綜合防滲技術在小型水庫除險加固工程中的應用

吳胡強

(安徽水安建設集團股份有限公司，安徽 合肥 230601)

1 工程概況

某山區水庫工程為區域內重要的水源地，水庫容量庫容達到2730萬m3，集水面積為15.94 km2，河流長度2350 m，河流坡降為8.7%，正常水位為53.7 m，灌溉面積40 hm2，屬于中等水庫，主壩壩頂高程192.00 m，最大壩高為29 m，壩底部厚度為56 m，壩頂部厚度為10 m。水庫大壩工程修建于20世紀60年代，經過長期運行，再加上庫區長期以來改造建設投入力度不大，致使大壩工程建構筑物出現老化失修和破損現象，多次發生滲漏現象，壩體工程處于帶病運行狀態，嚴重影響了水庫防洪灌溉效益的發揮[1-3]。壩體填筑材料為粉質黏土，基本物理力學性質如表1所示。

表1 水庫壩體填筑材料基本物理力學參數

對壩體內的填筑材料取樣進行顆粒分析，以計算壩體的滲流破壞類型。試樣共取得5個，編號為ZGST1-1～ZGST1-5，取樣點沿著壩體縱向均勻布置，均位于壩體中心、大壩路面以下3 m位置。篩分表明ZGST1-1試樣的不均勻系數Cu為7.4，wd<60 mm(為土體粒徑<60 mm孔徑的土體質量占比，后同)為7.4%，wd<10 mm為1.0%，wd<70 mm為10.0%，界限粒徑df為0.033，黏粒含量Pc為41.7%，經判別，取樣點的滲透變形和破壞類別為流土破壞；ZGST1-2試樣的不均勻系數Cu為8.0，wd<60 mm為8.0%，wd<10 mm為1.0%，wd<70 mm為12.0%，界限粒徑df為0.035，黏粒含量Pc為39.1%，經判別，取樣點的滲透變形和破壞類別為流土破壞；ZGST1-3試樣的不均勻系數Cu為7.8，wd<60 mm為7.8%，wd<10 mm為1.0%，wd<70 mm為12.0%，界限粒徑df為0.035，黏粒含量Pc為39.1%，經判別，取樣點的滲透變形和破壞類別為流土破壞；ZGST1-4試樣的不均勻系數Cu為8.0，wd<60 mm為8.0%，wd<10 mm為1.0%，wd<70 mm為11%，界限粒徑df為0.033，黏粒含量Pc為43.8%，經判別，取樣點的滲透變形和破壞類別為流土破壞；ZGST1-5試樣的不均勻系數Cu為7.9，wd<60 mm為7.9%，wd<10 mm為1.0%，wd<70 mm為11.0%，界限粒徑df為0.033，黏粒含量Pc為29.6%，經判別，取樣點的滲透變形和破壞類別為流土破壞[4]。

2 小型水庫綜合除險加固技術

2.1 灌漿帷幕除險加固技術

從經濟角度和技術可行性角度出發，對水庫采用20 m的“帷幕灌漿防滲墻+土工膜技術”的綜合除險加固。為了保證防滲效果，同時達到提高壩體穩定性的目的，帷幕灌漿防滲墻按照鉆孔與測斜、沖洗與壓水、制備漿液、灌漿施工順序進行。

在鉆孔與測斜施工中，首先在壩體上按照圖紙要求位置布孔，采取小口徑回轉式鉆機進行鉆進，鉆入預定深度后對鉆孔的垂直度進行測量，驗收合格后方可進入下一步工序，鉆孔的垂直度可采用分段測量的方式進行，鉆孔偏斜率和偏斜角計算方法如式(1)～式(2)所示，計算原理如圖1所示。

圖1 鉆孔測斜計算原理

(1)

θ=arctanδ

(2)

式中；δ為鉆孔偏斜率；l為測量分段長度，m；θ為鉆孔偏斜角，(°)；α為鉆孔偏斜方位角，(°)。

在沖洗與壓水施工中，對孔內進行沖洗達到30 min以上，且壓水水壓達到1 MPa，才認定孔內質量滿足注漿灌漿要求；在制備漿液過程中，采用集中制漿法進行供漿，漿液的各項指標應滿足規范相應要求，比如濃度、細度等；在灌漿施工中，應控制灌漿壓力和灌漿段長度，在灌漿完成后，采取1∶2的濃漿液將孔內的稀漿液置換出，并對整體灌漿過程進行記錄。

2.2 土工膜防滲技術

土工膜是以合成樹脂為集料，加入了抗氧劑、色母等輔料的人工合成材料，具有耐久性好、成本低廉、滲透性低、抗拉強度高、無毒性、防霜防凍等優點，廣泛應用于壩體的防滲、圍堰防滲和堤壩防滲中。本研究中采用土工膜進行庫底的防滲，其防滲結構從上至下分別為間距150 mm×150 mm沙袋、500 g/m2規格的土工布、厚度1.5 mm的HDPE土工膜、500 g/m2規格的土工布、土工席墊、60 mm厚墊層料、150 mm厚過濾料和庫底回填石渣。

3 綜合除險加固技術的防滲效果評價

除了在庫底鋪設土工膜，在迎水側坡腳、坡頂左側、坡頂中部和坡頂右側沿壩體縱向(左岸為坐標原點)布置帷幕灌漿排列，分別編號為鉆孔A列、鉆孔B列、鉆孔C列和鉆孔D列。對帷幕灌漿量的大小進行測試，結果如圖2所示。從圖2中可以看出，不同的帷幕灌漿排列，其灌漿量曲線表現出不同的變化。迎水側坡腳灌漿量(鉆孔A列)在壩長100 m范圍內變化劇烈，最大灌漿量達到34.99 m3，靠近右岸時，灌漿量相對較小，平均灌漿量約11.60 m3；坡頂左側灌漿量(鉆孔B列)在壩長范圍內變化劇烈，灌漿量變化范圍為5～25 m3；坡頂中部的灌漿量(鉆孔C列)在坡長范圍內的變化較為平緩，灌漿量變化范圍為11.99～17.61 m3，平均值為16.17 m3；坡頂右側坡腳灌漿量(鉆孔D列)在坡長范圍內的變化起伏不大，灌漿量變化范圍為10.00～12.94 m3。

圖2 不同帷幕灌漿排列灌漿量曲線

為了評價灌漿帷幕的注漿效果，沿著壩長方向按30 m間隔布置5個橫斷面(以左岸為坐標原點)監測壩頂的沉降量，分別為壩長30 m位置、壩長60 m位置、壩長90 m位置、壩長120 m位置和壩長150 m位置，監測時間長度為帷幕灌漿完成后360 d，結果如圖3和表2所示。從圖3中可以看出，不同壩長位置的沉降變化規律較為一致，均在帷幕灌漿施工后初期，呈現較快的非線性增長，而隨著監測時間的增長，沉降量逐漸趨于穩定，各個斷面坡頂沉降趨于穩定的時間大致相同，為帷幕灌漿施工后180 d，但各個斷面坡頂的最終沉降量并不一致，壩長30 m位置、壩長60 m位置、壩長90 m位置、壩長120 m位置和壩長150 m位置的最終沉降量分別為8.25 mm、10.77 mm、10.80 mm、14.97 mm和13.50 mm，表現為靠左岸壩頂沉降相對較小，靠右岸壩頂沉降相對較大的規律。

圖3 不同監測斷面坡頂沉降曲線

表2 5個不同監測斷面坡頂沉降現場實測結果

為了驗證“帷幕灌漿防滲墻+土工膜技術”綜合除險加固效果，對水庫壩體加固前后不同水位的滲流量、出逸坡降和出逸流速進行測試，結果如圖4所示。

(a)滲流量變化

從圖4(a)中可以看出，相比于水庫壩體加固前，加固后不同水位的壩體滲流量出現不同程度的下降，下降幅度變化范圍為70%～77%。死水位(166.9 m)的滲流量降幅最大，從加固前滲流量0.15×10-4m3/s降低到加固后的0.034×10-4m3/s，降幅為77%，正常蓄水位(175.0 m)和校核洪水位(177.8 m)的滲流量降幅相近，降幅約為70%。

從圖4(b)中可以看出，相比于水庫壩體加固前，加固后不同水位的壩體出逸坡降出現不同程度的下降，下降幅度變化范圍為60%～71%。死水位(166.9 m)的出逸坡降降幅最大，從加固前出逸坡降0.014降低到加固后的0.014，降幅為71%，設計洪水位(175.0 m)的出逸坡降降幅最小，降幅約為60%。

從圖4(c)中可以看出，相比于水庫壩體加固前，加固后不同水位的壩體出逸流速出現不同程度的下降，下降幅度變化范圍為80%～89%。死水位(166.9 m)的出逸流速降幅最大，從加固前出逸坡降0.097×10-6m/s降低到加固后的0.010×10-6m/s，降幅為89%，校核洪水位(177.8 m)的出逸流速降幅次之，降幅約為88%，正常蓄水位(175.0 m)的出逸流速降幅最小，降幅約為80%。

綜合以上分析表明，采用“帷幕灌漿防滲墻+土工膜技術”綜合除險加固技術使得病險水庫的出逸坡降、出逸流速和滲流量都大幅度降低，加固防滲效果明顯。

4 結 論

以某山區小型水庫工程壩體防滲除險加固為研究對象，采用“帷幕灌漿+土工膜”的綜合除險加固技術，分析加固效果，得到以下結論：

(1)迎水側坡腳、坡頂左側、坡頂中部和坡頂右側沿壩體縱向布置帷幕灌漿排列的注漿量呈現顯著的不同，總體而言，迎水側坡腳側灌漿量最大。

(2)不同壩長位置的沉降變化規律較為一致，均在帷幕灌漿施工后初期，呈現較快的非線性增長，而隨著監測時間的增長，沉降量逐漸趨于穩定，但各個斷面坡頂的最終沉降量并不一致。

(3)采用“帷幕灌漿防滲墻+土工膜技術”綜合除險加固技術使得病險水庫的出逸坡降、出逸流速和滲流量呈現不同程度的降低，不同水位條件下滲流量降幅70%～77%、出逸坡降降幅60%～71%、出逸流速降幅80%～89%，表明綜合除險加固起到了加固防滲效果。