新疆平原水庫壩基防滲型式初探

李江峰，戚印鑫，李 娟

(新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

自2000年以來，中央病險水庫治理專項資金撥付，拉開了新疆水庫除險加固工程建設的序幕。一大批早年建設的水庫，經過水庫大壩安全評價程序后，多被評價為三類病險水庫，水庫除險加固工程前期設計和施工建設迫在眉睫。

通過對多座水庫的篩選調查，選擇位于南北疆的9座平原水庫進行分析，得出這些病險水庫主要存在壩高不足、壩體防滲護坡不完善或損壞、壩基未防滲等病險問題。尤其是壩基未防滲、滲漏嚴重，存在嚴重安全隱患。

壩基滲漏又稱壩下滲漏，是指由于大壩壩基的地質條件較差，施工過程中清基不徹底，未清至新鮮巖層，或者根本未作防滲處理，導致在水庫蓄水后在上下游水頭差的作用下沿壩基松散覆蓋層透水層、壩基巖石的孔隙、裂隙、溶洞、斷層而引起的滲漏。壩基滲漏降低了水庫的效益，調節水量減少，綜合功能降低，生態環境受損，經濟效益低下、社會效益缺失、生態效益銳減；增大了對壩底的滲透水壓力，引起壩基巖土潛蝕，導致壩基失穩[1]。

水庫滲漏產生的原因是多種多樣的[2]，壩基防滲與否還直接影響水庫滲流安全。很多水庫進行壩基處理后表明壩基防滲處理效果明顯[3]。本文針對新疆平原水庫的壩基防滲型式展開探討。

1 水庫概況

9座水庫均為引水注入式平原水庫，大壩為碾壓式均質土壩，總庫容1萬～100萬m3，壩高5.1～14.0m，規模介于小(1)型、中型、大(2)型之間，對應的工程等別分別為Ⅳ等、Ⅲ等、Ⅱ等，最高特征水位多為正常蓄水位，只有2座水庫為校核洪水位。9座水庫分別位于南疆的喀什地區、和田地區和巴音郭楞蒙古自治州，以及北疆的塔城地區和烏魯木齊市，建成年份1942—1991年不等，多數為大躍進時代建成的水庫，至今已運行29～78年之久，水庫壩基均為深厚覆蓋層地基。平原水庫特性統計見表1。

2 壩基地層及防滲現狀

通過調查了解到，這9座水庫壩基地層年代由最遠的早古生代志留系-晚古生代泥盆系-中生代侏羅系逐漸過渡到新生代第三系、第四系，地震烈度分區為Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度區，壩基土層滲透系數為n×10-6～n×10-2cm/s。9座水庫在早年建設過程中大多屬于三邊工程(邊勘察、邊設計、邊施工)，受當時的施工建設水平、資金所限，均未對壩基進行防滲處理，為了防止壩基滲透變形和地震液化，個別水庫在壩后施壓蓋重并布置了排水設施，都未從根本上解決壩基的滲漏問題，形成了很大的安全隱患，致使這些水庫自建成以來就帶病運行，達不到原設計運行要求，無法正常發揮水庫的調蓄功能。

表1 平原水庫特性統計表

3 除險加固設計壩基防滲型式

統計分析發現，9座水庫除險加固設計方案，有3座未采取壩基防滲處理措施，但是設置了壩后蓋重和排水或只設置了壩后排水，以達到壩基滲透穩定和防止壩基地震液化為設計標準；其余6座分別采取了深層攪拌樁防滲墻、防滲槽鋪設復合土工膜防滲、薄混凝土防滲墻、垂直鋪設塑膜防滲、水平鋪設復合土工膜防滲、土壩劈裂灌漿防滲等壩基防滲型式，以達到延長滲徑和壩基滲透穩定、防止壩基地震液化的設計標準。這些水庫均已完成除險加固工程，能夠滿足正常運行要求，壩基滲透穩定，壩基滲漏明顯減少。

4 壩基防滲型式分析

4.1 未采取壩基防滲措施

3座未采取壩基防滲處理措施的水庫，最大壩高6.3～7.0m，壩前最大水深4.63～5.33m，計算出壩基實際水力坡降小于允許比降，壩后施壓蓋重寬度11.5～25m、厚度0.5～1.0m，并結合壩后排水的設置，達到了壩基滲透穩定的目的，起到了防止壩基液化的作用。

4.2 采取壩基防滲措施

從防滲措施的部位來看，6座水庫分別采取了垂直防滲措施和水平防滲措施或兩者結合方式，也就是說6座水庫采取的都是水平延長滲徑或垂直懸掛式延長滲徑防滲措施；從防滲材料上看，6座水庫分別采取了攪拌樁墻、混凝土墻、復合土工膜、塑料薄膜和劈裂灌漿防滲或某兩種材料結合防滲；從防滲工程型式上看，6座水庫分別采取了深層攪拌樁防滲墻、混凝土防滲墻、復合土工膜鋪蓋、垂直鋪塑和水泥灌漿。如圖1所示。

4.3 壩基防滲措施對比

究竟何種情況下采用哪一種壩基防滲型式，下面就結合9座平原水庫壩基防滲型式的適用性進行理論對比分析研究。

(1)就防滲措施的部位而言，水平防滲措施適用于壩高較低，水頭較低，壩基地層較為均一，壩基土質為細粒組、滲透系數偏小，壩前地形起伏不大、較為平坦，壩前有足夠的水平位置鋪設水平設施的平原水庫，根據安全要求，鋪蓋長度大于或等于5倍壩前水頭即可，根據經濟效益要求，鋪蓋長度小于或等于30倍壩前水頭即可[4]；垂直防滲措施適用于壩身較高，水頭較高，壩基地層分層較多，壩基土質多樣、滲透系數偏大，壩前地形有一定起伏、變化明顯，壩前工作面較窄的平原水庫，垂直防滲措施主要有垂直鋪塑、深層攪拌樁、混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿防滲墻、振動切槽防滲板墻等[5]。

(2)就防滲材料而言，主要有水泥、水泥土、混凝土、復合土工膜和塑料薄瞙。水泥這種材料應用于灌漿、深層攪拌樁和混凝土防滲墻型式，復合土工膜適用于水平鋪蓋，塑料薄瞙適用于垂直鋪塑。其中的土工合成材料如復合土工膜、塑料薄膜的滲透系數為10-11～10-13，若處理好接頭部位，其防滲效果可謂最佳；深層攪拌樁防滲墻、混凝土防滲墻、灌漿泥墻滲透系數為10-6～10-8，防滲效果也能很好地滿足工程要求，而且接頭部位易于處理。

因灌漿材料不同，灌漿還可細分為黏土灌漿或水泥黏土漿灌漿、水泥灌漿或水泥砂漿灌漿、化學灌漿等。

圖1 6種壩基防滲型式橫剖面圖(高程單位：m，其余尺寸單位：mm)

(3)就防滲型式的適用性而言，深層攪拌樁水泥土防滲墻適用于淤泥、黏土、砂土、粉質粘土等多種軟質土層，防滲深度6～22m之間；防滲槽鋪設復合土工膜適用于防滲深度淺、3m以內即能滿足水庫大壩滲透穩定的情況；混凝土防滲墻適用于松散透水地基、較高水頭的情況，厚度為400mm及以下的薄墻、深度不大于40m，厚度為600～800mm、深度不大于80m，或厚度為1000～1200mm、深度不大于100m的較深、厚墻體；垂直鋪塑適用于軟土地基，不用打造施工平臺，簡單易行，深度一般為6～10m，最深可達16m；水平鋪膜適用于軟質土地基、較低水頭的情況，水平鋪設長度一般為作用水頭的5～6倍；土壩灌漿一般有劈裂灌漿和充填灌漿2種型式，適用于高度70m及以下的均質土壩、土質心墻壩、土堤及其淺層軟土地基。

(4)還有一種壩基防滲組合型式，也可稱之為聯合型式。在洛浦縣哈拉快力水庫除險加固工程壩基防滲設計中，由于東西兩部分壩段的壩基地質結構不同，分別采用了薄混凝土防滲墻和垂直鋪塑膜的組合型式，兩種防滲型式的連接方法很好地解決了壩基防滲問題[6]。在該水庫壩基土層中，有2/3的壩段由細顆粒粉砂層組成，1/3的壩段由粗顆粒砂礫石層構成，該兩種土層分界位置約在0+500樁號。壩基防滲設計中0+500樁號以東對應于粗顆粒砂礫石層采用的是薄混凝土防滲墻型式(剛性防滲體)，0+500樁號以西對應于細顆粒粉砂層采用的是垂直鋪塑防滲型式(柔性防滲體)。為了做好兩種防滲型式的連接，設計采用了15m長的嵌合連接段，其主要設計要點就是采用薄壁(0.3m厚)抓斗機在泥漿護壁條件下挖(抓)出符合防滲深度和清孔后滿足澆筑要求的一個長達15m的槽段，然后垂直鋪塑機由西向東緩慢開槽鋪膜進入挖(抓)出的15m槽段，使得塑膜仍位于防滲軸線上，再分別從塑膜的上下游兩側各沉入1組(共6組間距2.5m)導管，澆筑混凝土將塑膜嵌合于其中，再做好頭部密閉處理，從而形成完整嚴密的剛柔結合的壩基防滲體。如圖2所示。

水庫蓄水以后，恢復了設計庫容，連續多年調節水量超出設計值5%～10%，壩后滲水大幅減少，一改除險加固之前的沼澤、鹽堿地為排滲有序、平坦整齊的淺草灘，新增1.3萬畝灌溉草場，年增供水量400萬m3，產生了巨大的經濟效益、綜合性社會效益和顯著的生態效益，運行應用效果良好。

壩基防滲特性見表2。

4.4 其他常用的壩基防滲措施與特點

4.4.1因成墻設備而異的防滲墻及其特點

(1)雙輪銑水泥土攪拌墻(SMC)是一種新型等厚度水泥土攪拌墻施工技術，將雙輪銑槽機作為專用的防滲墻施工設備，該工藝以其成槽施工效率高、孔型規則、安全環保、適應地層地質范圍廣等優點而被普遍采用[7]，該技術在基坑工程止水圍護結構和水利工程防滲墻等工程有廣闊應用前景。該工法是利用動力驅動裝置，施加驅動力，使得兩個銑輪相對相向旋轉，向下切削攪拌土體，此時，注漿系統也通過注漿孔注入漿液。與土在原地攪拌混合，形成水泥土地下連續墻[8]。目前，國外主要有鉆桿式和懸索式兩種施工機械，鉆桿式施工機械最深可達40m，成墻厚度可達500～1200mm，單幅墻體寬度可達2200～2800mm。SMC工法水泥土攪拌墻芯樣的無側限抗壓強度在0.5MPa以上，滲透系數均小于10-6cm/s，成墻效果優于三軸水泥土攪拌墻工法和TRD工法[9]。該技術是一項值得推廣的水庫大壩防滲墻施工工藝[10]。

(2)與雙輪銑槽機造墻形式相似的還有一種隼式防滲墻形式，隼式防滲墻成墻工藝克服了傳統雙輪銑防滲墻工藝的缺點，提供了一種能制造多個防滲墻段相互隼式接合形成隼式接合防滲墻體的設備。隼式防滲墻工藝最適用于松散透水地層，粒徑小于50mm的礫石、砂及軟土質地層。每次成墻長度約2.80m，深度可達50m，成墻寬度根據工程需求及設計決定，可在30～60cm之間進行調整，正常情況每天可制造地下混凝土墻200m2或地下水泥土墻 300m2，墻體的垂直度不大于1/300，所形成墻體的透滲系數不大于10-7cm/s[11]。

圖2 剛性與柔性防滲體系連接平面圖(單位：mm)

表2 壩基防滲特性表

4.4.2水泥土漿體成墻方式及其特點

(1)自凝灰漿是由水泥、膨潤土為主要原料并加入緩凝劑、分散劑配制而成，在抓斗等設備抽挖槽孔過程中，將灰漿注入槽中，一方面起固壁作用，同時與地層中的砂土不斷混合，自行凝結成防滲墻體的新工藝材料。自凝灰漿防滲墻技術，以其施工速度快、造價低、防滲效果好等優點為歐美、亞洲各國廣泛采用[12]。長江三峽三期圍堰防滲施工中，首次采用這項技術并獲得成功。該成墻工藝設計墻厚80cm，設計強度R28≥0.5MPa，滲透系數K≤i×10-6cm/s，破壞比降J>40，彈性模量E為120～240MPa。

(2)還有一種防滲型式是防滲墻與灌漿兼而有之，但從施工工藝來講，應當屬于灌漿防滲型式。它是采用高壓旋噴灌漿的方式，在壩基地層中形成一定厚度和強度的水泥土防滲墻體。高壓旋噴灌漿施工技術在工程中的實際應用表明，其對壩體壩基的防滲堵漏有著明顯的效果，具有較好的安全性和耐久性。高壓旋噴注漿法主要用于軟弱土層的加固工程當中，其主要特點如下：適用范圍廣，解決靜壓注漿不能注入細顆粒土層的加固問題。可用于新建工程，也可用于工程修復。用于不停止生產的建筑物加固更為優越。旋噴施工可以不破壞原有的建筑物，只在地面鉆一個直徑為76～200mm 的鉆孔即可旋噴成0.4～4m的固結體。固結體形狀可以控制，強度高。固結體可靈活布置，可單樁或密集樁承載。噪音小，無污染。

4.4.3其他防滲形式的特點

垂直防滲墻作為一種壩基防滲形式，在水庫大壩工程中用途很廣泛。有研究發現，若只滿足壩基的滲透穩定，防滲墻的深度只需要3～4倍的上游水頭即可滿足要求；但是滲流量較大，當防滲墻的深度達到11～13倍的壩前水頭時，單寬滲流量曲線均開始趨于平緩，此時再增加防滲墻的深度，對于減少壩基滲流量基本上已經失去意義[13]。增加防滲墻厚度會增加防滲效果，但防滲墻厚度增加1倍，才消減10%水頭，這同時也說明，靠增加防滲墻厚度來提高防滲效果是不經濟的[14]。

無限深透水壩基采用土工膜水平鋪蓋防滲時，水平鋪蓋存在有效長度，該長度大約為壩前水頭的22～30倍，當鋪蓋達到此長度后，壩基的滲流量就會趨于穩定，再延長鋪蓋在控滲方面效果不明顯；此外，滿足滲透坡降的所需水平鋪蓋長度大約只需 3～6倍的壩前水頭甚至更短，說明滲透坡降與滲流量相比較，對水平鋪蓋長度的要求較低。當無限深透水壩基采用不透水的垂直防滲墻控滲時，垂直防滲墻同樣存在一個有效深度，該深度大約是壩前水頭的11～15倍左右。當防滲墻深度達到此深度后，防滲墻控滲效果將趨于穩定，沒有必要再延長尺寸；同樣發現，壩基的滲透坡降對防滲墻深度的要求相比滲流量所要求的深度要小。垂直防滲體的防滲效果大約是水平防滲體的1.5～3.5倍[15]。

武清[16]等借鑒下坂地水庫及斯木塔斯水電站等其它類似工程建設經驗，對古河槽內深厚大孔隙卵礫石地層，采用防滲效果好的全封閉式槽孔混凝土防滲墻防滲方案。并且提出對于墻深小于60m的墻下底部基巖則結合帷幕灌漿處理，灌漿的深度按基巖透水率5Lu線控制；對于墻深大于60m的超深防滲墻，其入巖深度按基巖強風化層厚度2m控制，不再進行帷幕灌漿處理。郝永志[17]在大石門水利工程深厚砂礫石覆蓋層防滲處理設計中指出，垂直防滲是深厚覆蓋層防滲處理的一種行之有效的處理方式，常采用混凝土防滲墻、帷幕灌漿和懸掛式混凝土防滲墻下接砂礫石帷幕灌漿(上墻下幕形式)。

就防滲墻而言，由國外引進的超薄防滲墻工藝能滿足墻厚7.5～15.0cm、墻深20m以內的各種防滲墻。還可以由兩種或兩種以上不同材料、不同型式聯合組成的防滲方案。但不論采用何種方式、何種材料進行壩基防滲，對于該類平原水庫而言，在有條件的情況下需要采取合適的壩基防滲型式。只要采取了符合壩基地質條件要求、并且能夠達到壩基滲透穩定，在地震情況下壩基不發生破壞，同時能夠有效減少壩基滲漏，能夠達到效率優先、經濟優化、多快好省的施工建設，最具適用性的壩基防滲型式，就能夠發揮出水庫工程的應有效用、達到預期效益。

5 結語

隨著社會和科技的快速發展，水庫壩基防滲新技術、新工藝、新材料會不斷出現，但是本文列示的幾種壩基防滲型式，仍是今后平原水庫除險加固工程建設可供比選的有效類型，尤其對于壩基地層存在兩種或兩種以上結構型式的連接，推薦采用剛性與柔性結合的壩基防滲型式；不僅要達到水庫壩基滲透穩定的要求，還要滿足最小滲漏量和水庫安全運行的要求；要根據水庫的地質情況以及工程特性進行甄別選用，能夠采用先進有效適用的壩基防滲型式才是本文探討與推廣的積極意義。