華山溝土工膜礫石土心墻壩滲漏治理實踐與思考

黃維 王曉安 蘇李剛 王鋒

摘要：四川大渡河支流上的華山溝大壩為土工膜礫石土心墻壩，大壩蓄水后滲流量持續偏大，大壩下游壩坡出現局部塌陷，大壩運行存在重大安全風險。分析了滲漏增大及塌陷產生的原因，認為主要是由PVC防滲膜缺陷以及心墻本身防滲質量不佳造成。闡述了心墻灌漿方案的不足及防滲墻方案的特點，總結了除險加固方案施工過程中的技術特點，通過從壩頂實施超深防滲墻、心墻充填灌漿、基巖帷幕灌漿等工程措施后，大壩量水堰流量在同水位情況下接近于零，達到了預期治理效果。相關經驗可供類似大壩安全運行及工程隱患治理借鑒。

關鍵詞：大壩滲漏； 隱患治理； 防滲墻； 心墻灌漿； 土工膜

中圖法分類號： TV641

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.038

0引 言

盡管筑壩技術不斷進步，但國內外水庫潰壩還是時有發生［1-3］。水電站大壩在通過竣工安全鑒定后并不是高枕無憂的，在運行過程中還需要通過分析現場巡視檢查成果和大壩各項監測數據，及時掌握大壩運行性態［4］，力求將大壩潰壩風險扼殺在萌芽狀態，避免發生嚴重后果［5］。本文通過華山溝大壩工程隱患治理實例，分析大壩滲漏量偏大的原因，剖析滲漏治理方案的選擇過程，總結治理施工的主要技術，評價治理成效。

1工程概況

華山溝水電站位于四川省康定市孔玉鄉境內，位于大渡河右岸一級支流巴郎溝內。工程以發電為主，裝機容量72 MW，河床壩基覆蓋層最大深度約97.6 m，主要由粉質壤土、砂卵礫石及少量漂、塊石等組成，結構層次復雜，總體呈中強透水，壩基第四層中一定范圍分布有厚5～6 m的弱透水土層。樞紐建筑物主要由PVC膜防滲心墻堆石壩、岸邊溢洪道、沖沙放空洞、發電引水系統、岸邊式地面廠房和開關站組成。PVC膜防滲心墻堆石壩最大壩高69.5m。上游壩坡坡比1∶1.7（圍堰頂2 661.50 m以下為1∶2.0），下游壩坡坡比分別為1∶1.6、1∶1.8和1∶2.0。大壩從上游向下游分區依次為：上游干砌石護坡、上游堆石區、心墻上游過渡區、土工膜保護層及其防滲層、礫石土心墻區、心墻下游反濾層區（兩層）、心墻下游過渡層區、下游堆石區、排水棱體區、反濾區、排水墊層區以及下游干砌石護坡，另外在礫石土心墻與壩基防滲墻、混凝土蓋板連接處設置高塑性黏土料區。大壩典型剖面圖見圖1。

大壩防滲體系由壩體土工膜+礫石土心墻、壩基覆蓋層混凝土防滲墻和壩基巖體灌漿帷幕組成。PVC防滲膜采用兩布一膜布置，膜厚2 mm，土工布規格要求不小于500 g/m2，PVC防滲膜上下游側設置厚度50 cm的墊層。礫石土心墻頂寬3 m、底寬24 m，兩側坡度約1∶0.16；礫石土采用當地龍玉料場開采料，最大粒徑60 mm，大于5 mm含量不超過50%，0.075 mm以下含量不小于15%，小于0.005 mm的顆粒含量為2.11%，滲透系數k≤1×10-5 cm/s，滲透允許坡降2.7。壩基覆蓋層采用塑性混凝土防滲墻防滲，防滲墻布置在壩軸線上，頂部通過高塑性黏土與礫石土心墻連接并采用螺栓與PVC防滲膜錨固，底部伸入壩基第四層的弱透水層以下5.0 m，最大深度53 m左右，兩岸嵌入基巖。壩基兩岸巖體采用帷幕灌漿防滲，控制標準為≤5 Lu；嵌入基巖的防滲墻內采用預埋管進行灌漿。

華山溝水電站于2007年2月正式開工建設，2011年12月16日下閘蓄水，2012年1月10日兩臺機組全部投入運行。

2隱患概況

華山溝大壩自蓄水以來，滲流量一直較大，2013年汛期滲流量開始超過300 L/s，與往年同水位下滲流量相比有所增加，之后基本穩定在350～400 L/s之間。針對大壩滲水量偏大的情況，現場對滲漏原因、通道進行了物探檢測，并先后于2014年、2017年兩次對右岸基巖帷幕、左岸基巖帷幕進行補強灌漿處理；從補灌后的運行效果看，量水堰滲水量變化不大，兩岸基巖帷幕補強灌漿對大壩滲流量改善的效果不明顯。

2019年5月25日7：30左右，大壩壩后量水堰出現渾濁情況，8：20左右發現壩軸線樁號0+070 m、高程約2 702.5 m處，大壩后壩坡出現局部塌陷，現場對塌陷坑進行了搶險加固處理，并將庫水位降低至2 665 m左右，之后險情未繼續發展。隨后，華山溝大壩因壩體防滲體存在缺陷且有惡化趨勢，大壩結構安全度不滿足規范要求，大壩運行性態異常，存在安全風險，被評定為病壩，需要進行除險加固治理。

3大壩滲漏原因分析

3.1礫石土心墻料質量分析

3.1.1鉆孔取芯成果

根據鉆孔取芯成果，礫石土心墻從上到下可大致分為以下4層。

第①層：0～4 m為厚4 m的塊碎石土，塊石粒徑15～20 cm，含量約占10%，碎石2～5 cm，含量約占50%～60%。第②層：4～28 m為厚24 m的碎礫石土，碎石2～5 cm，少量10 cm以上，含量約占40%～50%；礫石0.5～2 cm，含量約占20%～30%。第③層：28～62 m為厚34 m塊碎石土，塊石粒徑20～30 cm，最大達35 cm，含量約占5%～10%；碎石2～5 cm，含量約占50%～60%。上述三層其余土為砂壤土，含黏粒較少，其結構較松散。第④層：62～64 m，為厚2 m的黏土夾碎石層，褐黃色，含黏粒較多，巖芯多呈柱狀，地震波波速為1 663 m/s，呈較松散狀。

3.1.2鉆進情況

鉆進過程中，不返漿及漏漿現象較普遍，只有少數幾段為返漿段。究其原因，主要有以下幾方面：① 礫石土心墻粗顆粒中塊碎石含量較多，細顆粒中黏粒含量較少，壤土含量較多，透水性較好；② 礫石土心墻粗顆粒中塊碎石含量較多，施工機械在碾壓過程中，不易將塊碎石土碾壓密實，因而礫石土心墻的密實度較差，不能很好起到隔水的作用。

3.1.3成果分析

（1） 心墻礫石土的主要指標不能滿足碎（礫）石土防滲土料質量技術要求。其中第②層：孔深6.5～15.7 m段大于5 mm粒徑含量平均值為76.6%，孔深15.7～28.5 m段為55.1%。黏粒含量平均值：孔深6.5～15.7 m段為2.7%，孔深15.7～28.5 m段為5.9%。滲透系數k20=2.78×10-4～8.27×10-3 cm/s，具中等透水性。第③層：孔深28.5～38 m段大于5 mm粒徑含量平均值為88.5%；孔深38.0～55.0 m段大于5 mm粒徑含量45.0%～84.5%，平均值為68.3%；滲透系數k20=0.95～213 cm/s，具強—極強透水性。

（2） 鉆孔終孔水位與大壩壩前水位相差僅2.0～5.0 m，上下水位差較小，說明PVC防滲膜及礫石土心墻的防滲效果均較差。

3.2土工膜防滲效果分析

原設計考慮到大壩單獨采用龍玉料場的礫石土作為心墻料防滲不是很可靠，因此，大壩以土工膜防滲為主，礫石土心墻僅僅作為對土工膜漏點的補充防滲措施，礫石土心墻置于壩體中央，也可為將來可能的灌漿等加固處理措施預留了合適的位置。如果土工膜基本完好，大壩滲透穩定應該是有保證的。但實際情況是土工膜防滲也存在較大問題。土工膜寬度很窄，長度很長，焊接縫很多，焊縫施工要求平整攤鋪土工膜。土工膜近乎垂直，且必須隨壩體同步上升，稍有不慎就使膜局部刺破，且不易發現，留下重大隱患。另一方面土工膜又對堆石碾壓施工造成很大的干擾，影響土工膜附近土石料碾壓質量。

據偽隨機流場測試成果，庫區滲漏入水點主要呈現為3個條帶狀分布，分別位于高程2 661.5～2 676.5 m壩體斜坡、高程2 656.0～2 661.5 m壩體斜坡、高程2 648.0～2 656.0 m壩體斜坡位置。其中壩體高程2 661.5～2 676.5 m壩體斜坡滲漏入水點區域從右岸距岸邊10 m處一直延伸到左岸岸邊，異常值范圍較廣。該區域在兩次供電測試時均有異常反映，且異常值均偏大，在20～55 mV之間，屬嚴重滲漏。壩體高程2 656.0～2 661.5 m壩體斜坡滲漏入水點異常區域形成一條140 m長的條帶狀，異常值均在20～40 mV之間，屬中度滲漏。壩體高程2 648～2 656 m壩體斜坡處異常區域形成一條80 m長的條帶狀，異常值一般在20～30 mV之間，屬輕微滲漏。條帶狀分布的滲漏入水點異常區域極可能由土工膜焊接縫部位存在滲漏通道所引起。

3.3小 結

綜合心墻質量及滲漏檢測成果可知，大壩礫石土心墻上游PVC防滲土工膜局部出現滲漏通道，加之心墻防滲效果較差，造成下游滲流量較大；同時礫石土心墻在長期滲流沖刷的作用下，細顆粒流失，心墻局部出現架空現象，當架空達到一定規模后，壩體發生局部塌陷。

4治理方案及成效

4.1初步治理方案及現場灌漿試驗

根據華山溝大壩工程隱患實際情況，結合國內外類似工程經驗，設計人員推薦心墻灌漿改性防滲方案作為大壩隱患治理的初步方案。

大壩防滲體采用滲透、充填灌漿的方法進行加固處理。考慮到灌漿壓力較小，為保證灌漿效果，采用較密的孔、排距。在壩軸線及上下游側處布置7排灌漿孔，梅花形布置，排距0.5 m、孔距1.0～1.5 m，河床部位孔底深入高塑性黏土1.0 m，灌漿最大深度約67 m（中間排最大深度62.5 m），兩岸靠岸坡段孔深按進入高塑性黏土料0.5～1.0 m進行控制；通過灌漿充填，重點改善礫石土心墻局部不密實狀態，同時有效改善心墻防滲性能，并要求灌后礫石土心墻的滲透系數不大于1×10-5cm/s。典型剖面圖見圖2。

實施時首先針對心墻灌漿改性方案開展現場試驗，重點對灌漿材料、灌漿工藝和參數、灌漿標準和檢查方法等進行試驗研究和優選，并對工效和費用進行初步分析。根據現場實際情況，選擇具有代表性的壩面塌陷坑與鉆孔掉鉆現象對應的樁號0+070附近（A區）、河床中部（B區）以及右岸部位（C區）共3個區域進行灌漿試驗。

為保證灌漿質量和工效，試驗采用孔口封閉法、套管法兩種方法進行比較；為使灌注漿液能充填心墻的裂隙和空腔、漿液結石強度與心墻土料相近，主要選擇水泥黏土（或膨潤土、粉煤灰）漿液。灌漿壓力通過試驗確定，以不產生劈裂為原則；1，7排灌漿最大壓力0.6 MPa，其余中間排最大灌漿壓力1.0 MPa。

綜合現場試驗灌漿成果和灌后檢查成果分析，試驗A、B、C區灌后滲透系數在i×（10-5～10-4） cm/s，相比灌前降低了2～3個數量級，但與預期的k≤1×10-5 cm/s仍有一定差距，合格率僅3.03%。灌后心墻在0.15～0.3 MPa的較低壓力下就可能發生劈裂破壞；灌后心墻存在較明顯的不均勻性，局部部位漿液難以灌入，仍呈松散狀；灌漿對心墻防滲性能有一定改善，但總體效果一般，未能達到設計預期。

根據試驗C區灌后檢測成果，由于反濾料總體顆粒偏粗，與心墻料不滿足反濾關系；當大壩心墻料局部薄弱環節出現滲透破壞而顆粒流失時，反濾料對心墻不能起到反濾保護作用，大壩長期運行存在滲透破壞風險。

為滿足大壩長期安全運行要求，有必要對大壩隱患治理方案進行進一步深化研究。

4.2深化治理方案設計和施工

4.2.1深化治理方案設計

結合工程實際情況和類似工程經驗，綜合考慮壩基覆蓋層中弱透水土層厚度、透水性可能存在不均一性、大壩長期運行安全、施工難度和工程投資等，設計人員選擇防滲墻墻底伸入基巖的全封閉方案作為該工程大壩病害治理的推薦方案。典型剖面圖見圖3。

大壩隱患治理方案主要包括壩體心墻內新建混凝土防滲墻、新建防滲墻后心墻內充填灌漿、新建防滲墻下基巖帷幕灌漿以及壩頂結構拆除和重建等。混凝土防滲墻設在大壩壩體內，底部嵌入基巖，其上游承受很大的水推力，且下游地下水位低，墻體的應力和變形需要十分關注。經三維有限元分析可知，蓄水影響下，防滲墻向下游的水平位移最大值為19.7 cm，位于心墻內防滲墻中上部，豎向變形為6 cm。水平向拉、壓應力最大值均在C20混凝土設計抗拉和抗壓強度范圍內，豎直向壓應力最大值在C20混凝土設計抗壓強度范圍內，拉應力局部超限。若采用主拉、壓應力值評價結構的受力狀態，防滲墻壓應力在C20混凝土設計抗壓強度范圍內，但防滲墻被基巖約束區由于強約束造成應力集中等因素的影響，存在拉應力超C20混凝土設計抗拉強度的區域，如圖4～5所示。

4.2.2深化治理方案施工

4.2.2.1混凝土防滲墻

新建混凝土防滲墻布置在原壩基防滲墻下游側，兩墻凈距0.5 m，厚度1.0 m；墻體材料采用C20常規混凝土。防滲墻底按深入基巖1.0 m控制。主要施工技術特點如下。

（1） 固壁泥漿。采用鉆井級優質鈉基膨潤土拌制固壁泥漿，通過優化泥漿配合比，調整泥漿性能指標，新制泥漿具有“比重小、黏度大”的特點。優質膨潤土泥漿在槽孔內形成“外泥皮+橋塞區+侵染區”的孔壁泥漿固壁穩定體系，最大限度地保證了槽孔孔壁的安全。

（2） 超深防滲墻孔斜率控制。針對高于規范要求的成槽孔斜指標，通過對防滲墻造孔工藝的研究，采取了沖擊鉆機與抓斗結合的“鉆抓法”施工，采用了沖擊鉆頭加焊金屬耐磨塊對孔斜的相反方向進行修孔、在孔口安設糾偏軸強制性修孔以及回填塊石重新造孔等方式對防滲墻孔形進行糾偏處理，保證了防滲墻成槽孔斜率，提高了預埋灌漿管、接頭管的下設成功率，并為后期順利完成164.31 m防滲墻取芯奠定了基礎。

（3） 防滲墻混凝土澆筑技術。通過對防滲墻混凝土配合比的研究，選擇良好級配骨料，優化配合比，延長初凝時間，增大混凝土擴散度，保證了泥漿下超深防滲墻混凝土的成功澆筑。通過提高混凝土砂率，降低混凝土剛度，增強混凝土柔性，提高了混凝土防滲墻的變形能力。防滲墻混凝土采用直升導管法進行澆筑，防滲墻所有槽段混凝土面平均上升速度為5.66 m/h，混凝土面勻速上升，澆筑時各處高差小于50 cm，避免了因混凝土澆筑過快對大壩造成二次破壞的情況。

（4） 160 m級預埋灌漿管下設技術。本次隱患治理工程預埋灌漿管間距1.0 m，最大下設深度超160 m。預埋灌漿管采用定位架和桁架結構固定預埋管的方法進行下設，鋼管接頭處采用套管連接（套管內徑略大于預埋管外徑）并加強焊接，增加接頭剛度，減少變形。加之良好的防滲墻孔形以及高效的“氣舉反循環”法清孔換漿技術，預埋灌漿管下設合格率100%。

（5） 陡坡入巖技術。通過對左右岸陡坡段入巖困難問題的研究，采取了同一槽段由淺至深依次鉆進，基巖段由液壓潛孔鉆機鉆打誘導孔，沖擊鉆配置大重量鉆頭低沖程高頻率沖擊入巖的施工方法，成功解決了左右岸40°～70°陡坡段入巖困難的問題，保證了防滲墻的嵌巖深度不小于1 m。

4.2.2.2心墻充填灌漿

針對大壩礫石土心墻不密實、架空的情況，為避免防滲墻在壩體中施工時出現塌孔、漏漿情況，造孔施工前在防滲墻下游側心墻內布置2排充填灌漿孔，孔斜分別為2°和4°，排距1.0 m、孔距2.0 m、采用梅花形布置。灌漿采用無壓（或不大于0.1 MPa低壓）自流式充填灌漿；灌漿采用水泥黏土砂漿，水泥∶黏土=1∶1～3∶1，摻砂量為水泥量的5%（大注入量時可逐漸增加至20%），水灰比采用1∶1、0.8∶1、0.5∶1三個比級。灌漿方法采用“套管法”、自下而上分段灌漿，段長2～3 m。心墻充填灌漿示意圖見圖6。

4.2.2.3基巖帷幕灌漿

鑒于新建防滲墻與原兩岸灌漿帷幕不在同一平面上（相距1.5 m），且防滲墻造孔施工過程中對基巖造成擾動、墻底存在沉渣等，為保證新建防滲墻與原兩岸防滲帷幕的可靠連接，對兩岸防滲墻底基巖進行灌漿處理。

4.3治理成效

（1） 大壩隱患治理前滲水量最大值基本穩定在350～400 L/s，隱患治理實施期間水庫水位基本維持在2 665 m以下，下游量水堰未見滲水。2022年再次蓄水至正常蓄水位2 700 m期間，下游量水堰仍未見滲水，表明新建防滲體系阻水效果明顯。大壩下游坡腳處量水堰滲流量過程線如圖7所示。

（2） 根據大壩及新建防滲墻應力計算分析成果，受壩址河谷形態影響，新建防滲墻在兩岸岸坡陡緩交界處應力狀態較為復雜，需要重點關注。因此施工過程中在防滲墻內結合預埋管鋼筋桁架布設了雙向鋼筋計。分析鋼筋計監測成果可知，在儀器埋設初期，受上部壩頂結構恢復施工影響，各鋼筋計測值存在波動，隨著蓄水期間庫水位逐漸升高，防滲墻內鋼筋應力隨之變化，總體表現為左右岸雙向受拉、河床中部受壓，隨著水位達到正常蓄水位，鋼筋應力逐漸趨于穩定，目前鋼筋計最大壓應力約10 MPa、最大拉應力約5 MPa，測值總體較小；2022年“9·5”瀘定地震對新建防滲墻應力無明顯影響。典型鋼筋計應力過程線如圖8所示。

5結 論

（1） 按照該工程施工經驗，采用水泥黏土灌漿，礫石土灌漿后滲透系數要達到小于1×10-5 cm/s難度較大，一般情況下小于5×10-4cm/s較有保證。

（2） 該工程屬于首次將超深防滲墻成功應用于大壩除險加固工程中，防滲墻平均孔深約88 m，最深達161.75 m。且是首次從壩頂實施超深防滲墻，穿越近70 m松散壩體及最大深度為97.6 m的壩基覆蓋層直至基巖，針對超深防滲墻孔斜率控制、陡坡入巖、160 m級預埋灌漿管下設等施工重難點技術采取了相應的解決措施。

（3） 針對大壩礫石土心墻不密實，普遍較為松散、均勻性差、強透水且多架空的情況，采取了預灌濃漿的施工方案。防滲墻造孔施工前，沿防滲墻軸線在導墻內側布設兩排預灌濃漿孔，分別位于防滲墻上游墻面和下游墻面部位，灌注純水泥漿。通過該工程施工實踐，預灌濃漿對礫石土心墻松散部位進行了有效充填，降低了防滲墻造孔過程中穿越近70 m松散壩體時的塌孔、漏漿風險。

（4） 大壩滲漏治理工作已于2022年6月初全部完成。截至目前的大壩監測成果表明，在大壩滲漏治理實施完成后，水庫再次蓄至正常蓄水位2 700 m，大壩下游量水堰無滲水，新建防滲體系阻水效果顯著，新建防滲墻應力測值較小，表明大壩滲漏治理實施達到了預期的效果。

（5） 計算表明，防滲墻局部存在拉應力超標區域，后續仍要做好水庫水位升降速率控制、運行調度及相關預案、日常監測巡視等運行管理工作，發現異常及時分析解決，以確保大壩長期安全運行。

參考文獻：

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（編輯：鄭 毅）