水庫(kù)工程深厚砂礫石覆蓋層防滲處理設(shè)計(jì)

□彭遠(yuǎn)皓

（云南夏洲水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司）

0 引言

水庫(kù)工程多位于崇山峻嶺地帶，正常蓄水位比較高，通常可達(dá)上千米，地質(zhì)條件復(fù)雜，砂礫石覆蓋層比較厚，經(jīng)常會(huì)發(fā)生滲漏和繞滲問(wèn)題。水庫(kù)工程滲漏情況，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益及節(jié)約水資源有很大影響。再加上水文地質(zhì)比較復(fù)雜，不確定因素比較多。因此，為充分發(fā)揮出水庫(kù)工程應(yīng)有的作用和功能，就必須采取合理的防滲漏措施才能保證水庫(kù)工程安全運(yùn)行，提升工程效益。基于此，開(kāi)展水庫(kù)工程深厚砂礫石覆蓋層防滲處理設(shè)計(jì)的研究就顯得尤為必要。

1 工程概述

某水庫(kù)工程總投資項(xiàng)目16.82 億元，為碾壓式瀝青混凝土心墻壩體，高度為128.80 m，總庫(kù)容為1.27億m3，是一項(xiàng)綜合性強(qiáng)的水庫(kù)工程，由攔河壩、帷幕灌漿垂直防滲漏系統(tǒng)、溢洪洞、泄洪洞等共同組成。下部為沖擊砂礫石覆蓋層，呈現(xiàn)泥質(zhì)半膠結(jié)狀態(tài)，厚度在45～214 m 之間，砂礫石覆蓋層的天然密度為2.15 g/cm3，干密度為2.13 g/cm3，滲透系數(shù)在3.74×10-3cm/s 左右，屬于典型強(qiáng)透水底層。

2 深厚砂礫石覆蓋層防滲處理技術(shù)對(duì)比分析

2.1 垂直防滲處理技術(shù)

此項(xiàng)技術(shù)相對(duì)比較成熟，和其他防滲技術(shù)相比，垂直防滲處理技術(shù)具有更加可靠的滲透穩(wěn)定性，而且還能提升墻體的穩(wěn)定性，此外，其檢驗(yàn)優(yōu)勢(shì)也比較明顯，廣泛應(yīng)用在深厚砂礫石覆蓋層防滲處理中。

2.2 水平防滲處理技術(shù)

水平防滲處理技術(shù)的主要原理為：以混凝土作為弱水性材料，在水庫(kù)工程的上游進(jìn)行填筑和碾壓，促使混凝土和壩體形成一個(gè)整體。和垂直防滲處理技術(shù)相比，此種技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以有效控制滲漏量，但無(wú)法徹底根治滲漏問(wèn)題，防滲效果比垂直防滲處理技術(shù)略差，但施工成本低，材料簡(jiǎn)單。

2.3 聯(lián)合防滲處理技術(shù)

為最大限度提升深厚砂礫石覆蓋層防滲處理效果，通常把幕墻結(jié)合防滲、水平防滲、垂直防滲相互結(jié)合，通過(guò)相應(yīng)的施工技術(shù)將三者聯(lián)合為一個(gè)整體。帷幕灌漿施工技術(shù)要想發(fā)揮出應(yīng)有的效果，就必須嵌入到弱風(fēng)化層中，在具體施工中，為降低施工成本，縮短施工工期，經(jīng)常會(huì)降低防滲墻的鑿孔難度。

3 深厚砂礫石覆蓋層防滲處理設(shè)計(jì)

3.1 “上防下排”防滲設(shè)計(jì)思路

防滲處理效果對(duì)該水庫(kù)工程運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)效益有重要影響，為行之有效的解決滲漏問(wèn)題，在該水庫(kù)工程的左岸通過(guò)“帷幕灌漿+交通洞+排水洞”的方式，形成一道連續(xù)的排水孔幕，從而實(shí)現(xiàn)“上防下排”的綜合防滲處理效果。

3.2 防滲長(zhǎng)度的確定

深厚砂礫石覆蓋層造成該水庫(kù)工程發(fā)生滲漏問(wèn)題的主要原因，在布設(shè)帷幕時(shí)，該水庫(kù)工程的年滲漏量為3 078.60萬(wàn)m3，設(shè)置300 m長(zhǎng)帷幕時(shí)，年滲漏量降為3 034.40萬(wàn)m3；設(shè)置550 m長(zhǎng)帷幕時(shí)，降為2 864.60萬(wàn)m3；設(shè)置700 m長(zhǎng)帷幕時(shí)，降為2 784.20萬(wàn)m3。如果再加上壩肩帷幕及封閉效果比較好的庫(kù)區(qū)帷幕，則年滲漏降為2 065.40萬(wàn)m3。從中可以看出550 m長(zhǎng)帷幕和700 m長(zhǎng)帷幕年滲漏量的變化并不是很大。設(shè)置帷幕的主要作用為延長(zhǎng)滲徑，并降低滲漏的坡降，避免高邊坡發(fā)生坍塌影響水庫(kù)工程運(yùn)行的安全性，因此，選擇550 m長(zhǎng)帷幕即可滿足實(shí)際需求。

3.3 深厚砂礫石覆蓋層防滲處理方式的選擇

對(duì)比三種防滲處理技術(shù)，在本工程設(shè)計(jì)中選擇了垂直防滲處理技術(shù)，通過(guò)混凝土防滲墻+帷幕灌漿+懸掛式混凝土防滲墻+砂礫石帷幕灌漿的形式，組成“上墻下帷幕”的防滲體系。但該水庫(kù)工程砂礫石覆蓋層后超過(guò)200 m，缺乏可借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)，也無(wú)規(guī)可循，只能按照實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。

目前全球規(guī)模最大的防水帷幕為埃及阿斯旺防滲漏帷幕，為黏土心墻壩體，覆蓋層為砂、砂礫、黏土和砂的互層，覆蓋層深度為245 m，最大幕墻深度為208 m，通過(guò)帷幕灌漿施工方法完成施工任務(wù)。從1967年建成運(yùn)行至今，防滲效果比較好，可參考借鑒其成功經(jīng)驗(yàn)。

在具體設(shè)計(jì)過(guò)程，如果發(fā)現(xiàn)懸掛式混凝土防滲墻無(wú)法滿足壩基滲透穩(wěn)定性及控制流量的需求，可在其下方重新接灌漿帷幕實(shí)現(xiàn)全截?cái)唷１热缫崩账娬驹诨A(chǔ)施工中就采用了此種防滲處理方法，效果良好。

就目前我國(guó)深厚砂礫石覆蓋層防滲處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，在懸掛式混凝土防滲墻下方接百米及以上深度的垂直防滲處理技術(shù)相對(duì)比較成熟，但防滲墻的造價(jià)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于帷幕灌漿防滲成本。就案例工程而言，開(kāi)展防滲處理的主要目的是延長(zhǎng)滲徑，促使繞滲能夠盡量遠(yuǎn)離壩體的高邊坡，避免發(fā)生滑塌問(wèn)題。所以為降低施工成本，在本工程設(shè)計(jì)中，主要采用了帷幕灌漿垂直防滲漏處理技術(shù)。但《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》明確規(guī)定了斜孔的最大深度為100 m，孔底允許偏差為2.50 m。但本工程鉆孔深度超過(guò)200 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范的限定值，為形成連續(xù)帷幕，避免形成滲漏通道，通過(guò)合理調(diào)整孔距來(lái)控制斜孔深度，在帷幕灌漿時(shí)將排距控制在2.00 m左右，孔距控制在3.00 m左右，孔底最大允許偏差值如表1所示。

表1 帷幕灌漿時(shí)孔底最大允許偏差值表

就案例工程而言，選擇的帷幕總長(zhǎng)度為550 m，則帷幕灌漿孔布置形式為：2排灌漿孔、排間距2.00 m，孔距3.00 m，呈梅花樁布置，為保證防滲處理效果，孔底進(jìn)入巖石的深度要控制在5 m以下，且注漿完成后滲透系數(shù)要控制在100 Lu以下。

3.4 排水孔幕設(shè)計(jì)

排水管長(zhǎng)度計(jì)算公式為如下：

式（1）中，Lρsg表示排管的總長(zhǎng)度；pp（x，y，z）表示排水孔對(duì)應(yīng)位置的孔壓值；ρw表示水庫(kù)水資源的密度；g表示水資源的重力加速度。確定排水管長(zhǎng)度時(shí)，要結(jié)合不同洞頂?shù)膶?shí)際高程，選擇合理排水長(zhǎng)度，案例工程防滲處理中排水管的長(zhǎng)度可選擇9～55 m。

工程防滲帷幕的總長(zhǎng)度為550 m，雖然可以大幅度降低滲透系數(shù)及坡降，但滲透水泥坡降仍然有0.15超過(guò)允許范圍值，位于壩體左岸起480 m 的防滲帷幕處，滲漏水量仍然比較大，對(duì)下游的高邊坡仍然存在較大影響。為進(jìn)一步降低水流向邊坡滲漏，本工程在下游左岸高邊坡位置設(shè)置了一排排水孔幕，用以攔截繞滲水流，降低坡降。

為進(jìn)一步提升排水管布置的合理性，通過(guò)分析該工程左岸砂礫邊坡的穩(wěn)定性，可選擇的布置方式有：3 m一排，3 m兩排，2 m 一排，2 m 兩排，1 m 一排，排間距都是2 m。其中3 m 一排布置方式孔壓消散不夠明顯，再加上排水管間距比較大，水體仍然可以繞過(guò)排水管繼續(xù)向下滲漏。3 m兩排和2 m一排的防滲漏效果基本相同，孔壓可降低50%～55%。后兩種空壓消散的效果最佳，經(jīng)過(guò)排水管之后，孔壓可以降到最低值，綜合考慮性價(jià)比和有效性，決定采用2 m 一排布置方式，進(jìn)而更好地提升防滲處理設(shè)計(jì)效果。

在砂礫土層上鉆孔時(shí)容易發(fā)生掉塊現(xiàn)象，增加排水管安裝的難度，而且引發(fā)泥沙堵塞等問(wèn)題，影響排水效果。因此，在具體施工中，采用了深厚砂礫石層滲流濾排水裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)砂礫石層滲流的分層濾排水處理，有效解決排水孔坍塌和排水管堵塞問(wèn)題，具體情況如圖1所示。

圖1 深厚砂礫石層滲流濾排水裝置示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文章結(jié)合工程實(shí)例，探討了水庫(kù)工程深厚砂礫石覆蓋層防滲處理，得出以下結(jié)論：

一是采用“上防下排”的綜合防滲漏處理技術(shù)，可有效提升防滲效果，不同帷幕長(zhǎng)度，年滲漏量存在一定的差異，但相比而言550 m 長(zhǎng)帷幕和700長(zhǎng)帷幕年滲漏量差距不是很明顯，出于工程投資和經(jīng)濟(jì)性的考慮，選擇550 m長(zhǎng)帷幕即可。

二是垂直防滲處理技術(shù)可形成“上墻下幕”形式，防滲漏效果更加，也是本工程采用的主要防滲技術(shù)。

三是安裝深厚砂礫石層滲流濾排水裝置，可進(jìn)一步降低對(duì)高邊坡的影響，并防止發(fā)生排水管堵塞問(wèn)題，是一項(xiàng)比較先進(jìn)的技術(shù)，值得大范圍推廣應(yīng)用。