大壩除險護坡防滲及黏土固化漿液防滲心墻設計

車傳迎，姜曉勇

(臨沂市水利工程處，山東 臨沂 276000)

1 工程概況

土山頭水庫位于臨沂市蘭山區汪溝鎮土山頭村西，水庫控制流域面積0.44km2，流域形狀為扇形，干流長1.05km，河道平均坡降0.035，水庫設計灌溉面積53.33hm2。土山頭水庫于1977年6月建成蓄水，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、生態功能等綜合效益于一體的小(2)型水庫。經過40多年運行，目前水庫大壩存在護坡腐蝕破壞嚴重，黏土斜心墻(防滲性、高度等)不滿足使用要求等問題，需要進行針對性的除險加固工作。

2 大壩護坡防滲加固設計

土山頭水庫大壩為一座土石壩，原護坡結構完整性已被破壞，本次設計除了將上下游護坡進行重新翻修外，還要在上游護坡之下添加一層反濾層，以增加護坡防滲性。

2.1 上下游護坡加固設計

2.1.1 上游護坡加固設計

根據“就地取材、節約投資”的原則，本項目結合其他工程經驗，共設計出兩個上游護坡加固方案：干砌塊石護坡和預制混凝土塊護坡，這兩種方案的具體設計如下[1]：

1)干砌塊石護坡厚度計算

干砌塊石護坡厚度t的計算公式見(1)(2)，經過統計水流變化情況，確定土山頭水庫適合(2)，因此計算得本項目中t=0.325，最終取值0.3m。

當

(1)

當

(2)

式中：Lm為河流的平均波長，m；hp為累計頻率為5%的波高，m；K為隨坡率變化系數，取值1.4；D為石塊換算球形直徑，取值0.25m。

2)預制混凝土塊護坡厚度計算

預制混凝土塊尺寸為0.5×0.4m(長×寬)，護坡厚度t計算公式見(2-3)，經計算t=0.12m。考慮到土山頭水庫在興利水位下其變化劇烈，水流容易對護坡產生淘刷，時間久了容易使護坡產生不均勻沉降問題，而且干砌石相對于預制混凝土塊更為經濟，因此本項目上游最終選擇干砌塊石護坡方案[1-3]。

(3)

式子：η為 相關系數，取值1.1；hp為累計頻率為1%的波高，m；ρw為水的容重，t/m3；ρc為混凝土板密度，t/m3；m為上游坡度的余切值。

2.1.2 下游護坡加固設計

下游壩坡設計的加固形式為草皮護坡，具體步驟如下：①首先將原壩坡平整清基，厚度不低于0.3m，然后按照1∶2.25進行填充或削減；②覆蓋一層0.5m厚壤土，壓實度不低于0.9，最后播撒草籽；③沿下游壩坡每50m設一道豎向排水溝，壩腳處貼坡排水，壩腳設M10漿砌石擋墻。壩頂路面采用C25混凝土路面，路面凈寬4m。

2.2 上游反濾層設計

本項目設計在上壩坡與黏土斜心墻接觸面，設計一反濾層，以保證黏土心墻有一定的自愈能力(位置如下圖1所示)。結合其他工程經驗，本項目反濾層設計厚度為1.0m。反濾層的設計重點是土料，其最大粒徑D15要求見(4)[4]。

4d15≤D15≤9d85(D15≥0.1mm)

(4)

式中：D15為反濾料粒徑小于該粒徑的土重占總重的15%；d15為黏土料粒徑，小于該粒徑土重占總土重的15%，取值0.004mm；d85為被保護土粒徑，小于該粒徑土重占總土重的85%，取值0.05mm。

經過計算，D15最大值為0.45mm，計算出的最小值為0.016mm，小于規范要求底限值，因此最小值設計為0.01mm。最終兩者之比為4.5，<5.0，因此反濾料不會出現間斷級配情況，符合相關設計要求。土山頭水庫大壩除險加固后結構如下圖1所示。

圖1 大壩剖面結構示意圖

3 黏土固化漿液防滲心墻設計

黏土固化劑防滲灌漿技術是一種針對小型水庫壩體防滲加固的新技術和新材料，能夠顯著減少水泥使用量，便于就地取材，在符合防滲要求的前提下可使綜合成本降低15%-20%，經濟效益顯著。

3.1 黏土固化劑原理分析

黏土固化劑主要由黏土(占比80%-90%)、水泥(占比15%-20%)組成，具有較好的流動性、膠凝性、固化穩定性等[5]。黏土固化劑與水攪拌均勻后，會生成大量諸如水化硅酸鈣、鋁酸鈣等，硬化后與周圍土料形成穩定的絡合物，部分化學反應式見(5)。

3(CaO·SiO2)+nH2O→3CaO·2SiO2·
nH2O(膠體)+Ca(OH)2(晶體)

(5)

3.2 黏土固化劑相關設計分析

3.2.1 漿液配置設計

本項目通過試驗室和現場試驗，確定了漿液中黏土(本地采挖、研磨、篩選，粒徑<0.005mm)占比80%，水泥(32.5以上硅酸鹽水泥)占比20%，固化劑(粉煤灰)摻合量為水泥用量的15%[6]。漿液由臨時配漿站統一制備和管理，配置好后要過2mm方孔篩進行一次篩選，最后通過管道運至施工地點。根據灌注位置和作用的不同，漿液水料比級別設計如表1所示。

表1 漿液水料比級別和作用

3.2.2 鉆孔設計

黏土固化漿液防滲技術的灌漿孔排數由壩體土料和透水性等因素決定，若采用單排孔，孔距一般控制在1.0-1.5m，雙排孔孔距一般為1.2m，排距為0.6m。本項目是在原斜心墻基礎上進行鉆孔灌漿，因此設計為單排孔，孔距1.0m，孔徑設計1.5m，有效固結體厚度不低于0.6m，為避免灌漿時串漿，將鉆孔共編為3個序孔，示意圖如圖2所示。

3.3 灌漿施工要點設計

3.3.1 灌漿方式及壓力控制

1)本項目采用“循環式+純壓式”相結合的灌漿方法，其中當壩基基巖段灌漿深度大于5.0m時，設計采用“自下而上分段注漿”方式，不足5.0m時采用一次注漿即可。

2)本項目設計壩基注漿壓力控制在0.15-0.5MPa，壩體注漿壓力控制在0.1-0.15MPa。如果在注漿過程中發現注漿壓力過小、回漿量小等現象，要改為間歇注漿，間隔不低于30min，若之后這些問題還沒有改善，則要求將間隔時間延長至24h以上[7]。

3.3.2 注漿順序及封孔設計

1)本項目注漿順序按照“Ⅰ序→Ⅱ序→Ⅲ序”進行，設計間隔時間不低于2.0h，通過現場試驗確定漿液擴散半徑約為1.5m，通過疊加方式可以使固結體厚度達到0.6-0.8m。

2)當注漿壓力達到規定值后，且注漿量<2.0L/min時，繼續灌注20min。由于本項目壩頂為公路，路基為20cm厚碎石層，注漿前需開挖至土層20cm以下，利用纖維袋扎緊套管并用壓漿板覆蓋，防止漿液進入公路碎石層。

4 結 語

土山頭水庫大壩經過本次除險加固后，與加固前相比滲漏量減小了80%，降低至2.25m3/d，完全滿足相關規范要求。黏土固化注漿防滲技術可以顯著減少水庫大壩防滲加固成本，較好地兼顧了經濟性和實用性，特別適合小型水利工程使用。該技術的核心點就在于漿液的合理配比，要遵循“理論+現場實踐”原則，不可照搬其他工程經驗，而且需要根據現場變化進行靈活調整，對灌注技術要求較高。