联和水库主坝加固防渗方案设计浅析

黄新华

（惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司，广东 惠州 516003）

1 概况

1.1 水库概况

联和水库地处博罗县福田镇石巷村，距广州增城区8 km，库区集雨面积110.8 km2。水库设计校核洪水标准分别为100 a一遇和1000 a 一遇。水库正常蓄水位56.65 m，相应库容6115 万m3；死水位31.65 m，相应库容474 万m3；水库设计洪水位为60.69 m，对应库容为7538 万m3；水库校核洪水位为62.16 m，对应库容为8094 万m3。水库枢纽由主副坝、溢洪道、输水隧洞及坝后电站组成，担负着下游11.74 万亩农田的灌溉用水和5 万人口的生活用水以及工矿企业用水的任务，是一座以灌溉为主，结合供水、防洪、发电等综合利用的中型水库。

1.2 主坝现状

联和水库的主坝，为均质土坝，坝长330 m，最大坝高46.02 m，坝顶实测平均高程62.67 m，坝顶宽10 m，防浪墙顶高程63.54 m。迎水坡坡比约为1∶2.2，干砌石护坡。主坝背水坡分四级，自上而下坡比为1∶1.98、1∶2.27、1∶2.74 及1∶2.98，均为草皮护坡，草皮生长情况良好，设有3 级马道，高程分别为52.72 m、42.85 m 及33.14 m，宽度分别为2.0 m、2.0 m 及3.0 m；高程42.84 m 以上背水坡较为平整，坡度较陡，无明显整体性沉陷。高程42.84 m 以下背水坡坡面平整度较差，特别是在右侧坝坡高程42.84 m～24.0 m 与老山体接触部位，杂草生长非常茂盛，据了解有绕渗现象发生，现场发现局部有沉陷，最大沉陷量达0.2 m。

1.3 存在问题

经多年运行，大坝存在主要问题如下：主坝坝顶高程不满足防洪要求；主坝抗滑稳定安全系数不能满足规范要求；主坝坝体现场注水试验渗透系数有多段为1.0×10-3cm/s，大于均质土坝规范要求，其数值的波动变化较大，坝体总体土质压实度不够，渗透性较强。主坝坝基局部与第四系冲积粉细砂土层接触，该粉细砂土层属于中等透水性土层，整体连通性较好，渗漏现象较严重；主坝上游干砌石护坡不平整，大块石间的小石块散落严重。

2 主坝防渗加固方案

2.1 加固设计

根据大坝目前存在的问题，大坝加固方案应兼顾坝坡加固和大坝防渗处理。现状大坝上游坝坡局部断面不满足规范要求，需要对上游坝坡较陡段进行削坡处理，使坡比满足边坡稳定要求。因此结合本工程的特点，大坝存在的主要问题是大坝坝体浸润线比较高，上、下游坝坡抗滑稳定不足、下游坝坡渗流不稳定，本次工程大坝加固的关键就在于降低大坝坝体浸润线，确保上游坝坡稳定和下游坝坡渗流、稳定满足规范要求。采用削后坡加前坡+前坡填筑防渗粘土斜墙+坝基高压灌浆，断面图见图1。

2.1.1 上游坡

为满足上游坝坡稳定，从43.0 m 高程起对上游坝坡进行削坡，边坡1∶2.5。拆除现状上游坝坡43.0 m 高程以上干砌石护坡堆至坝脚，分两级堆放，从上之下分别为43.0 m、35.0 m 高程，迎水侧坡比均为1∶3。43.0 m 高程平台宽8 m，平台顶采用0.15 m 厚C20 砼压顶，压顶下设0.15 m 厚碎石垫层；35.0 m 高程平台宽5.0 m。

上游坝坡43.0 m 高程以上采用厚0.15 m 现浇C20 混凝土护坡，下铺0.15 m 厚的砂垫层，现浇混凝土护坡尺寸为3.0 m×3.0 m，板间用沥青油毛毡填缝，缝宽2 cm，并在混凝土护坡布置梅花形排水孔，孔距1.5 m，孔径φ75 mm，管口包扎土工布。为防止混凝土护坡下滑，分别在高程43.0 m 以及51.00 m 设置1.0 m×0.8 m（高×宽）C20 砼防滑墙。为便于对大坝的巡视和管理，在大坝上游坡设2 道C20 砼步级，步级宽2.0 m，并在步级侧的坡面上设置水位尺。

图1 联和水库主坝加固设计断面图

2.1.2 坝顶

由于前坡进行削坡加固，因此大坝坝轴线相应后移约4.3 m，基本平行于现有坝轴线，局部地方进行修顺，设计坝顶宽8.0 m。为减少工程量，降低工程投资，上游侧设高1.0m 的砼防浪墙，防浪墙顶高程63.60 m，坝顶高程62.60 m，坝长303.50 m，坝顶采用沥青砼路面，厚0.12 m，下设水泥石屑稳定层（含水泥量6%），厚0.25 m。坝顶背水侧沿坝轴线方向设路缘石。

2.1.3 下游坡

坝顶高程62.60 m 至高程55.00 m 培厚坡度为1∶2.25，高程55.00 m 处设一宽为2.5 m 的马道；高程55.00 m 至高程46.00 m 培厚坡度为1∶2.5，高程46.00 m 处设一宽为2.5 m的马道；高程46.00 m 至高程37.00m 培厚坡度为1∶2.75，高程37.00 m 处设一宽为2.5 m 的马道；高程37.00 m 至高程29.00 m 培厚坡度为1∶3。修整坝坡排水系统和草皮护坡，完善大坝的安全观测设施。

2.1.4 排水棱体

新建排水棱体为干砌石，顶高程29.00 m，顶宽2.5 m，内坡比为1∶1，外坡比为1∶1.5，高4.0 m～13.5 m，排水棱体与土和基础的接触面设土工布、20 cm 厚中砂、20 cm 厚粗砂及60 cm厚级配碎石反滤层。

2.1.5 护坡

上游坝坡43.00 m 以上采用C20 混凝土护坡，厚0.15 m，下铺中粗砂垫层厚0.15 m；下游坝坡采用草皮护坡。

2.1.6 大坝防渗

坝体、坝基防渗采用防渗墙处理。

2.2 防渗设计

针对常用防渗措施，并结合本工程实际情况，大坝坝体浸润线比较高，下游坝坡逸出点较高，故防渗采用塑性混凝土防渗墙、混凝土防渗墙或坝体劈裂灌浆+坝基灌浆三种方案，对防渗方案进行比选。确定经济合理、切实可行的防渗方案。

（1）方案一：混凝土防渗墙

混凝土防渗墙是利用专用的造槽机械设备营造槽孔，并在槽孔内注满泥浆，以防孔壁坍塌，最后用导管在注满泥浆的槽孔中浇注混凝土并置换出泥浆，筑成墙体。并做成刚性连续墙。对施工条件要求较宽松，可在较复杂的条件下施工。比较安全、可靠。缺点是弹性模量较大，适应变形能力不强，由于强度较大，槽孔之间的接头难以解决好、施工速度较慢、成本较高。

防渗墙设计墙厚为0.6 m，采用冲抓法施工，选用CZ-22型冲孔钻机和国产GSD 钢绳抓斗施工，造孔宽度0.6 m，嵌入不透水岩层1.0 m。

（2）方案二：塑性混凝土防渗墙

塑性混凝土防渗墙营造槽孔与混凝土防渗墙相同，但通过调整混凝土配合比以达到降低混凝土弹性模量，更好的适应地基变形，同时起到较好的防渗效果的一种连续墙。

（3）方案三：坝体劈裂灌浆+坝基高压灌浆

针对水库情况，坝体采用劈裂灌浆防渗，劈裂灌浆按2 排孔布置，孔距3 m，孔均深入坝基1 m。钻孔灌浆采用分序钻灌，以使浆液平衡均匀分布于坝体，有利于泥浆排水固结，避免坝体产生不均匀沉陷和位移。坝体劈裂灌浆孔要穿过粉细砂土层1 m，坝体劈裂灌浆用水泥粘土浆，其中水泥含量15%，泥浆容重取1.6 t/m3，并在浆液中掺0.5%煤油，以防白蚁。灌浆过程中要严格遵循“坝体分段，区别对待，双排布孔，分序钻灌、孔底注浆，全孔灌注，综合控制，少灌多复”的原则。

高压旋喷灌浆固结后形成的有效防渗墙厚度保证在70 cm以上，高压喷射水压力为35MPa～40MPa，水量70L/min～80 L/min，气压0.6 MPa～0.8 MPa，气量0.8 m3/min～1.2 m3/min，主要灌浆材料为水泥，灌浆压力采用0.5 MPa 以上，浆量60 m3/min～80 m3/min，浆液比重1.6。旋喷灌浆向下进入弱风化花岗岩层1 m，向上入坝体填筑土交界面1 m。坝体劈裂灌浆孔要穿过粉细砂土层1 m，使劈裂灌浆与旋喷灌浆有1 m 的交接带，避免在两种灌浆的交界处留下渗流通道。

（4）方案比选

从以下四个方面进行比较，三种方案投资对比见表1。

①从工程地质上讲，坝体填土属素填土，褐黄色、褐红色，由风化残积土填筑而成，主要由砂质粘性土组成，混少量强风化岩碎屑物，分布不均，上部混含块石土，土质压实状况稍差，中下部土质较均匀，总体土质压实状况一般，粘性较好；坝基河床段与冲洪积粉细砂土层直接接触，大坝及坝基工程地质条件完全适用上述三种方案。

表1 防渗方案主要工程投资比较表

②从大坝渗流理论计算来说，大坝采用劈裂+高压灌浆处理无法参与渗流理论计算，而在实际工程经验中这两种防渗处理是可以起到降低浸润线的作用，但至今为止尚未有规范或参考书籍提到其相关的理论计算公式，这两种防渗处理只能作为大坝渗流、稳定的安全余度，不参入坝坡的渗流、稳定计算，坝坡的渗流、稳定只能靠加厚坝体、放缓坝坡以及拆除重建排水棱体来满足规范要求。而大坝采用混凝土防渗墙和塑性混凝土防渗墙均有理论计算依据，可减少下游坡加固的工程量。

③从施工方面来看，劈裂+高压灌浆处理坝体渗漏和坝基渗漏的施工方法已相当成熟，该技术具有机理明确、工艺合理、效果好、工期短、经济效益显著等优点，完全适用于大坝的防渗处理。混凝土防渗墙和塑性混凝土防渗墙，对施工机械要求较高，可在较复杂的条件下施工，墙体施工通过导管直接灌注，安全连续、稳定可靠，但其施工速度较慢，施工工艺精细。

④从工程投资方面来说，方案一投资最大，方案二次之，方案三投资最少。

联和水库大坝1995 年12 月曾进行过灌浆处理，但是在后来的运行过程中仍然存在较大的渗漏现象，结合上述综合分析，因此虽然方案三投资较省，但由于其效果的不确定性，本次加固时不做考虑。本次设计采用防渗墙方案，根据经济比较，塑性混凝土防渗墙比普通混凝土防渗墙投资要小。且根据国内外工程实践证明，塑性混凝土防渗墙与周围的土料性质较为相似，其具有较低的弹性模量和较低的模强比、较大的极限应变、良好的抗渗性（渗透系数达10-6～10-8cm/s）、较为理想受力状态（墙体处于三向受力状态，拉应力很小）、良好的抗震性能（地震中墙体只增加少量的压应力，而不产生拉应力）、良好的耐久性等优点，比普通混凝土防渗墙更具有优越性。因此本次设计采用方案二塑性混凝土防渗墙，纵剖面图见图2。

图2 联和水库主坝塑性砼防渗墙纵剖面图

3 结论

综上所述，联合水库主坝加固防渗工程的设计，在结合工程实际存在问题的前提下，综合考量方案的可行性、经济性、施工方面，提出经济合理、切实可行的防渗加固方案，不但降低大坝坝体浸润线，确保上游坝坡稳定和下游坝坡渗流安全，而且能充分发挥水库综合设计效益，方便运行管理。