防滲灌漿在小水庫除險加固中的應用

陳生東 吉浩源

（桐柏縣水利局，河南 桐柏474750）

1 工程概況

老虎沖水庫位于淮河流域出山店河支流上，在河南省桐柏縣城東的月河鎮，屬淮河流域。該水庫于1956年2月動工興建，1957年11月竣工。壩址以上控制流域面積2km2，干流長2.9km，平均比降0.045，水文分區為Ⅰ區。水庫上游屬淺山丘陵區，流域內植被較好。水庫大壩為均質土壩，現狀壩頂長120m，最大壩高8.1m，壩頂寬2.9m，路面不平，無路沿石及防浪墻。老虎沖水庫工程等別為V等，主要建筑物級別為5級，水庫原設計防洪標準為20年一遇設計，200年一遇校核，校核洪水位133.94m（黃海高程系），相應庫容36.62萬m3；設計洪水位133.43m，相應庫容28.01萬m3；興利水位131.48m，興利庫容15萬m3。

2 壩體滲漏問題情況說明

老虎沖水庫河槽部位大壩0+030～0+075段存在壩體滲漏及接觸滲漏，高水位時滲水呈明流，滲漏量大。

3 大壩壩體防滲方案比較

大壩防滲是本次老虎沖水庫除險加固的一個關鍵點，根據壩體、壩基巖土和水庫運行中出現的問題，大壩防滲控制應采用垂直防滲措施。設計采用壩體充填灌漿、壩體高噴防滲強與水泥攪拌樁三種方案進行綜合比較，擇優選用。

3.1 壩體充填灌漿

結合大壩整治工程，對大壩進行充填灌漿處理，并將充填灌漿向下深入基巖1.0m，以加固壩體，截斷接觸滲漏，減小壩體壩基滲流量。

灌漿范圍為大壩樁號0+030～0+075，灌漿段長40m。灌漿孔雙排布置，上下游灌漿孔分別布置在新壩軸線上、下游0.75m處，排距1.5m，單排孔距1.5m，共78孔。灌漿頂部高程設計為壩基面以上4.0m，最高到風化砂開挖高程,底部至壩基面以下1.0m。充填灌漿采用2:8水泥粘土漿,水泥采用42.5#水泥。

3.2 壩體高噴防滲墻

根據箭桿沖水庫工程實際，高壓旋噴采用三管法比較經濟，工效高，單排孔高噴形成的樁墻厚度可滿足防滲要求。高噴灌漿施工工藝參數初步設計如下：

灌漿壓力：水壓25.0～30.0MPa，氣壓0.7～0.8MPa，漿壓0.2～0.3MPa。

灌漿流量：水量75～80L/min，氣量1.0～1.2m/min，漿量60～80L/min。

旋轉速度10r/min，提升速度10cm/min，噴嘴直徑8mm。

灌漿材料采用42.5普通硅酸鹽水泥粘土漿，水泥與粘土質量比為1:1。

設計沿新壩軸線布置一排高噴灌漿孔，間距0.8m，灌漿范圍為大壩樁號0+030～0+075，灌漿壩段長40m，共78孔。高噴墻頂部壩基面以上4.0m，底部至壩基巖面。

3.3 水泥攪拌樁防滲墻

結合壩頂風化砂防滲處理，設計采用水泥攪拌樁截斷接觸滲漏及壩體滲漏，以加固壩體。水泥攪拌樁防滲墻設計范圍為大壩樁號0+ 000～0+120，攪拌樁頂部高程設計為133.62m，樁號0+000～0+030段底部高程為風化砂下1.0m，樁號0+030～0+075段底部高程為壩基面下1.0m，樁號0+075～0+120段底部高程為強風化基巖面。

水泥攪拌樁初始設計水灰比為2:1，施工前先做先導孔試驗，結合工程地質條件，機械設備和現場試樁具體情況，確定施工采用工藝參數及水泥摻入比。

根據水泥土攪拌樁防滲墻和先導孔試驗經驗，結合工程地質條件，機械設備和現場試樁具體情況，確定施工采用工藝參數及水泥摻入比。初步設計建議值如下：

①樁徑5000mm，樁心距320mm（最佳搭接墻厚383mm）；

②鉆進及提升速度V=0.288～1.96m/min；

③輸漿壓力：P=0.25～0.3MPa；輸漿管壓力P=0.2～0.25MPa；

④注漿量：30～65L/min；

⑤水泥摻入比：16%；水泥摻量43kg/m3；

⑥水灰比：0.5～0.55；

⑦鉆頭直徑500mm；

⑧樁體滲透系數＜1×10-5cm/s。

3.4 三種方案比較

兩種方案的優缺點及經濟比較見下表。

表1 大壩防滲方案比較表

方案一采用壩體充填灌漿，具有可灌性好、機動靈活、投資少、施工方便等優點，但施工速度慢，工程耐久性查。方案二采用高壓旋噴防滲墻，截滲處理比較徹底，但造價高，施工機械、電力要求高，且各旋噴柱體間連接質量不可靠。方案三采用水泥土攪拌樁防滲墻，施工工期短、造價低廉、實用可靠，對本工程可同時解決風化砂防滲問題。

經綜合比較，本次箭桿沖水庫除險加固采用方案三，即水泥攪拌樁防滲墻方案進行大壩防滲處理。

4 大壩防滲設計

通過方案比較，壩體防滲加固采用水泥攪拌樁防滲墻設計，具體設計參數參上節。

質量檢驗主要采取兩種方法：（1）鉆芯取樣。從開挖外露的樁體中鑿取試塊或采用巖芯鉆孔取樣，鉆孔直徑不宜小于108mm，直接測定樁身強度，觀察攪拌均勻程度，并做壓水試驗，測量樁體滲透系數。（2）開挖檢驗。在工程樁養護到一定齡期時，選取一定數量的樁體進行開挖，直接檢驗樁體外觀質量、搭接質量及整體性、致密性等。

4.1 加固后大壩結構計算分析

根據箭桿沖水庫地質勘探報告，大壩壩體座落于下元古界角閃片巖。結合壩坡整修加固，整修后大壩上游坡度為1:2.2，下游坡度分別為1:2.0、1:2.5，。這里主要針對加固后的大壩，在滲流計算的基礎上，進行壩坡穩定復核驗算。

在滲流與穩定分析中，計算參數的選取直接關系到計算結果的準確性。

滲透允許坡降允許值由《碾壓式土石壩設計規范》SL274-2001中的公式求得。

式中：[J]——允許滲透比降；J破壞——臨界滲透比降；

KB——安全系數（取為2.0）；rs——土的顆粒容重；

rw——水的容重；n——土的空隙率。

利用地質報告中提供的的壩體、壩基土物理參數，根據上兩式，可求得壩體填土允許滲透坡降為0.53，壩基土允許滲透坡降為0.52。

4.2 大壩滲流分析

取主河槽部位樁號0＋060斷面為典型斷面，采用北京理正軟件設計研究所的滲流分析軟件進行二維有限元計算分析。滲流計算時，該斷面除險加固后上游壩坡為1：2.2,下游坡度分別為1:2.0、1:2.5，壩頂寬3.4m，壩高8.2m，基巖為下元古界角閃片巖。大壩上下游及基巖均取1倍壩高。

根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》（SL189-96），大壩滲流計算主要取以下兩種情況：

工況I：正常工作條件，正常蓄水位131.48m穩定滲流計算。

工況II：非常工作條件，校核洪水位133.94m驟降至正常蓄水位131.48m時非穩定滲流計算。

滲流計算結果如表2所示。從計算結果看，壩體滲透坡降均小于允許值。

表2 大壩滲流計算成果表

計算工況1時取下游無水，壩坡溢出點高程127.69m，高于下游壩腳1.19m。

4.3 大壩結構穩定分析

根據《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》（SL189-96），采用北京理正軟件設計研究院編制的《理正巖土系列軟件——邊坡穩定分析程序》，計算方法采用簡化畢肖普條分法，浸潤線數據采用大壩滲流分析計算結果。壩體填土、壩基土材料參數，均采用飽和固結快剪抗剪指標建議值。

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274—2001）的要求，并結合水庫的運用情況，穩定分析計算工況為以下兩種：

工況I：正常工況，正常蓄水位時形成穩定滲流期下游壩坡穩定；

工況II：非常工況，庫水位降落期的上游壩坡穩定；

大壩壩坡抗滑穩定計算結果見表3。

表3 壩坡抗滑穩定安全系數表

根據表2的計算結果看，除險加固后大壩上下游坡在正常、非常工況下抗滑穩定均滿足規范要求。工況I的下游壩坡，在正常蓄水位穩定滲流期最小計算安全系數為1.31。工況II的上游壩坡數，在水位降落期最小計算安全系數為1.24。

5 結束語

經多方案比較，本次箭桿沖水庫除險加固工程采用水泥攪拌樁防滲墻方案進行大壩防滲處理，該方案安全可靠，合理可行，現已得到批復，工程正在建設中。目前，此項工程設計已在桐柏縣同類水庫除險加固工程中推廣應用。

［1］SL55-2005中小型水利水電工程地質勘察規范[S].

［2］SL31-2003水利水電工程鉆孔壓水試驗規程[S].

［3］SL345-2007水利水電工程鉆孔注水試驗規程[S].

［4］SL258-2000水庫大壩安全評價導則[S].