多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻在凌塘水庫均質土壩防滲加固中的應用

楊汝昆

（陜西省山陽縣色河鋪鎮農業綜合服務站，陜西 山陽 726400）

0 前言

凌塘水庫位于江蘇省鎮江市丹徒區中心河上游的上黨鎮境內，是鎮江市丹徒區最大的水庫，屬太湖湖西水系，積水面積25.5 km2，總庫容1492萬m3，始建于1958年，是一座以防洪灌溉為主、兼顧生產養殖的中型水庫。水庫樞紐工程為Ⅲ等工程，大壩為均質土壩。

該水庫始建于上世紀50年代，經多次加高達現有規模。經過近50年運行，水庫已出現一系列安全隱患，危及工程安全。凌塘水庫距鎮江市丹徒區(丹徒新城)僅5 km，若水庫潰壩將直接沖擊或淹沒范圍達10 km2，主要為揚溧高速公路、滬寧高速公路鎮江支線、上黨鎮及附近人口較密集的村莊，威脅水庫下游約5.1萬畝耕地和1.3萬人口的安全。

凌塘水庫壩身于1958年填筑，后于1972年加高續建基本達設計標準，土壩填筑主要是人工，夯壓不實，特別是1972年續建部分，沒有經過質量檢驗。高水位期間，背水坡有較為明顯的滲漏現象，1991年，當庫水位達到27 m以上時，在背水坡0+380～0+580段，高程25.5 m存在散浸現象。故本文對凌塘水庫土質壩滲漏原因進行綜合分析，以期制定適用的防滲加固方案。

1 壩體填筑質量、滲透性及運行情況分析

1.1 壩體填筑質量

壩體填土的天然含水量為18.8%～28.1%，平均值24.3%；干密度為1.44 g/cm3～1.60 g/cm3，平均值1.54 g/cm3。根據擊實試驗知，壩身土最大干密度為1.64 g/cm3，壓實度88%～97%，平均為94%，達不到《碾壓式土石壩設計規范》SL274-2001要求的3級及以下中低壩壓實度96%～98%的要求，壩體土密實度稍差。由壩體各填土層的物理力學性質指標差異不大知，主壩壩體填筑基本均勻，但局部填土干容度較小，僅14.4 kN/m3（30孔），填土壓實度合格率偏小，說明局部壩體填土質量較差。

1.2 壩體填土滲透性

本次勘察對壩體填土進行室內滲透試驗及現場鉆孔注水試驗，測定其滲透性。壩體填土室內滲透試驗結果見下表1，注水試驗結果見表2。

表1 壩體填土室內試驗滲透系數統計表

表2 注水試驗成果一覽表

由表1、表2可知，室內土工滲透試驗平均值為5.14×10－5cm/s，注水試驗確定的滲透系數K為 2.42×10－5～1.42×10－4cm/s，不能完全滿足《碾壓式土石壩設計規范》中“均質土壩壩體滲透系數不大于1×E-04 cm/s”的要求。根據現場注水試驗結果可知，主壩上共進行注水試驗8處，大壩中段“注2孔、105孔”①層滲透系數較大，達中等透水，不滿足規范要求；23#鉆孔中出現沖洗液漏水現象。

1.3 壩基滲透性

大壩0+167斷面勘探剖面見圖1，根據現場勘察、室內土工試驗、原位測試結果，壩址區所揭示的地基土層，按其成因類型、地質年代及性狀自上而下可分為:

②層（Q4al）:粉質粘土（中粉質壤土）。黃色、灰黃色，軟塑-可塑，局部粉性大。本層為微-弱透水層，切面有光澤，一般為原地表土。層頂高程為17.3 m～27.1 m，層厚為0.8 m～8.0 m，平均厚度為4.4 m。

③層（Q3al）:粉質粘土（重、中粉質壤土）。黃色、灰黃色，可塑-硬塑，局部粉性稍大。不均勻，局部底部較上稍軟。本層為微透水層。層頂高程11.8 m～26.8 m，平均厚度為6.2 m。

④層（k2）基巖。成分主要為浦口組砂巖，強～中風化。紫紅色、暗黃色，塊狀構造，泥質膠結，裂隙被鈣質等充填，為不透水層或極微透水層。本次勘探未鉆穿。

壩基土室內滲透試驗結果見表3。

表3 壩基土室內試驗滲透系數統計表

圖1 大壩0+167斷面勘探剖面

對②、③層粉質粘土進行室內滲透試驗，試驗表明②、③層滲透系數為微～弱透水性；對④層砂巖進行壓水試驗，根據壓水試驗成果可知，該層透水率為0.16 Lu，為微透水性。

1.4 實際運行情況

高水位期間，背水坡高位有較為明顯的滲漏現象，1991年，當庫水位達到27 m以上時，在背水坡0+380 m～0+580即200 m長、高程25.5 m處存在散浸現象，出逸點高于壩高的三分之一（參考《堤防處理》），為非正常滲流，應進行處理。

2 防滲加固處理方案

文中1.2節提出的三個問題注水孔分布于0+110～0+310之間的高壩段。考慮到大壩系采用人工填筑，新老填土及分界線等處理不夠徹底、碾壓不實、高水位時背水坡滲流逸出點較高等因素，主壩高壩段及中壩段宜采用防滲措施處理，處理范圍為0+000～0+650段。迎水坡護砌損壞，背水坡排水設施簡易、不完整，部分壩段在高水位期間有滲水現象，因此應對主壩迎水坡護坡整修加固。

2.1 主壩壩身防滲處理方案

根據本水庫除險加固的實際情況采用垂直防滲方案。深層攪拌樁法適用于軟土層、砂性土的改良，防滲墻擬采用多頭小直徑深層攪拌機施工法，多頭小直徑深層攪拌噴灌漿防滲墻，適用于各類粘性土、沖填砂、砂性土，施工條件要求低、防滲效果好、結構簡單。故采用多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻對其進行防滲處理。

2.2 防滲墻方案設計

防滲墻厚度按下式計算:

式中:T為最小防滲墻厚度，m；△H為最大上下游水頭差，根據滲流計算得△H=3.50 m；[J]為防滲墻允許水力坡降，參考相關資料取30。

經計算，T=0.12 m。考慮施工可能帶來的垂直偏差等，取有效厚度0.30 m，單樁直徑為0.4 m，搭接處取最小成墻厚度0.30 m，樁間搭接13.5 cm，滿足防滲要求。

多頭小直徑水泥土攪拌樁截滲墻水泥宜為普硅42.5級，水泥摻入量15%以上。要求室內水泥土無側限抗壓強度不小于1000 kPa（28天齡期），截滲墻現場取芯無側限抗壓強度不小于600 kPa，要求滲透系數達5×10-6cm/s以下。

樁進入第②層土以下不小于1 m，或進入第③層土以下0.5 m，本次壩體防滲墻為 0+000（溢洪道）～0+650(DCS04)段，工段長650 m，最大孔深13.7 m，總面積7700 m2。

2.3 背水坡反濾設計

根據《碾壓式土石壩設計規范》，土石壩應設置壩體排水，用以降低浸潤線和孔隙壓力，改變滲流方向，防止滲流出逸處產生滲透變形，保護壩坡土不產生凍脹破壞。根據實際情況，本水庫大壩可采用棱體排水或貼坡式排水。

由圖2知，本水庫大壩防滲處理后，下游壩坡出逸點高程已較低，故選擇貼坡式排水。

2.4 壩基防滲處理方案

主壩背水坡壩腳現有護壩地寬12 m～18 m，寬度不足，護壩地外為魚塘，據滲流穩定計算，護壩地外出逸比降均大于壩腳處出逸比降，護壩地外魚塘有可能成為防滲薄弱環節，需加固處理。本水庫周邊其它中型水庫護壩地寬度均為壩高的2倍左右，因此，本次除險加固擬進行填塘固基，使護壩地寬度達兩倍壩高。

凌塘水庫最大壩高為13.0 m，設計高壩段護壩地寬度為26.0 m，范圍0+000～0+560，該段范圍內現有護壩地高程在21.50 m左右，高低起伏、不齊整，本次除險加固擬將護壩地平整至高程22.50 m，需填塘固基范圍為0+069～0+477，主壩填塘工段總長380 m，需填塘寬8 m～14 m。里程0+560～0+740的護壩地按8 m控制，按設計斷面整平至高程28.0 m～30.0 m。

3 除險加固后的大壩穩定性計算

3.1 滲流計算

（1）計算工況的選用

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）的規定，結合凌塘水庫的具體現狀，滲流計算按以下工況進行:①水位在壩高1/3位置，穩定滲流；②正常蓄水位（興利水位）26.0 m，穩定滲流；③設計洪水位28.13 m，穩定滲流；④校核洪水位29.23 m，穩定滲流；

（2）計算斷面及計算參數

對DCS19(采用3-3’地質剖面)加固后斷面采用河海大學工程力學研究所研制的水工結構有限元分析系統《AutoBANK v 4.0》進行計算。滲流量計算采用土層滲透系數的大值平均值，水位降落時浸潤線計算采用各土層滲透系數的小值平均值，逸出點高度、比降等其它滲流計算均采用各土層滲透系數的平均值。計算參數見4。

（3）計算成果

主壩設計斷面（DCS19）滲流計算成果見表5。由表5可知，主壩壩坡及壩基出逸比降均小于允許坡降，滿足規范要求。故加固后主壩滲流穩定計算可以滿足要求，滲流量有所減小，浸潤線明顯下降，逸出點高度也明顯下降。

圖2 主壩設計斷面DCS19滲穩定計算

表4 凌塘水庫大壩滲流及壩坡穩定計算參數采用表

表5 主壩設計斷面（DCS19）滲流計算成果表

3.2 邊坡穩定、抗滑、抗震計算

采用推薦方案對大壩進行除險加固后，對壩坡穩定進行計算。計算采用河海大學工程力學研究所研制的土石壩/堤防穩定分析系統《Slope v1.0》，并選用簡化畢肖普法，計算采用各層土體的慢剪強度指標。

（1）計算工況

根據SL274-2001《碾壓式土石壩設計規范》，分析穩定滲流期的上下游壩坡、庫水位降落期的上游壩坡的抗滑抗震穩定安全性，擬定采用工況如下。

1）上游坡

①危險水位（1/3壩高水位），壩體形成穩定滲流；②正常高水位26.50 m，壩體形成穩定滲流；③設計洪水位28.13 m，壩體形成穩定滲流；④校核洪水位29.23 m，壩體形成穩定滲流；⑤死水位21.70 m，壩體形成穩定滲流。

2）下游坡

①正常高水位26.50 m，壩體形成穩定滲流；②設計洪水位28.13 m，壩體形成穩定滲流；③校核洪水位29.23 m，壩體形成穩定滲流；④死水位21.70 m，壩體形成穩定滲流。

（2）計算成果

①主壩DCS19位于高壩段，進行邊坡穩定、抗滑、抗震計算，地質剖面采用3-3’地質剖面。主壩DCS19設計斷面邊坡穩定計算結果見圖3，凌塘水庫大壩DCS19抗滑計算成果見表6，凌塘水庫DCS19標準斷面大壩抗震計算成果見表 7。

圖3 主壩DCS19設計斷面邊坡穩定計算（單位:m）

表6 凌塘水庫大壩DCS19抗滑計算成果表

表7 凌塘水庫DCS19標準斷面大壩抗震計算成果表

由圖3知，幾種工況下邊坡穩定性均滿足要求；由表6、表7可知，抗滑、抗震安全系數皆大于規范，滿足要求。

4 結語

根據凌塘水庫滲漏實際情況和水庫現況，運用多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻+增設貼坡式排水+填塘固基防滲加固方案設計，結合《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001），采用水工結構有限元分析系統和土石壩/堤防穩定分析系統《Slope v1.0》分別對加固方案實施后的壩體進行滲流及壩坡穩定計算，大壩經除險加固后，能滿足滲流穩定、抗滑、抗震要求。防滲加固方案施工后，大壩至今未再出現滲漏問題。因此，多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻作為凌塘水庫土質壩主要防滲加固措施，能有效解決凌塘水庫土質壩防滲問題。結果可為類似均質土壩水庫滲漏加固工程提供參考。