老舊水庫大壩工程的防滲加固施工技術

余榮貴

(修水縣紅旗水庫服務中心，江西 九江 332400)

老舊水庫大壩工程隨著使用年限的增加，不可避免會出現一些嚴重的安全問題和質量問題，不但會導致大量水資源浪費，而且存在安全隱患，危機下游居民的生命和財產安全。常用的斜墻防滲加固施工技術，工程量大，成本大，而且對周圍環境造成的影響大，難以滿足實際需求[1]。而混凝土心墻+帷幕灌漿防滲加固施工技術，在成本、效果、穩定性等方面都有顯著優勢，可在較少擾動既有壩體結構穩定性的基礎上，完成對大壩工程的防滲加固處理。

1 工程概述

紅旗水庫位于修水縣四都鎮堝頭村境內，水系為修河支流彭姑河上游，大壩中心點坐標為E114°32′，N29°07′。壩址以上控制流域面積10.9km2(其中包括2.5 km2的引流面積)，約占彭姑河總流域面積的24.3%。紅旗水庫大壩于1972年大壩主體工程竣工，后在施工過程中擴建成中型水庫。1976-1998年多次進行除險加固及配套工程。根據地勘結果，評定大壩為均質土壩，壩頂高程為155.68m(黃海高程系統，下同)，最大壩高32.80m,最大壩長145.0m，壩寬6.0m。壩坡：上游坡142.7m高程處設1.5m寬的平臺，平臺以下為1∶3.75，以上為1∶3.0；下游坡145.68m高程處設1.5m寬平臺，平臺以下至排水體頂平臺為1∶3.5，以上為1∶3.0，排水體頂平臺至壩腳1∶1.5，大壩內外坡均用塊石護砌。水庫以灌溉為主，兼發電、防洪、養殖等綜合利用效益。屬中型水庫。本次設計，經防洪復核確定水庫設計洪水位154.01m，校核洪水位154.86m，正常高水位152.68m，死水位128.68m，總庫容1231萬m3，興利庫容1029萬m3。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、壩下涵管、輸水隧洞和一級電站組成。

2 水庫大壩工程現狀分析

紅旗水庫建成于1972年，在1992年曾進行過一次加固，但隨著使用年限的增加，自然損壞嚴重，運行到目前存在很多問題，嚴重影響著水庫大壩的正常運行，主要體現在以下3個方面：

1)紅旗水庫大壩按照50a一遇洪水設計，1000a一洪水校核。運行到現狀，水庫大壩壩頂高程欠高0.26m，而且溢洪道左側存在埡口問題，難以滿足設計規范的要求。溢洪道下游泄洪道斷面狹小，灌溉渡槽橫跨泄洪渠，阻水嚴重，洪水難以安全下泄。

2)防滲斜墻、心墻的防滲功能都難以滿足規范要求，滲漏問題嚴重，影響大壩滲流的安全性。

3)大壩壩體浸潤線出逸坡降值都超過允許值，排水體缺乏反濾層，尤其是滲流出口存在嚴重的滲透破壞隱患。即便是正常蓄水水位降低到死水水位以下，也難以滿足整體抗滑穩定性的需求。

3 老舊水庫大壩工程的防滲加固施工方案比選

結合目前紅旗水庫大壩工程的運行現狀，防滲加固是目前亟待解決的問題，為提升壩體的穩定性和安全性，有兩種防滲加固方案可供選擇，一種截滲，另一種導滲。但紅旗水庫大壩壩基和壩肩滲漏尤為嚴重，雖然在下游壩腳位置進行了壓中反濾排水處理，但防滲效果有限。因此，僅僅選擇排水措施，并不能很好的解決紅旗水庫大壩滲流安全問題，需要采取截滲方案來根治壩體滲漏問題。可選擇的截滲方案有三種，包括斜墻、高噴心墻、混凝土心墻[2]。

1)斜墻方案：在大壩上游面清除護坡砌體及淤泥，重新加鋪防滲黏土斜墻。在斜墻和原坡面相互接觸的位置，設置過渡保護層，底部設置黏土截水槽，截水槽底部設置帷幕灌漿防滲墻。

2)高噴心墻方案：在壩體軸線上進行造孔，布設灌漿管，通過噴嘴的高壓水流，沖擊破壞土體，促使水泥漿液和土體充分混合后形成水泥土防滲體，壩基位置則采取帷幕灌漿法進行防滲處理[3]。

3)混凝土心墻方案：在壩體軸線上進行機械成槽，泥漿固壁，成槽之后再澆筑混凝土，形成連續的防滲墻。壩基采取帷幕灌漿法進行防滲處理。

三種防滲加固方案的防滲效果、施工條件、工程造價等技術、經濟性能對比情況，大壩防滲方案比較表，見表1。

表1 大壩防滲方案比較表

從表1中可以看出，斜墻方案施工條件較差，圍堰排水工程量大，且對大壩滲流及結構穩定不利，因此不宜采用。在心墻方案中，混凝土心墻方案與高噴方案造價相近，但混凝土心墻方案具有施工方便、工期短、質量可靠、檢測方便等優點，防滲效果能得到可靠保證，因此本階段設計推薦采用混凝土心墻+帷幕灌漿方案作為紅旗水庫大壩防滲處理方案[4]。

4 混凝土心墻及帷幕灌漿施工要點

4.1 混凝土心墻施工

在混凝土心墻施工中，采取沖擊鉆成槽，反循環出渣的施工方法，能夠很好的適應各種地層，具體施工過程為：清理場地、架設機具、制備漿液、挖槽、下接頭管、澆筑混凝土、拔出接頭管、下一槽段施工。為控制水化熱和裂縫，水泥最好選擇32.5強度等級的普通硅酸鹽水泥，卵石粒徑控制在10～20mm之間，砂可選擇中粗砂。造漿黏土的塑性指數要控制在20以上，粒徑<0.005mm的黏粒含量要控制在50%以上。固壁泥漿比重控制在1.2～1.3之間，黏度控制在20～30s之間，確保槽內泥漿面始終高于地下水位1.8m以上，孔口高程≥0.1m[5]。大壩混凝土心墻防滲示意圖，見圖1。

圖1 大壩混凝土心墻防滲示意圖

4.2 坡式排水施工

壩體采取垂直防滲處理后浸潤線將會得到有效降低，出口坡降也會隨之降低，此時需要在坡腳出口位置設置貼坡式排水體，頂部設置排水溝，在坡腳位置設置水堰，為混凝土心墻施工營造一個良好的條件。貼坡排水分為三層，從里向外分別為30cm砂卵石、30cm碎石、60cm干砌塊石，其中砂卵石及碎石的粒徑及級配根據充填砂的粒徑按有關規范通過計算確定。

4.3 大壩壩基及壩肩帷幕灌漿

因壩基及兩壩肩溶洞發育，透水性大，為減少滲漏，本設計采用帷幕灌漿進行防滲處理。本工程所在區域地質條件復雜，為提升阻水效果，在帷幕施工中，需要保證帷幕能夠和壩體內的防滲體緊密相連。在本次防滲加固施工中，將灌漿帷幕布置在壩內混凝土心墻的軸線上，在混凝土墻內部預埋鋼管和鋼筋籠，促使壩基防滲體和壩體防滲體相互連接，形成一個完整的防滲體系。壩基帷幕的總長度為245m，兩壩肩從壩頭開始逐步向兩岸延伸，其中左壩肩穿過了溢洪道，帷幕長度為70m，右壩肩帷幕長度為30m。 帷幕灌漿應在相應施工段混凝土心墻澆筑完成后一個月后進行。

灌漿帷幕的深度要進入到炭質巖巖層中，主要以填充溶洞為主，按照地質勘察資料結果，當帷幕底部伸到105m高程時，才能安全封閉溶洞通道[6]。孔距e主要根據灌漿孔的水泥漿擴散范圍，考慮到紅旗水庫巖溶發育的特殊地質條件，灌漿孔宜采用較小孔距，注漿孔距控制在1.5m左右，采用一排灌漿孔，對溶洞特別發育的基礎，也可采用雙排灌漿，排距為1m，兩排孔交替布置。注漿壓力控制在0.2MPa左右。對溶洞發育的地段，如吃漿量特別大，可灌水泥砂漿甚至純砂先進行充填，充填密實后再進行水泥灌漿，直至達到防滲要求、透水率≤10Lu為止。因溶洞的灌漿工藝較一般巖層復雜，耗漿量也比一般巖層大，為此耗漿量取定額的上限計算。

4.4 大壩加固后滲流及壩坡穩定計算

4.4.1 加固后滲流穩定計算

紅旗水庫采取混凝土心墻聯合帷幕注漿防滲加固技術處理后，心墻和帷幕的滲透系數取值為1×10-6，心墻厚度為0.5m,加固后大壩計算斷面較原斷面增加了混凝土心墻、帷幕和風化料填土，因此增加兩個分區，加固后大壩滲流穩定計算斷面，見圖2。

圖2 加固后大壩滲流穩定計算斷面圖

加固后原土層的允許滲透坡降不變，混凝土心墻的允許滲透坡降根據經驗可取60。對于符合達西定律的二向均質、各向同性土體的滲流，當土體已完全固結時其水頭函數符合拉普拉斯方程式：

(1)

與之相應的定解條件為：初始條件：

h1=0=h(x,z,0)

(2)

邊界條件：水頭邊界是：

h1=t1=h(x,z,t)

(3)

流量邊界:

(4)

本次滲流計算用土石壩二維滲流計算程序滲流分析軟件4.01版(北京理正研究院編制)，適用于不規則邊界的各向異性滲流場，能有效地解決土石壩、閘壩地基等復雜滲流狀況的滲流分析問題，又可用來研究庫水位上升、下降情況下的非穩定滲流狀態滲流計算結果，大壩加固后滲流穩定計算結果表，見表2。

表2 大壩加固后滲流穩定計算結果表

由上表可知，大壩加固后下游壩腳地面出逸坡降及滲流量都大為降低，浸潤線也大幅降低,有效控制大壩的滲流穩定及下游壩坡抗滑穩定，且心墻滲透坡降小于允許值。

4.4.2 加固后壩坡穩定計算

為了使計算結果更加精確，采用考慮條塊間作用力的簡化畢肖普法進行計算。抗剪強度指標在計算下游坡的抗滑穩定時采用有效應力參數；在計算上游坡的抗滑穩定時分別采用有效應力和總應力參數。大壩加固后邊坡穩定計算結果表，見表3。

表3 大壩加固后邊坡穩定計算結果表

由上表可知，大壩加固后的上、下游壩坡抗滑穩定安全系數均滿足規范要求, 所以加固后的斷面滿足壩坡穩定要求。

5 結 語

綜上所述，結合紅旗水庫實際情況，分析了老舊水庫大壩工程的防滲加固施工技術的應用要點，分析結果表明，不同區域水庫大壩的地質條件和現狀都存在較大的差別。為提升防滲加固的有效性，需要結合現場實際情況，采取有針對性防滲加固技術。就紅旗水庫而言，采取混凝土心墻+帷幕灌漿方案，防滲加固效果比較好，加固之后對壩體的穩定性，滲流安全問題得到了有效處理，并得以有效驗證，為類似工程施工積累了可靠經驗。