病險土石壩防滲技術(shù)研究與探討

吳堅定

（平江縣水利水電勘測設(shè)計院 岳陽市 414500）

1 概 述

平江縣位于湖南省東北部，湘、鄂、贛3省交界地域，汨羅江上游。北毗湖北省通城縣及本省岳陽縣，東鄰江西省修水、銅鼓縣，西與汩羅市交界，南與省內(nèi)長沙、瀏陽接壤。東西長98.5 km，南北寬76 km，縣域總面積為4 125.18 km2，平江縣多年平均降雨1 600 mm，年降水總量63.97億m3，多年平均水資源總量為33.67億m3。全縣已建水庫214座，其中中型水庫7座、?。á瘢┬退畮?4座、?。á颍┬退畮?73座。所有水庫中重力壩8座，拱壩3座，土石壩203座。在水庫安全鑒定中，土石壩絕大部份在20世紀(jì)50～60年代修建，為非專業(yè)技術(shù)隊伍施工，運行到今，成為病險水庫的很多，對土石壩防滲除險加固成為土石壩除險加固措施重中之重。

2 土石壩防滲

壩基防滲結(jié)構(gòu)形式采用帷幕和排水結(jié)合或截水墻防滲；壩體防滲結(jié)構(gòu)形式在于選擇好筑壩土料以及壩的防滲體結(jié)構(gòu)形成，過渡區(qū)和排水反濾等，以防止?jié)B流變形對壩的危害。病險水庫滲流問題主要表現(xiàn)在土石壩壩體與壩基滲漏，針對該類問題，通常采取“上堵下排”加固措施，上堵就是沿壩軸線上游側(cè)采取防滲措施，以增強壩體抗?jié)B性能；下排就是做好下游壩腳的排水設(shè)施，防止土體顆粒被滲水帶走。病險土石壩防滲處理分壩體防滲處理和壩基防滲處理，根據(jù)處理對象的具體情況，可選用高壓噴射灌漿、劈裂灌漿、混凝土防滲墻、沖抓套井黏土回填防滲墻、土工膜、黏土斜墻防滲等措施。

（1）高壓噴射灌漿防滲。

利用鉆機鉆孔，將噴射管置于孔內(nèi)（內(nèi)含水管、水泥管和風(fēng)管），由噴射出的高壓射流沖切破壞土體，同時隨噴射流導(dǎo)入水泥漿液與被沖切土體摻攪，噴嘴上提，漿液凝固，在地基中按設(shè)計的方向、深度、厚度及結(jié)構(gòu)形式與地基結(jié)合成緊密的凝結(jié)體，起到防滲作用。其主要優(yōu)點是施工速度快，比混凝土防滲墻快10～30倍。如三峽三期圍堰防滲面積達(dá)2萬m2，僅用45天就完成施工。20世紀(jì)70年代，由日本引進高壓旋噴灌漿法，80年代初國內(nèi)將旋噴改為定向噴射灌漿，用于病險水庫壩基防滲，取得了較好的效果，迅速得到了推廣。進入80年代后，在已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，繼續(xù)深入地結(jié)合實際工程研究施工工藝、專用設(shè)備、噴射形式、設(shè)計計算及相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。高噴灌漿最初主要用于黏土層和砂土層的防滲，近年來在砂礫層中也有許多成功應(yīng)用。目前分為旋噴、擺噴、定噴三種。采用高壓噴射灌漿進行大壩防滲處理，成功例子很多，2010年對平江縣的花橋水庫、高嶺水庫進行高噴灌漿，效果明顯。但失敗例子也不少，其原因是，不同地層條件，高噴技術(shù)參數(shù)選用具有較強的經(jīng)驗性，有時還需要通過灌漿試驗確定。如在二長花崗巖砂性地區(qū)，若帶水鉆孔常有塌孔，往往高壓灌漿不能完成設(shè)計長度，需要采用干鉆鉆孔，成孔效果好些。

高噴灌漿適應(yīng)性較廣，優(yōu)點突出，對細(xì)顆粒地層是比較適宜的，對摻有大顆粒地層或是致密的黏性土層中，要求工藝就高，選取參數(shù)要試驗，在砂卵石、塊石地層中造孔難度也大，需要采用沖擊進鉆及化學(xué)固壁材料。近年來平江縣在壩高大于20 m土石壩除險加中，該項防滲技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

（2）劈裂灌漿防滲。

20世紀(jì)70年代末，國內(nèi)研究人員通過試驗，在過去重力壩灌漿的基礎(chǔ)上，利用土石壩中最小主應(yīng)力面和壩軸線方向一至的規(guī)律，在土壩中采取劈裂灌漿，沿壩軸線布孔，使用一定壓力，將壩體沿壩軸線小主應(yīng)力面劈開，灌注泥漿，并使?jié){壩互壓，最后形成（10～50）cm 厚的密實、豎直、連續(xù)泥墻，以達(dá)到防滲目的。同時，泥漿使壩體濕化，與漿脈連通的所有裂縫、洞穴等隱患均可被漿液充填密實，增加壩體的密實度。這項技術(shù)不僅起到防滲作用，也加固了壩體。其優(yōu)點在于可以就地取材，施工簡便，投資省、工效高、較快地得到推廣。劈裂灌漿應(yīng)用范圍越來越廣，過去規(guī)范規(guī)定壩高50 m以下的均質(zhì)壩和寬心墻壩，并要求在低水位進行；近年來，逐漸發(fā)展到超過50 m壩高，且高水位也可進行，還可以作劈裂堤壩基礎(chǔ)灌漿，在窄心墻壩也可以進行。適用于壩身浸潤線出溢點過高，有散浸現(xiàn)象，裂縫（不包括滑坡裂縫）及各種洞穴的壩體。灌漿材料主要有：水泥漿、黏土漿、水泥黏土漿、水泥水玻璃漿液、水泥砂漿、水玻璃類漿液等。一般多采用土料漿，根據(jù)不同需要可摻入水泥、各種外加劑。

對于粗砂及卵礫石壩基，因其土層結(jié)構(gòu)性差，形不成連續(xù)劈裂，壩基不適合用劈裂灌漿技術(shù)處理。劈裂灌漿技術(shù)主要適合于處理存在壓實質(zhì)量差、有裂縫、洞穴、水平夾砂層等隱患的土壩及結(jié)構(gòu)性較強的粉細(xì)砂及土砂夾層透水地基。平江縣在新龍、馬頭、潭灣、吐源水庫中曾利用該技術(shù)進行壩體防滲加固，取得的效果較好，滿意度高。

（3）混凝土防滲墻。

主要采用鉆鑿、鋸槽、液壓開槽機、射水及薄抓斗等工法，在壩體或地基中建造槽形孔，以泥漿固壁，然后采用直升導(dǎo)管，向槽孔內(nèi)澆筑混凝土，形成連續(xù)的混凝土墻，以達(dá)到防滲目的。防滲墻施工可以適應(yīng)各種不同材料的壩體和各種復(fù)雜地基，墻的兩端能與岸坡防滲設(shè)施或岸邊基巖相連接，墻的底部可嵌入弱風(fēng)化基巖內(nèi)一定深度，徹底截斷壩體及壩基的滲透水流。早期防滲墻主要采用烏卡斯鉆機施工，成墻厚度（0.8～1.0）m，價格較貴。20 世紀(jì) 80 年代后，出現(xiàn)了鋸槽、液壓開槽、射水及薄抓斗等多種成墻方法，墻體厚度也愈來愈薄，墻體深度也愈來愈大。如黃河小浪底右岸壩基防滲墻深度已達(dá)81.9 m。近年來推廣使用振動沉模防滲板墻技術(shù)，利用強力振動原理將空腹模板沉入土中，向空腹內(nèi)注滿漿液，邊振動邊拔模，漿液留于槽孔中形成單塊板墻，將單板連接起來，即形成連續(xù)的防滲板墻帷幕，該項新技術(shù)主要用于砂、砂性土、粘性土、淤泥質(zhì)土及砂礫石地層建造混凝土連續(xù)的防滲檣，造墻深度可達(dá)20 m左右，厚度（8～25）cm，最厚可達(dá) 30 cm，其不足之處是對卵石含量高的厚地層沉入困難，不能沉入基巖和大塊石中。目前國內(nèi)大型病險土石壩防滲加固采用此法的工程較多，應(yīng)該引起注意的是，防滲墻剛度遠(yuǎn)大于土石壩材料，因此，壩體防滲墻與壩基防滲墻有較大不同。壩基防滲墻受壩體自重和水荷載作用，壩體自重引起壩基變形對防滲墻受力有利，水荷載引起壩基變形對防滲墻受力不利，有可能產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于壩體水平變形比壩基大得多，壩體防滲墻更容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，甚至發(fā)生斷裂。而且病險土石壩多數(shù)存在施工碾壓密實度不夠問題，大壩受水荷載作用時變形更大，因此，應(yīng)注意壩體防滲墻的受力分析，特別是深壩體防滲墻受力分析。平江縣大型土石壩不多，所以在土石壩除險中較少采用該項技術(shù)。

混凝土防滲墻適用性較廣，如砂土、砂壤土、粉土、卵礫石土層等，實用性較強，但在造孔成墻技術(shù)對槽孔之間的接頭和墻體下部開叉問題難以徹底解決。

（4）沖抓套井黏土回填防滲墻。

利用沖抓式打井機具，在土石壩防滲漏范圍的防滲體中造孔，用黏性土料分層回填夯實，形成一個連續(xù)的黏土防滲墻。同時，在回填夯擊時，對井壁土層擠壓，使其井孔周圍土體密實，提高壩體質(zhì)量，從而達(dá)到防滲加固的目的。20世紀(jì)70年代初，由浙江省溫嶺縣在處理險壩中首創(chuàng)，近年來，這項防滲措施不斷得到完善和發(fā)展，逐步推廣。實踐證明，它具有機械設(shè)備簡單，施工方便、工藝易掌握、工程量小、工效高、造價低、防滲效果好等優(yōu)點。中小型水庫土石壩使用較多。但該項措施，僅適用于壩體滲漏處理，孔深一般不超過25 m。對處理壩基滲漏時，很難解決砂礫石和風(fēng)化破碎巖石的清除，尤其在水下更難以施工，在雨季施工也有一定困難。如我們曾對中型水庫九峰水庫采用該項技術(shù)，水庫水位較高，水下部份抓不起來，防滲未取得成功。

由于機械性能的限制，此頂技術(shù)一般只適用于均質(zhì)土壩和心墻壩，對于斜墻土壩之類，因與防滲體的銜接困難，只適用于斜墻局部高程的防滲加強。對于孔深以不超過40 m為宜，此項技術(shù)受水庫蓄水情況控制明顯，在高水位情況下，因壩體受滲水影響面使造孔和回填困難，所以，只能在干庫或孔內(nèi)無水的情況下施工。

（5）土工膜防滲。

土工膜以重量輕、運輸量小、縮短工期、鋪設(shè)方便、節(jié)省造價、防滲性能及適應(yīng)壩體變形等優(yōu)點，近年來廣泛應(yīng)用于土壩防滲加固，已從低壩向高壩發(fā)展。土工膜防滲的主要問題是，受紫外線作用的老化問題，實踐證明埋在地下的土工膜基本不受紫外線的影響，我國規(guī)范規(guī)定僅50 m高以下的大壩可使用土工膜防滲。鑒于壩體深混凝土防滲墻施工難度大和受力狀態(tài)難以滿足要求，土工膜防滲又難以解決壩基滲漏問題，為此，不少工程設(shè)計出在上游壩坡中下部向下打混凝土防滲墻，上部接土工膜斜墻到壩頂?shù)穆?lián)合防滲方案，有效克服了上述兩種防滲技術(shù)單獨使用存在的不足。土工膜還與黏土斜墻結(jié)合防滲，如后來對九峰水庫壩體防滲采用土工膜與黏土斜墻相結(jié)合防滲技術(shù)，取得防滲效果較好；在?。á瘢┬退畮斐U加固中丁溪水庫采用土工膜，防滲效果明顯。

土工膜可用于水庫庫盤防滲、土石壩的直立防滲墻或傾斜防滲層。土工膜用于水利防滲工程，具有結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，防滲效果好，節(jié)省工程造價，加快工期等顯著優(yōu)點，但與混凝土、黏土等防滲材料相比，有容易破裂、脆裂、老化、化學(xué)腐蝕等弱點。

（6）黏土斜墻防滲。

適用于均質(zhì)土石壩，在黏土含量較豐富地區(qū)，對均質(zhì)土質(zhì)的壩體滲漏采用黏土斜墻防滲體能有效地控制滲漏。黏土斜墻防滲效果比不上前面所述技術(shù)方案，但它施工方便，簡單，施工進程快，能達(dá)到土石壩滲流要求，只是需要黏土較多，運輸量較大，是一項較成熟的土石壩防滲技術(shù)。平江縣鴉沖水庫位平江縣伍市鎮(zhèn)，水庫周邊黏土分布多，采用黏土斜墻防滲取得成功。

以上各種防滲技術(shù)，各有特點及適用條件，技術(shù)、工藝要求各有不同，對于治理病險土石壩具體選用何種處理方案，必須綜合考慮水庫壩型、壩高、地質(zhì)、施工等因素，查明病因和機理，然后提出可行治理技術(shù)方案，通過技術(shù)經(jīng)濟綜合比較，擇優(yōu)選取，最終選定方案。

1 祁慶和，等.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，1996.

2 白永年，等.中國堤壩防滲加固新技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2001.

3 孫正東，施俊躍，范波芹，等.小型水庫除除加固工程設(shè)計復(fù)核工作探計[J].中國水利，2011，（14）.

4 譚界雄，任翔等.我國小型病險水庫病害特點及除險加固技術(shù)[J].中國水利，2011，（14）.