安徽省小型土石壩常用壩體防滲技術(shù)探討

李寶春，路偉亭

（1.安徽省水利部淮委水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088；2.安徽省水利水資源重點實驗室，安徽 蚌埠 233000）

1 概述

新中國成立以來，安徽省持續(xù)開展大規(guī)模水利建設(shè)，基本建成防洪、除澇、灌溉等工程體系，為省內(nèi)除水害興水利發(fā)揮了巨大的作用。截至2020年10月，全省在冊小型水庫共計5916座。其中均質(zhì)土壩4641座，粘土心墻壩588座，粘土斜墻壩159座，占水庫數(shù)量的91.08%，詳見圖1。

圖1 安徽省小型水庫分布圖

安徽省的水庫絕大多數(shù)建于20世紀(jì)50-70年代，受當(dāng)時社會、經(jīng)濟、技術(shù)條件的制約，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差。清基不徹底、填筑質(zhì)量差、存在壩體壩基滲漏或接觸滲漏等問題是土石壩的主要病險特征。本文對安徽省不同區(qū)域的100座小型水庫土石壩進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，加固前江南的土石壩中56%存在不同程度壩體滲漏現(xiàn)象，而37%的江淮之間的土石壩同樣存在壩體滲漏。除此之外，部分土石壩存在壩基滲漏、壩肩滲漏和涵洞接觸滲漏等病險，還有部分存在滲流比降不滿足規(guī)范要求的現(xiàn)象。研究表明，由于滲流滲透破壞而造成土石壩事故的，約占全部事故的30%～40%。因此土石壩防滲設(shè)計應(yīng)引起足夠重視。

本文對安徽省內(nèi)小型水庫除險加固工程防滲措施進行了統(tǒng)計，如圖2所示，樣本中29%的水庫采用的高壓噴射灌漿的防滲措施，22%的水庫采用的復(fù)合土工膜的方式。土石壩防滲處理在土石壩除險加固投資占較大比例。按照技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、技術(shù)可行、施工便利的原則，選用最適宜的防滲措施是水庫除險加固工程設(shè)計中的主要問題之一。本文對安徽省內(nèi)常用的高壓噴射灌漿、復(fù)合土工膜、多頭小直徑、塑性混凝土、粘土斜墻、沖抓套井粘土井柱等六種防滲措施的優(yōu)缺點進行分析，旨在更好地指導(dǎo)水庫除險加固中防滲方案的選取。

圖2 土石壩防滲措施統(tǒng)計圖

2 防滲措施探討

2.1 高壓噴射灌漿

高壓噴射是利用高壓水氣噴射切割破壞地層結(jié)構(gòu)形成縫槽，將土和水泥漿液攪拌，充填該縫槽，漿液凝固后形成防滲板墻的防滲方法。高壓噴射灌漿分為定噴、旋噴和擺噴。定噴和小角度擺噴適用于粉土和砂土地層；大角度擺噴和旋噴適用于各種地層；深度小于20m的卵碎礫石地層，可采用擺噴；深度20～30m時，可采用單排或雙排旋噴；深度大于30m時，一般采用兩排或三排旋噴。

通過高壓水氣噴射作用強制性破壞原土層結(jié)構(gòu)，不存在靜壓注漿的可灌性問題。只要高壓射流能破壞的細砂層、極細砂層、粘土層等均可處理，對塊、卵石層的較大孔隙及集中滲漏的空間用地層顆粒或級配料予以充填封堵。

高壓噴射灌漿對施工場地要求不高，能在鉆孔內(nèi)的任何高度，采用不同噴射形式，按要求噴射成不同形狀的凝結(jié)體，并可穿過壩體、涵洞等對其下方的隱患進行處理。對高噴形成板墻的物理力學(xué)指標(biāo)還可通過漿液配比進行調(diào)整。

高噴灌漿適應(yīng)性較廣，優(yōu)點突出，對細顆粒地層是比較適宜的。對摻有大顆粒地層或致密的粘土層中，要求工藝高，需試驗進行參數(shù)選取。在砂卵石、塊石地層中，由于造孔難度大，需采用沖擊進鉆及固壁。由于其適用于的土層廣泛，施工前應(yīng)對工程地質(zhì)和水文地質(zhì)進行深入了解，控制施工質(zhì)量。

與深層攪拌樁比較，高壓噴射灌漿成型強度較低，但適用地質(zhì)條件廣。

2.2 復(fù)合土工膜

復(fù)合土工膜廣泛應(yīng)用于土石壩的防滲措施中。土工膜應(yīng)用于土石壩中變形能力強，防滲性能好。土工膜具有很好的拉伸性能，能很好地適應(yīng)土石壩不同工況下的變形。防滲土工膜滲透系數(shù)一般1e-14cm/s，只要保證土工膜不破損，且與結(jié)構(gòu)的連接以及自身的焊接質(zhì)量可靠，其防滲效果是可以保證的。同時土工膜用于土石壩防滲節(jié)省工程投資，且工期短。土工膜防滲層造價僅為混凝土防滲層的1/2.5～1/3，且具有施工設(shè)備投入少、施工速度快的優(yōu)點。

土工膜應(yīng)用于土石壩防滲工程也存在一些缺點，主要有以下方面：

土工膜為高分子材料，長期暴露在紫外線、空氣等環(huán)境中，特別是水位變化區(qū)，容易老化破壞，失去防滲性能。土工膜幅寬一般為8m，應(yīng)用于土石壩防滲接縫多；且與周邊建筑物連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜。土工膜與周邊建筑物或防滲結(jié)構(gòu)的連接部位，以及接縫焊接部位是防滲體的薄弱環(huán)節(jié)，也是施工工藝較為復(fù)雜的部位，必須嚴(yán)格按照要求施工，以保證施工質(zhì)量。土工膜為高分子聚合物，目前水庫防滲用的土工膜厚度以1～3mm為主。土工膜在施工過程中易遭受人為破壞，正常運行中抵抗外力損傷的性能較差。而外力損傷對土工膜防滲性能的影響非常顯著。

2.3 多頭小直徑深層攪拌樁

多頭小直徑深層攪拌樁是利用水泥作為固化劑，通過深層攪拌機械，把水泥漿噴入地層中，使土體與水泥漿強制攪拌，利用水泥漿和土體之間產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使水泥土硬結(jié)成連續(xù)防滲墻體。

多頭小直徑深層攪拌樁適用于砂性土、粘性土、粉土、人工填土、淤質(zhì)土、粒徑小于50mm的砂質(zhì)層，甚至有土體架空或有孔洞時也可應(yīng)用，具有工藝簡單、施工速度快、成本低等特點，形成的水泥土防滲墻體具有整體性、均勻性、強度性及抗?jié)B性等特點。

多頭小直徑深層攪拌樁易受地層適應(yīng)性及施工深度的限制。當(dāng)遇到砂質(zhì)土、含礫地層、人工回填土及碎石土等地層或施工深度大于22 m時，深層攪拌法施工技術(shù)往往難以進行。當(dāng)攪拌樁施工過程中遇到塊石，會有無法鉆進的情況。

2.4 塑性混凝土

塑性混凝土防滲墻在配合比中加入了粘土和膨潤土，具有良好的力學(xué)特性，得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。該方法適用于各種不同材料的壩體和各種復(fù)雜地基，墻的兩端能與岸坡防滲設(shè)施或岸邊基巖相連接，墻的底部可嵌入弱風(fēng)化基巖內(nèi)一定深度，徹底截斷壩體及壩基的滲透水流。成墻方法有鋸槽、液壓開槽、射水及薄抓斗等多種。

值得注意的是，塑性混凝土防滲墻剛度遠大于土石壩材料。由于壩體水平變形比壩基大得多，壩體防滲墻更容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，甚至發(fā)生斷裂。而且病險土石壩多數(shù)存在施工碾壓密實度不夠問題，大壩受水荷載作用時變形更大。采用剛性防滲結(jié)構(gòu)很難適應(yīng)大的變形，可能會產(chǎn)生裂縫，破壞防滲結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)注意壩體防滲墻的受力分析，特別是深壩體防滲墻受力分析。

2.5 粘土斜墻

粘土斜墻是將粘土鋪蓋作為防滲體的做法。粘土斜墻具有一定的適應(yīng)地基變形能力；一般可就地取材，很多工程區(qū)合理運距范圍內(nèi)就有符合質(zhì)量和儲量要求的粘土料，防滲材料容易取得；粘土經(jīng)碾壓壓實后滲透系數(shù)可達1e-6cm/s，在粘土質(zhì)量及壓實度得到保證的前提下，土質(zhì)防滲體可滿足對水庫滲漏量控制的要求。與其他防滲方式相比，粘土斜墻具有較明顯的價格優(yōu)勢，節(jié)省工程投資。施工簡便，具有成熟的施工經(jīng)驗和設(shè)備。

在以下條件下，粘土鋪蓋防滲方案不宜采用：

防滲水頭較高，工程區(qū)合理運距范圍內(nèi)缺少符合設(shè)計要求的土料，或者開挖粘土料會對環(huán)境造成較大不利影響；地基覆蓋層具有高沉陷性、易管涌性、強流失性，或相對于鋪蓋具有強流失性或?qū)倩蚣芸諏樱粌砂锻杆詮姡蛘惩龄伾w與庫周巖壁不易連接。

2.6 沖抓套井粘土井柱

沖抓套井粘土井柱是利用沖抓式造孔機具，在土石壩滲漏范圍的防滲體中造孔，用粘性土料分層回填夯實，形成一個連續(xù)的粘土防滲墻。同時，在回填夯擊時，對井壁土層擠壓，使其井孔周圍土體密實，提高壩體質(zhì)量，從而達到防滲加固的目的。

沖抓套井粘土井柱具有機械設(shè)備簡單，施工方便，工藝易掌握，工程量小，工效高，造價低等優(yōu)點。在江淮之間中小型水庫土壩使用較多。

當(dāng)孔深超過25m時易發(fā)生偏斜，造成回填土的搭接厚度達不到設(shè)計要求。對處理壩基滲漏，難以解決砂礫石有破碎巖石的情況。同時由于施工時需控制粘土料的最優(yōu)含水率等參數(shù)，水下施工難度大，雨季施工也有一定困難。

3 結(jié)論

我省小型水庫土石壩數(shù)量多、分布廣，地跨長江流域、新安江流域和淮河流域，地形分山區(qū)和丘陵。一輪的除險加固為水庫的管護以及加固提供了寶貴財富。通過對土石壩病險特征和加固措施的統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)的土石壩有不同的病險特征，在除險加固中應(yīng)深入分析病險特征，采取最合理有效的措施。