两种防渗措施在瓦山水库除险加固工程中的设计应用

二十世纪五六十年代我国掀起水库建设热潮，由于处于特定的历史条件，无施工要求，未清基或清基不彻底，未分层填筑碾压，后期加高培厚也未按碾压式土坝技术要求施工，致使坝体土质杂乱，不密实，大坝渗漏比较严重。

一、工程概况

瓦山水库地处滁州市全椒县马厂镇，马厂河的支流的上游，属长江流域滁河水系。其正常蓄水位80.5m，设计洪水位82.01m，校核洪水位82.67m，集水面积5.3km2，总库容383万m3，是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合利用功能的小（1）型水库。大坝坝顶高程83.0m，最大坝高15.3m，坝顶长度230m，水库下游有援朝坝、马厂镇、合宁高速公路、宁西铁路及312 国道，地理位置十分重要。

二、工程地质情况

根据地质勘探资料，在加固范围0+000～0+230整个坝段内从坝顶至坝基为：0 层坝身人工填土，以重粉质壤土夹碎石为主，坝身填土厚度为9.1～14.6m，相应高程为68.65～74.50m。现场钻进时漏水严重，钻孔中经常发现较大漏水通道。钻孔注水试验成果表明，试验深度0～4.0m时，坝身渗透性较小，为1.0×10-5cm/s，试验深度4.0～8.0m，渗透系数较大，为1.0×10-3cm/s，属中等透水性。坝身填土平均渗透系数为5.0×10-3cm/s，不满足《设计导则》中对均质土坝防渗体压实后的渗透系数不大于1.0×10-4cm/s的要求。根据现场调查，坝基（桩号0+060-0+110、0+140-0+180）长期渗漏，导滤砂沟淤堵失效，二级平台上桩号0+050-0+090、0+170-0+190 两段长年呈沼泽状，1991年和2003年两次大洪水期间，局部坝段渗流出逸点高达79.8m，仅比正常蓄水位80.5m 低0.7m。以上情况说明，坝身土质结构较松散，抗渗能力较差，给大坝安全运行带来一定隐患。

勘察范围内主要揭露坝基地层为绢云石英千枚岩强风化、绢云石英千枚岩中等风化及绢云石英千枚岩微风化。现自上而下分述如下：①1绢云石英千枚岩强风化：灰白色，中粗砂状，湿，含石英、云母等矿物质，呈稍密～中密状，层厚0.4～1.6m，层底高程在67.05～73.50m。①2绢云石英千枚岩中等风化：灰白、青灰色，较破碎，裂面粗糙，含云母、石英，呈硬～坚，层厚1.1～2.0m，层底高程65.35～72.40m。①3绢云石英千枚岩微风化：青灰，破碎，裂面粗糙，呈坚，该层未揭穿。已揭露最大厚度3.7m，最深层底高程61.65m。

三、大坝防渗加固

1.防渗加固范围

从坝身质量检查资料表明，筑坝填土无质量标准。故在运行期间，坝身普遍存在渗漏，坝基坝身结合部处理较差或未做处理，通过渗流计算分析并结合大坝运行情况，瓦山水库大坝的坝体浸润线甚高，下游坝坡出逸点高程基本在76.0～77.4m左右，最高高出地面6.8m，且无任何防护措施，对下游坝坡的渗透稳定和抗滑稳定均有严重威胁，危及大坝安全运行。因此需对大坝全坝段进行防渗加固处理，即从桩号0+000～0+230，全长230m。

2.坝体、坝基防渗加固措施

由于该坝坝体存在严重的渗漏问题，根据瓦山水库的工程现状，结合目前土石坝防渗加固技术，以及已建工程经验，防渗处理采用垂直防渗技术，本次防渗加固方案经过多种方案经济技术比较，最终选定多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙。考虑到右坝肩绕渗的问题，采用帷幕灌浆处理。

（1）多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙

多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙技术，是运用特制的多头小直径深层搅拌桩机把水泥浆喷入土体，同时钻头旋转搅拌，使喷入土层的水泥浆液与原土粒充分拌和在一起，形成抗压强度比天然土强度高得多，渗透系数较小，并具有整体性、水稳定性的桩柱体。将桩柱体互相搭接连成一列，形成连续墙体起到截渗作用。

多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙，该技术成墙价低，取材方便，施工速度快，施工工序少，工效高，成墙耐久性好，且不受库水位的影响。该技术在长江大堤和淮河大堤上得到广泛应用，有较成熟的经验，取得了较好的经济效益和社会效益。

①方案布置

截渗墙布置于坝顶中轴线上，由于墙体强度较大，考虑到坝顶要修建路面，为防止不均匀沉陷，截渗墙顶高程定为82.7m。墙体穿过坝身重粉质壤土，伸入坝基不透水或弱透水层2.0m，形成一道完整的防渗体系，以控制坝体渗流，降低坝体浸润线，防止坝体产生渗透破坏，墙底高程在66.5～73.5m，最大成墙深度约16.2m。

②施工机械的选用

选用转盘式ZCJ-25型多头深层搅拌桩机。该机有3～5个头，根据已完工程经验，选用5个钻头，一个工艺流程可形成一个单元防渗墙。钻杆间距为320 mm，钻杆之间带有连锁装置。

③截渗墙厚度及孔径

截渗墙厚度按公式T=ΔH/[J]计算。

式中：

T—最小防渗墙厚度（m）；

ΔH—最大上、下游水头差（m）；

[J]—截渗墙允许水力坡降，参考相关资料取60。

上、下游最大水位差取14.17m，经计算得T =0.24m，考虑到施工可能带来的垂直偏差，选用桩径为400mm，搭接处理论最小成墙厚度142mm，桩间最大搭接30mm，若施工造成的桩体倾斜度控制在0.4%以内，单元间桩最大搭接30mm+0.4%H（H—防渗墙深度）可满足截渗墙厚度的要求。

④造孔方法及施工参数

根据所选机型特点，施工时先完成1 单元5 孔造墙，然后再进行下一单元5 孔造墙，以此类推实现全坝段防渗造墙，单元与单元之间搭接厚度要满足施工造成的桩体倾斜度要求。根据工程实际情况初步选定施工参数见表1。具体实施时可通过现场试验和室内试验进一步认证参数的合理性，质量检查时通过开挖检查、取芯试验、注水实验、超声波检测等方法来检验防渗墙的防渗效果是否达到设计要求。

综上所述，采用多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙，选用转盘式ZCJ-25型多头深层搅拌桩机。截渗墙底部深入坝基绢云石英千枚岩强风化2m，顶高程82.7m，最大成墙深度16.2m，成墙最小厚度24cm。

（2）帷幕灌浆

①防渗标准

a.深度：根据《碾压式土石坝设计规范》的有关规定，基岩相对不透层透水率宜为5Lu。基岩防渗帷幕灌浆的目的是封堵基岩裂隙渗漏通道，降低坝后承压水头，防止产生渗透破坏，防渗灌浆帷幕下限依照勘探孔资料深入透水率q ≤5.0Lu以下5m弱透水层。

b.孔排距：设计帷幕为单排孔，孔距2.0m，分三序施工。钻孔为铅直孔，钻孔直径不小于56mm。

c.灌浆压力：工程设计灌浆压力为0.6MPa，闸基和基岩接触段可适当降低灌浆压力。

d.灌浆方式和方法：灌浆方式为循环式。灌浆方法为自下而上灌浆法和综合灌浆法。

e.灌浆材料：结合工程的实际情况，灌浆采用P.0.32.5 普通硅酸盐水泥。

f.浆液变换：按自稀变浓原则，浆液配比采用重量法配制，即：5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1、0.5∶1。

g.封孔：全孔灌浆结束，采用“置换和压力灌浆封孔法”或“压力灌浆封孔法”，排除孔内稀浆，将全孔封填密实。

②防渗帷幕灌浆线路布置

防渗帷幕灌浆线路布置以满足防渗要求、线路短、施工难度小、工程量小为原则，同时考虑与坝体防渗的可靠衔接。坝基防渗主要结合坝体防渗，防渗墙最大埋深22.5m，故采用沿多头小直径防渗墙轴线上游侧钻孔布置防渗灌浆帷幕方案，桩号范围0+000～0+040。

表1 多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙施工参数表

③帷幕灌浆与多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙的连接

帷幕灌浆主要处理坝基与坝身结合部位，与多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙重叠1.0m，保证防渗的连贯性。大坝防渗纵剖面图见图1。

四、结语

图1 大坝防渗纵剖面图

（1）本次大坝防渗加固后，经过采用河海大学工程力学·南京水准科技有限公司开发的AutoBANK有限元计算软件程序进行计算分析，防渗墙后坝体浸润线降低很多，有利于坝体稳定，出逸渗透比降也较加固前有明显下降。根据实地勘察，瓦山水库正常蓄水位时大坝渗流出逸点高程71.2m，较防渗加固前出逸点高程76.0m 下降了4.8m，防渗效果明显。

（2）多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙防渗技术是一门新的截渗技术，具有工效高、成本低、施工安全等特点，可以保证水库正常蓄水的情况下施工，即使在汛期也不影响施工。

（3）多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙深度有所限制，且难以进入基岩，因此采用帷幕灌浆与之配合使用能起到更好防渗效果，确保了工程效益的正常发挥■