小型病险水库大坝除险加固方案比选

王 军

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司）

1 工程概况

某水库位于甘肃境内渭河支流的X河段，是一座以防洪减灾、农业灌溉、县城供水及南部农村供水为主的中小型水库。该水库总库容为1 200万m3，主要建筑物级别为3级，为中型Ⅲ等水利工程。水库兴利库容150 万m3，防洪库容490 万m3，死库容100 万m3。该水库建于20 世纪70 年代初期，80 年代初水库大坝上游坝坡发生滑坡后，及时完成修复；90年代末期对水库进行了续建及除险加固，至现状规模。该水库主要由大坝、输水泄洪洞、非常泄洪道、管理房及水库自动化调度中心站等部分组成，自建成投运以来，对当地的农业生产起到了巨大的作用。但由于水库当时的防洪标准、填筑质量、渗漏情况等问题，经有关部门进行现场检测后，正式将其确定为病险水库，决定对其进行除险加固。

2 大坝结构及防渗评价

该水库坝体主要有粘土心墙、壤土坝壳、反滤层、排水棱体、坝坡干砌石护坡等组成。

其中：①粘土心墙：主要有第三系粘土岩碾压填筑而成，位于前坝坡，其墙顶中心线距现坝轴线5 m，墙顶高程为2 022 m，顶宽3 m，底宽12 m，粘土心墙底部中间设置有砼齿墙，齿墙底高程为1 990.25 m，齿墙顶高程为1 994.25 m，心墙基础置于弱风化花岗片麻岩上。在粘土心墙顶2 020 m高程至坝顶高程间，在前坝坡铺设有土工膜进行防渗处理。②坝壳：均为壤土（重、中粉质黏土）填筑，上游坝坡自上而下为1∶2.80、1∶3.50、1∶3.50。2000 m高程以上采用干砌石护坡，其中在2 020～2 030 m高程间坝坡铺设土工布防渗层。在2 015 m至2 000 m高程加设石渣混合料压重体，边坡为1∶7。下游坝坡自上而下为1∶2、1∶3、1∶2.50。在2 018 m至1 998 m高程，加设石渣混合料压重体。2 010 m 高程以下采用干砌块石护坡，护坡厚度30 cm，其下设厚50 cm反滤层，2 013 m高程以上采用草皮护面。③排水棱体：位于下游坝趾主河槽部位，排水体顶高程1 998 m，顶宽2 m，内坡1∶1.00，外坡1∶1.50，坝体与排水棱体接触部位分别设置0.25、0.25、0.30 m 三层反滤层。坝后排水棱体有隧洞开挖弃料堆积，块体直径多为15 ～60 cm的不规则片麻状花岗岩块石堆积而成。

综上所述，该水库坝体粘土心墙顶高程为2 022 m 较原设计高程2 030 m低8 m，存在心墙防渗不完整、总体防渗体系较复杂等问题。

3 防渗加固方案比选

3.1 工程加固方案简介

3.1.1 方案Ⅰ：“坝体防渗墙+坝体压力充填灌浆+坝基、坝肩帷幕灌浆”加固

①坝体防渗墙：将坝顶临时下挖3.10 m，形成12.0 宽的工作面（施工平台，高程2 026.90 m），坝体设C15塑性混凝土防渗墙，墙底伸入基岩强风化层内1 m控制，防渗墙厚800 mm，最大深度40.85 m，加权平均深度26.73 m，墙长120 m，总面积3 207 m2。②坝体压力充填灌浆：考虑沿坝顶布置四排灌浆孔，前两排分别在坝轴线上游2.00 m和坝轴线下游2.00 m，第三排在坝轴线上游4.00 m，第四排在坝轴线下游4.00 m，按三序钻灌，孔距2.00 m，河孔深至基岩。为使灌注的浆液析水固结后与原坝体充分结合，浆液材料选用原筑坝土料。③坝基、坝肩帷幕灌浆：帷幕设设一排，孔距2.00 m。因正常蓄水位为2 020.80，远低于坝顶高程，设计采取坝顶高程2 030.00 m 与透水率（5≤q＜10Lu）防渗线相交的位置，深入相对不透水层以下5 m。最大灌浆孔深54.70 m，最小孔深4.10 m，加权平均孔深35.10 m。由于防渗墙高度较大，帷幕灌浆钻孔垂直度不易控制，设计采用在防渗墙内预埋帷幕灌浆PVC管（Ф=110 mm）。

3.1.2 方案Ⅱ：“坝体上游坝坡复合土工膜防渗+坝体压力充填灌浆+坝肩帷幕灌浆”

①坝体上游坝坡复合土工膜防渗：清除上游坝坡防护体及反滤层，坝体开挖1.00 m后铺设土工布防渗层下延至淤积层2 015.00 m 高程以下3.00 m，黏土夯填至原淤积面高程，土工膜其黄土夯填1.00 m，再上部恢复防护体及反滤层。沿迎水坡坝面与岸坡接触边线开挖梯形固埋沟槽，然后将土工膜嵌入弱风化完整基岩。右坝肩开挖边坡为1:0.75，底部设置混泥土基座（压浆板），底宽2.00 m，厚0.80 m。帷幕设设一排，孔距2.00 m。因正常蓄水位为2 020.80，远低于坝顶高程，设计采取坝顶高程2 030.00 m与透水率（5≤q＜10 Lu）防渗线相交的位置，深入相对不透水层以下5 m。岸坡开挖浇筑砼基座后用黏土回填。②坝体压力充填灌浆：将坝顶临时下挖3.10 m，形成12.00宽的工作面，坝顶向下坝体压力充填灌浆，填堵裂缝和隐患为主，同时促进坝体沉陷变形稳定的压力灌浆。沿坝顶布置四排灌浆孔。第一排在坝轴线上游2.00 m，第二排在坝轴线下游2.00 m，第三排在坝轴线上游4.00 m，第四排在坝轴线下游4.00 m，按三序钻灌，孔距2.00 m，河孔深至基岩。③坝肩帷幕灌浆：对左右坝肩进行帷幕灌浆。左右坝肩自坝顶布置灌浆平硐，平硐断面为城门洞型，尺寸为2.50 m×3.00 m（宽×高）。帷幕设设一排，孔距2.00 m。灌浆帷幕伸入两岸的长度为正常蓄水位为2 020.80与透水率防渗线相交的位置；帷幕灌浆底部深入相对不透水层以下5 m。

3.1.3 方案Ⅲ：“坝体压力充填灌浆+坝基、坝肩帷幕灌浆”加固

①坝体压力充填灌浆：沿坝顶布置五排灌浆孔，第一排在坝轴线位置，第二排在坝轴线上游2.00 m；第三排在坝轴线下游2.00 m，第四排在坝轴线上游4.00 m；第五排在坝轴线下游4.00 m，按三序钻灌，灌浆排距2.00 m，孔距4.00 m，孔深至基岩。为使灌注的浆液析水固结后与原坝体结合较好，具有相同的性质，适应坝体的沉陷变形，浆液材料选用原筑坝土料。②坝基、坝肩帷幕灌浆：坝体底部坝基单排帷幕灌浆，孔距2.00 m，孔深根据坝高按《碾压土石坝设计规范》SL274—2001 的要求，以渗透率吕容值≤5 Lu 以下5 m 控制。对左右坝肩进行帷幕灌浆。

3.1.4 方案Ⅳ：坝体填筑+振冲碎石桩加固+坝体防渗墙+坝基、坝肩帷幕灌浆

①水库淤积面以上重新填筑坝体：挖除坝体2 015.00 m高程以上坝体，按压实度98%重新填筑坝体。②水库淤积面以下坝体振冲碎石桩加固：大坝淤积面高程2 015.50 m以下坝体存在填筑质量差、坝体裂缝问题，对2 015.00 m 高程以下原松散坝体全坝面采用振冲碎石桩挤密加固，使桩体与坝体组成一个整体。桩身材料采用碎石、卵石，粒径50 ～80 mm，桩径1.00 m，桩中心距2.50 m，正方形布置。③坝体防渗墙：坝体设C15塑性混凝土防渗墙，墙底伸入基岩强风化层内1 m 控制，防渗墙厚800 mm，最大深度40.85 m，加权平均深度26.73 m，墙长120 m，总面积3 207 m2。④坝基、坝肩帷幕灌浆：防渗墙底部坝基单排帷幕灌浆，孔距2.00 m，孔深根据坝高按《碾压土石坝设计规范》的要求，以渗透率吕容值≤5 Lu以下5 m控制。对坝基左右坝肩进行帷幕灌浆。

2.2 加固方案择优分析

①方案Ⅰ：通过塑性混凝土防渗墙、帷幕灌浆重建坝体防渗体系，能解决坝体渗流问题，通过坝体压力充填灌浆能解决坝体裂缝问题，是国内同类坝体除险加固常用方案；加固方案可比性投资为1 068.83万元。②方案Ⅱ：通过上坝坡铺设土工膜、帷幕灌浆重建坝体防渗体系，能解决坝体渗流问题，通过坝体压力充填灌浆能解决坝体裂缝问题，土工膜防渗多用于低坝除险加固；加固方案可比性投资为745.40万元。③方案Ⅲ：通过坝体填充劈裂灌浆、帷幕灌浆重建坝体防渗体系，劈裂灌浆处理后，在堤坝内形成了竖直密实连续的防渗体，增强坝体抗渗能力，改善堤坝渗透稳定和变形，从而达到除险加固的目的，但从全国来看，仅山东、湖南、四川三省发展较快，但压力控制难度大，在灌浆过程中容易出现堤坝劈坏、堤坝本身失稳、滑坡等问题；加固方案可比性投资为661.12万元。④方案Ⅳ：通过振冲碎石桩、淤积面高程以上坝体重新填筑，解决坝体填筑质量不满足规范要求的问题及坝体裂缝问题，坝基、坝肩帷幕灌浆能防渗墙能解决防渗体系不完善问题。加固方案可比性投资为2 692.22万元，投资巨大，国内采取此方案的同类工程很少。

4 研究结论

综合上述四个方案的详细阐述和对比分析，并根据病险水库主坝除险加固具体情况，从工程量、施工难易度、防渗处理效果，可靠性和耐久性、经济效益以及对水库的影响，尤其是生态保护等多方面进行系统分析和比较，推荐采取“坝体防渗墙+坝体压力充填灌浆+坝基、坝肩帷幕灌浆”加固方案进行除险加固。