鵲山水庫除險加固工程圍壩防滲方案比選

曹俊強，付延東，張 璐

（濟南市水利建筑勘測設計研究院有限公司，山東 濟南 250014）

鵲山水庫1999 年12 月主體工程竣工，水庫總庫容4 600 萬m3，興利庫容3 930 萬m3，設計日供水能力44 萬m3，現狀供水對象為鵲華水廠、清正水廠和東聯供水。水庫樞紐主要由引黃閘、1#取水泵站、沉沙池、沉沙池至水庫輸水箱涵、2#入庫泵站、水庫和3#出庫泵站等組成。經多年運行，水庫存在多處滲漏、坍塌，經鑒定，為Ⅲ類壩，需進行除險加固。

1 防滲范圍的確定

1.1 現場巡查情況

鵲山水庫建成至今已運行21 年，自2007 年底發現10+400 處貼坡排水滲水以來，水庫壩腳貼坡排水及截滲溝滲水點數量逐年增長。巡查發現的滲水點情況統計如下：

1）東圍壩。截滲溝：5+100、5+220、6+250、6+300、6+620、6+800、7+300 輕微滲水。5+820、6+850、6+905、6+950 滲水流速較快。根據巡查記錄顯示，上述滲水點為持續滲水，基本認定為庫區滲水。貼坡排水：4+970～5+300、6+850～7+150 處出現潮濕、積水現象。

2）南圍壩。截滲溝：8+800 處滲水。貼坡排水：8+700～9+000、9+250～9+470、10+050～10+630 壩段處存在潮濕、積水現象。

1.2 圍壩監測數據分析

經過對近3 年水庫監測資料進行整理，選取水位29.68 m 時，3 年不同時間段浸潤線監測數據進行分析，發現5+200 和9+200 觀測斷面中1號觀測點數據明顯高于其他觀測斷面中1 號觀測點的數據，可能存在防滲設施破壞隱患。

本工程前期對水庫圍壩進行了物探及地質勘察。通過對比分析，發現安全鑒定報告、現場巡查及圍壩監測所揭示的異常點與圍壩物探、地質勘察結論有一定的關聯性，為解決現狀存在問題、節省投資，本次除險加固對安全鑒定報告、現場巡查圍壩監測所揭示的異常點進行防滲，考慮繞滲問題，異常點兩側延伸50 m；另外考慮到水庫已運行多年，其它壩段存在后期防滲的可能性，本次除險加固盡可能減少分段，為后期防滲提供方便。根據上述原則確定的防滲范圍為圍壩樁號4+920～5+350、5+770～7+350、8+220～9+520、10+000～10+680，共計3.99 km。

1.3 主要工程內容

對現狀病害壩段及可能集中滲漏壩段采用高壓噴射灌漿防滲墻進行防滲處理，防滲范圍為3.99 km；對現狀截滲溝進行清淤；更換現狀3 處截滲溝排水閘閘門及啟閉設備；改建現狀水庫圍網；改建現狀堤頂路，新建壩頂照明路燈。北圍壩內側增設波形梁鋼護欄；對現狀12 個監測斷面進行改建，更換壩體內部位移、浸潤線監測設備，每個斷面布設3 個表面位移監測點，配套建設自動化數據管理平臺；更換2#泵站、3#泵站前池檢修閘門及啟閉設備。在現狀1#泵站院內，拆除新建副廠房，擴建1#泵站。

2 防滲工藝的選取

2.1 劈裂灌漿

根據壩體小主應力的分布規律布孔，利用水力劈裂原理有控制性地劈裂壩體，并灌入合適的漿液，形成防滲帷幕，同時使所有與漿縫聯通的裂縫、洞穴、軟弱夾層等壩體隱患，均能得到漿液的充填擠壓密實，使壩體達到防滲加固目的的一種灌漿方法。

2.2 水泥土銑削攪拌墻

該方法是將雙輪銑削成槽工藝和傳統的深層水泥土攪拌工藝的技術特點相結合的一種新型地下深層攪拌工法。當施工機械向下銑削攪拌土體時，兩個銑輪相對相向旋轉，銑削地層，同時動力系統施加驅動力，向下銑削地層；在此過程中，注漿系統也通過注漿孔注入漿液。當機頭向下銑削攪拌至設計深度后，兩個銑輪做相對相反方向旋轉，動力系統提供驅動力，提升銑輪；注漿系統在此過程中也注入漿液，與土體攪拌混合，形成水泥土攪拌混合物。

2.3 塑性混凝土防滲墻

在地下連續墻成槽施工前，先沿著設計軸線開挖溝槽，施工導墻，然后用成槽鋼索抓斗開挖，利用泥漿護壁成槽。在地下連續墻成槽后即利用導管澆塑性灌混凝土。

2.4 高壓噴射灌漿防滲墻

這是一種利用高壓水或高壓漿液形成高速噴射流束，沖擊、切割、破碎地層土體，并以水泥基質漿液充填、摻混其中，形成樁柱或板墻狀的凝結體，用以提高地基防滲或承載能力的施工技術[1]。

對上述4 種施工工藝的適用范圍、處理深度、造價、工期及工藝的優缺點進行比較，見表1。

由表1 可知，1）劈裂灌漿處理深度不滿足要求。2）水泥土銑削攪拌墻處理深度、施工速度等方面具有一定優勢，但其設備較大，圍壩無法滿足其施工作業面要求。3）塑性混凝土防滲墻方案處理深度滿足要求，成墻質量可靠，但其成槽設備所需場地較大，其所需工作面為8 m 以上，圍壩壩頂寬度為7 m，上游壩肩設有防浪墻，防滲墻軸線距防浪墻1 m，外側可利用空間僅為5.5 m，水庫圍壩壩頂空間不足。另外，因該工藝需成槽后澆筑防滲墻，庫區水位需降低以滿足其施工要求，根據水庫原設計報告中調節計算成果表，僅7～10 月水位可低于26 m，施工時間不足。4）高壓噴射灌漿防滲墻雖不具備明顯優勢，但其處理深度、作業面要求、施工速度等均滿足要求，此次除險加固采用高壓噴射灌漿防滲墻。

3 防滲墻方案設計

3.1 結構形式

根據《水工建筑物防滲工程高壓噴射灌漿技術規范》，鵲山水庫圍壩防滲可用的高噴墻結構形式有旋噴套接、旋噴擺噴及擺噴對接或折接。根據《水利水電工程高壓噴射灌漿技術規范》（DL/T5200-2019），擺噴及定噴的有效長度為旋噴樁直徑的1.5 倍左右，結合鵲山水庫實際情況，為減少鉆孔數量，壓縮施工工期，本次設計采用旋噴擺噴搭接形式的高噴墻。

旋噴與擺噴均采用雙管法。根據規范及工程類比經驗，旋噴樁的直徑選用0.8 m，擺噴的有效長度為1.6 m，旋噴與擺噴搭接長度為0.25 m，孔間距為0.95 m，兩孔之間的相對偏斜率（相鄰兩孔偏斜率之和）不超過1%。

高噴灌漿漿液選用水泥漿，水泥為普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5 級。根據規范，水泥漿的配制水灰比一般為1.5∶1～0.6∶1，本次設計水灰比選用1∶1，要求制漿材料的稱量誤差不大于5%[2]。

旋噴作為一序孔，擺噴為二序孔，采用先鉆孔再下噴射管的施工程序，旋噴的提升速度控制在10～15 cm/min 范圍內，擺噴的提升速度控制在6～10 cm/min 范圍內。

表1 防滲方案比選

據地層情況，依據《水利水電工程高壓噴射灌漿技術規范》（DL/T5200-2019），高噴防滲墻滲透系數不大于1×10-6cm/s，抗壓強度不低于2.0 Mpa[3]。

3.2 平面位置及深度設計

考慮到地質鉆機及高噴臺車施工空間的要求，本次設計高噴防滲墻位于大壩上游壩肩3 m處。防滲墻頂高程與水庫設計水位一致，為30.4 m。

根據地質勘察報告，第⑥層壤土在場區內水平方向上分布連續穩定，層厚5.10～6.20 m，平均層厚5.80 m。根據抽水試驗第⑥層壤土具弱透水性，且局部分布極微透水性的第⑥3 層黏土層的夾層或透鏡體，因此第⑥層壤土、第⑥3 層黏土可作為隔水層。相對不透水層埋深較深，距壩頂平均深度約40 m。防滲墻高度根據壩頂高程、相對不透層頂高程之差，并考慮防滲墻深入相對不透水層不小于1 m。

4 防滲效果復核

為驗證防滲墻的防滲效果，設計階段對6+950 斷面和9+200 兩個斷面建立二位有限元模型，并進行了滲流及滲透穩定計算，圍壩采用防滲墻處理后，滲流量較小，壩腳流速、水力坡降等值均明顯減小，下游壩坡土體允許滲透坡降最大出逸坡降J＜允許值[J]，滲流穩定滿足要求，防滲效果明顯，該工藝適合鵲山水庫無法排空的施工條件要求。