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两种防渗措施在瓦山水库除险加固工程中的设计应用沈宗奎

发表时间：2020/6/19 来源：《基层建设》2020年第5期作者：沈宗奎吕中军

[导读] 摘要：小型水库除险加固工程中防渗方案的综合应用。

        江苏省水利勘测设计研究院有限公司江苏扬州 225000
        摘要：小型水库除险加固工程中防渗方案的综合应用。
        关键词：小水库；防渗墙；多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙；帷幕灌浆
        引言
        上世纪5、60年代掀起一批水库的建设热潮，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，又不密实，致使大坝渗漏比较严重。
        1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。
        2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1.0×10-5 cm/s，试验深度4.0～8.0m，渗透系数较大，为1.0×10-3 cm/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。
        3大坝防渗加固
        3.1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。因此须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。
        3.2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142 mm，桩间最大搭接30 mm，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30 mm+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。根据本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
        ①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。
        ②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。
        ③灌浆压力：本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。
        ④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。
        ⑥灌浆材料：结合本工程的实际情况，灌浆采用P.0.32.5普通硅酸盐水泥。
        ⑦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。　
        ⑧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。
        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。

         4 结束语
        （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桩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起到更好防渗效果，确保了工程效益的正常发挥。
        参考文献
        [1]中国水利水电基础工程局. 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范（DL/T5148—2001）[S].北京：中国电力出版社，2002.
        [2]刘保平.宋淑平编著.深层搅拌法的设计施工与应用[M].济南:济南出版社，2003.
        [3]孙钊.大坝基岩灌浆[M].北京：中国水利水电出版社，2004.
        [4]瓦山水库除险加固工程初步设计[R].2001.