［4］王秘學，葉俊榮.陸水水庫除險加固設計［J］. 中國水利，2008(20):73 －76.

［5］陳靜. 朱坊水庫除險加固分析與設計［J］. 水利技術監督，2012(01):36 －39.

［6］姚小豐，胡長江. 水庫大壩除險加固工程設計探究［J］.河南水利與南水北調，2013(02):26 －27.