山丘區土石壩滲漏原因分析及防滲設計

崔 陽，蘇 丹，費曉磊，高 坤，翁明皓，祁衛軍

(1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001；2.浦口區水務局，江蘇 南京 210000)

1 工程概況

某水庫為南京市山丘區小(2)型水庫，屬于萬壽河流域。水庫總庫容約10.40萬m3，最大壩高7.0m，主要功能為防洪、灌溉，防洪保護面積0.70km2，保護人口約200人，保護自然村1個，保護耕地約20hm2，設計灌溉面積20hm2。大壩為土石壩，填筑土為夾少量未風化礫石的雜填土和素填土。坡面多處存在坍塌，背水坡面存在滲漏點，壩腳常年潮濕，存在滲水跡象。現狀壩基和右側壩肩，廣泛分布強風化泥灰巖層。

根據大壩安全鑒定結論，其中大壩滲流安全評為C級，不滿足規范要求。經專家論證，該水庫大壩評定為三類壩，并已進行除險加固設計。

2 大壩滲漏原因分析

該水庫已運行55年。經現場檢查，現狀背水坡無排水設施，坡面有較多雨水沖溝，背水坡坡面存在滲漏點，其中，部分滲漏點已形成滲流沖溝。此外，壩腳處常年潮濕，壩基有滲水跡象。分析原因，主要有2點[1]。

(1)根據地勘成果，壩身填土主要為①1層雜填土、①2層素填土。其中，①1層由黏性土、紅磚、碎石及其他雜物組成，夾少量未風化的礫石，密實度較差，透水性相對較強；①2以可塑狀黏性土為主，均勻性差，強度不均，現狀無防滲體。壩身填土多為中等透水性，在高水位工況，壩身易形成滲漏通道。

(2)現狀深層壩基和右側壩肩，廣泛分布強風化泥灰巖層。根據野外壓水試驗數據，該強分化層透水率25.2～33.0Lu，透水性較強，巖層亦存在較大滲漏隱患，可能形成繞壩滲流。各主要土層的滲透性參數見表1。

表1 各主要土層的滲透性參數及評價

3 大壩現狀滲流穩定分析

壩體滲流計算采用二維穩定滲流有限元法，對于穩定滲流，符合達西定律的非均各向異性二維滲流場，水頭勢函數滿足微分方程：

(1)

式中，φ=φ(x，y)—待求水頭勢函數，m；x，y—平面坐標，m；kx，ky—x，y軸方向的滲透系數，m/s。

將滲流場用有限元離散，假定單元滲流場的水頭函數勢φ為多項式，由微分方程及邊界條件確定問題的變分形式，可得出線性方程組：

[H]{φ}={F}

(2)

式中，[H]—滲透矩陣，m2/s；{φ}—滲流場水頭，m；{F}—節點滲流量，m3/s。

求解方程組(2)，可得到節點水頭，據此求得單元的水力坡降、流速等。

選取典型大壩斷面對現狀大壩滲流穩定進行計算，幾種工況下的背水坡滲透比降，均大于允許坡降，不滿足規范要求。此外，幾種工況下的大壩滲流量相對較大，現狀大壩滲流計算成果，見表2。

表2 大壩現狀滲流計算成果表

4 壩體防滲設計

經過技術專家評審，此次水庫大壩防滲處理包括壩身防滲和壩基防滲處理兩部分。結合該水庫大壩地質條件，對壩身防滲方式進行了比選，最終選定壩身采用高壓旋噴灌漿，壩基采用帷幕灌漿[2]，2種防滲方式相結合，在壩體形成連續、完整的垂直防滲帷幕系統。

4.1 壩身防滲方案比選

根據壩身出險的土質及既往的工程經驗，工程可供選擇的處理方式有3種：多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻、高壓旋噴注漿防滲墻、充填灌漿。

(1)多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻。多頭小直徑深層攪拌樁，是目前壩身防滲處理加固設計中常用的一種方式，水泥類漿液與原土通過葉片強制攪拌形成防滲墻體。該方式防滲效果好，持續時間長，施工進度快和質量不受地下水位影響，但對施工場地有較嚴格的要求。

(2)高壓旋噴注漿防滲墻。高壓旋噴樁是以高壓旋轉的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合，形成連續搭接的水泥加固體。施工占地少、振動小、噪音較低，但成本較高，對于那些特殊的不能使噴出漿液凝固的土質不宜采用。

(3)充填灌漿。充填灌漿是利用漿液壓力將漿液注入壩身隱患處以堵塞洞穴或裂縫。為提高灌漿效果，一般在注漿孔口施加一定的壓力，常用于壩身加固工程。但與(1)(2)相比，(3)的防滲效果還有一定差距。

根據地勘，壩身可能發生的滲漏層主要為①2層素填土，壩身土夾少量未風化的礫石，密實度較差，透水性相對較強。考慮到壩基下部廣泛分布4-2強風化泥灰巖層，防滲墻需深入巖層。與多頭小直徑深層攪拌樁相比，高壓旋噴樁施工樁端與巖基的結合效果較好，可達到較好的防滲效果。綜合考慮，本次設計采用高壓旋噴樁進行壩身防滲處理。

4.2 壩身防滲設計

樁號CS0+000～CS0+200段壩身采用高壓旋噴灌漿[3]處理，成墻厚度不小于0.3m。高壓旋噴樁單排布置，孔距0.5m，墻體滲透系數小于1×10-6cm/s，R28=3～10MPa，允許滲透比降J>80，有效墻厚不小于0.3m。高壓旋噴布孔平面如圖1所示。

圖1 高壓旋噴布孔平面圖(單位：mm)

工程高壓旋噴灌漿施工工藝參數要求：

(1)漿壓力為0.2～1.0MPa，進漿量為60～80L/min；

(2)水泥采用普通硅酸鹽42.5號水泥，水泥漿液密度為1.5～1.7g/cm3，回漿密度不小于1.2g/cm3；

(3)壓縮氣壓力為0.6～0.8MPa，氣流量為0.8～1.2m3/min；壓縮水壓力35～40MPa，水流量為70～80L/min；

(4)旋噴提升速度10cm/min，轉動速度8～10r/min，旋角不小于30。。

4.3 壩基防滲設計

帷幕注漿是用液壓或氣壓，將能凝固的漿液按設計的濃度，通過特設的注漿鉆孔，壓送到規定的巖土層，填補巖土體的裂縫或孔隙，可改善注漿對象的物理力學性質。

工程壩基下部和右側壩肩，廣泛分布4-2強風化泥灰巖層，透水率為25.2～33.0Lu，透水性較強。本次設計，在CS0+000～CS0+240段壩基及右壩肩采用帷幕灌漿處理，帷幕灌漿頂部深入粉質黏土層1.5m，底部深入4-3弱風化泥灰巖層約1.0m。采用雙排、梅花形布置[4]，排間距2.50m，孔間距1.50m。帷幕灌漿布置與高壓旋噴防滲墻相對位置關系如圖2所示。

圖2 帷幕灌漿與高壓旋噴防滲墻平面布置圖(單位：mm)

工程帷幕灌漿施工工藝參數要求[5-6]：

(1)帷幕灌漿孔進入粉質黏土層不小于1.50m；灌漿采用自下而上分段灌漿法。

(2)注漿的水泥采用強度等級42.5的普通硅酸鹽水泥，水泥漿液的水灰比取1.0，每延米樁長水泥用量300kg。

(3)帷幕灌漿壓力為0.5～2.0MPa，并應通過灌漿試驗確定最終采用壓力值；防滲帷幕透水率不得大于5Lu。

4.4 計算結果

依據SL 189—2013《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計規范》的規定，根據地質報告和有關規范計算出壩身浸潤線、滲流等水頭線，然后計算出大壩滲流量，最后確定下游滲流出逸段的出逸比降和出逸高程，并分析壩基及壩后滲流出逸段的滲透穩定性。防滲處理后的大壩典型斷面如圖3所示。

圖3 防滲處理典型斷面圖

經滲流穩定計算，大壩在正常工況、設計工況及驟降工況逸出段，比降均小于壩坡允許水力比降，壩身防滲性滿足規范要求。此外，在3種工況下，滲流量比大壩防滲處理之前減少顯著。大壩防滲處理后滲流計算結果，見表3。

表3 大壩防滲處理后滲流計算成果表

5 結語

研究采用的大壩防滲處理方式，為解決山丘區土石壩滲漏問題提供了思路。其中，高壓旋噴灌漿與素填土、粉質黏土等多種土層結合效果較好。作業過程中，施工樁端可深入巖基，在壩身形成連續、完整的防滲墻，有效防止壩身滲漏；而帷幕灌漿對于巖基的滲漏處理效果較好，可有效減小滲流量和降低滲透壓力。2種防滲處理方式的結合，可在大壩形成連續的垂直防滲帷幕系統，有效解決山丘區土石壩可能存在的壩身滲漏和壩基巖層滲漏問題。文章僅對壩身防滲方式進行了比選，但未對帷幕灌漿孔間距及高壓旋噴防滲墻布置方式等可能影響防滲效果的其他因素進行詳細研究，未來，可就此進行深入探究，檢驗研究成果的普適性。