長春市新立城水庫除險加固工程土壩基礎(chǔ)防滲處理淺析

焦景輝，陸文婷，趙憲女

（1.吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，長春130021；2.長春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，長春 130012）

長春市新立城水庫除險加固工程土壩基礎(chǔ)防滲處理淺析

焦景輝1，陸文婷1，趙憲女2

（1.吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，長春130021；2.長春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，長春 130012）

長春市新立城水庫位于伊通河中上游，位于長春市東南16km。2007年水利部大壩安全管理中心評定：新立城水庫為Ⅲ類壩，建議進(jìn)行除險加固。根據(jù)新立城水庫土壩基礎(chǔ)的滲漏及地質(zhì)情況，對壩基進(jìn)行了高壓擺噴的工程處理措施。

新立城水庫；土壩基礎(chǔ)處理；高噴防滲墻

1 工程簡介

長春市新立城水庫位于伊通河中上游，位于長春市東南16km處，是伊通河流域最大的水利樞紐工程。水庫總庫容5.51×108m3（加固后庫容），控制流域面積1 970km2，工程是以城市防洪、供水為主，并兼?zhèn)錆O業(yè)和旅游的大（2）型水利樞紐工程。水庫主要有土壩、溢洪道和輸水洞等建筑物組成。2007年大壩安全鑒定后安全類別綜合評定為Ⅲ類，建議進(jìn)行除險加固。

2 土壩工程

土壩為亞黏土均質(zhì)壩，壩頂高程為224.00m，壩頂長2 680m。壩頂寬8.0m，最大壩高18.15m，上游壩坡1∶3，下游壩坡1∶2.5。

2.1 土壩基礎(chǔ)存在的問題

新立城水庫壩基屬于雙層地基，即表層為黏性土層，滲透系數(shù)為1.27×10－5cm／s；下面為砂礫石層，滲透系數(shù)為1.0×10－2～1.0×10－1cm／s。1983年保壩工程建設(shè)時，采取壩后水平蓋重、減壓井措施來控制滲流破壞。減壓井共有101眼，位于大壩樁號1＋235—2＋445m，減壓井建成后，從觀測資料分析，開始時壩后承壓水頭顯著降低。但經(jīng)過近30年的運(yùn)行，壩后減壓井已經(jīng)大部分堵塞失效，壩后壓重承壓水水頭增大。壩基透水層滲漏已引起壩后出現(xiàn)浸沒現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了壩址下游側(cè)的趙家屯和附近耕地，常出現(xiàn)農(nóng)民集體上訪事件，不利于社會的和諧安定。因此對壩基進(jìn)行處理是十分必要的。

2.2 壩基地質(zhì)評價

土壩壩體直接坐于黏土層上，壩前采用水平鋪蓋防滲。壩基下礫質(zhì)粗砂（2－3）和細(xì)礫（2－4）為強(qiáng)透水層，連續(xù)分布，壩后水田存在常年漏水點，存在滲漏問題。

壩后蓋重區(qū)頂部為礫質(zhì)黏土（1－4）、黏土（2－1）及淤泥質(zhì)黏土（2－2）層，總厚度在8.0～11.0m，無壩后浸沒問題；下游防汛路以外地貌單元為河漫灘，地層為全新統(tǒng)沖積地層，上部黏性土厚1.0～1.2m，下部為礫質(zhì)粗砂（2－3）及細(xì)礫（2－4）層，厚度4.0～6.0m。局部地段黏性土被揭穿，考慮到黏性土層較薄及黏性土的毛細(xì)上升高度，經(jīng)計算存在浸沒問題?，F(xiàn)狀是：原耕地及當(dāng)?shù)鼐用穹课荩驂位嬖趪?yán)重滲漏問題而引起了浸沒，導(dǎo)致農(nóng)田及居住地終年潮濕，形成了浸沒現(xiàn)象。浸沒范圍：防汛路以外（下游）長約1 000m，寬約2 450m，面積約2.45km2。為避免產(chǎn)生嚴(yán)重的浸沒問題，建議壩基采取防滲措施。壩基各土層地質(zhì)參數(shù)見表1。

3 土壩基礎(chǔ)處理措施

3.1 土壩壩基防滲處理過程

水庫在20世紀(jì)50年代作初步設(shè)計階段曾對土壩的防滲型式進(jìn)行過專題研究，并結(jié)合新立城水庫的工程地質(zhì)條件進(jìn)行了分析比較。

經(jīng)過對水平方案和垂直方案的比較，采用砼防滲墻方案效果好，對解決滲流穩(wěn)定問題比較徹底，由于在當(dāng)時水泥材料比較緊缺，且需要施工機(jī)械設(shè)備較多，施工技術(shù)要求也較高，投資也高，至于水平防滲方案效果雖不如砼防滲墻方案，但在該水庫水頭不高的條件下也可基本解決防滲問題，而且施工簡單易行、靈活，不需要很多材料，投資也很省，結(jié)合當(dāng)時的實際情況，設(shè)計采用了水平防滲方案。

表1 壩基各土層地質(zhì)參數(shù)

1983年保壩工程建設(shè)時，采取壩后水平蓋重、減壓井等措施來控制滲流破壞。工程完工后，壩址抗流土破壞能力大為增強(qiáng)，但不能解決壩基滲漏問題。下游101眼減壓井經(jīng)過近30年的運(yùn)行，壩后減壓井已經(jīng)大部分堵塞失效，壩后壓重承壓水水頭增大。

3.2 土壩基礎(chǔ)防滲措施比選

對壩基防滲處理一般以“前堵后排”為原則。前堵的工程措施主要有水平和垂直防滲。但在水庫除險加固中，多采用垂直防滲來處理滲漏問題。由于垂直防滲措施一般不需要放空水庫，因此更適用在水資源缺乏地區(qū)或一些城市供水庫。而且水庫長期蓄水后在壩前會有一定的淤積，給水平防滲的施工帶來很大的困難。而后排措施也不能很好解決壩下游的浸沒問題。因此在水庫除險加固方案選定時，確定了垂直防滲方案，并且對砼防滲墻和高壓噴射灌漿方案進(jìn)行了優(yōu)化比較。

3.2.1 砼防滲墻方案

砼防滲墻技術(shù)是在20世紀(jì)50年代初期最先出現(xiàn)在歐洲的，是在松散透水地基中連續(xù)開槽后再以泥漿固壁，往槽內(nèi)灌注混凝土而建成的墻形防滲結(jié)構(gòu)。

隨著近幾年技術(shù)及施工機(jī)械的發(fā)展，砼防滲墻已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，成墻質(zhì)量也得到提高。砼防滲墻施工機(jī)械化高、施工簡便、施工進(jìn)度快，防滲效果好及利于檢測，因而得到了普遍應(yīng)用，砼防滲墻成為我國水利工程處理地基防滲的常用措施。

砼防滲墻是在開挖成槽孔后并有可靠的接頭條件下澆筑砼的，整個過程都是便于控制和檢查的。因此與其他防滲型式比較，砼防滲墻施工質(zhì)量可靠，防滲效果更好。在各種復(fù)雜地質(zhì)地層中均可以采用砼防滲墻方案。但砼防滲墻一般成墻較厚，需要單獨開槽孔和泥漿固壁，造價相對較高。

3.2.2 高壓噴射灌漿方案

高壓噴射灌漿是利用鉆機(jī)造孔，用高壓水泥漿通過鉆桿由噴嘴噴出射流，以此切割土體并與土拌合形成連續(xù)搭接的水泥加固體，因此不存在注漿的可灌性問題。只要高壓射流能破壞的土層如砂土、黃土、素填土和碎石土、極細(xì)砂層、黏土層等均可處理。當(dāng)土層中含有較多的大粒徑石塊或漂石、大量植物根莖和雜物或有較高的有機(jī)質(zhì)時，地下水流速過大的地段，要根據(jù)現(xiàn)場試驗來確定其適用性。

高壓噴射灌漿施工對施工場地要求不高，施工占地少、振動小、不需要對地層開挖，它既可用于新建工程，也可用于工程后期加固。因此經(jīng)常用來對病險水庫透水地基及穿壩建筑物的繞滲進(jìn)行處理。3.2.3 新立城水庫壩基防滲方案選擇

（1）新立城水庫已施工過的防滲方案

1979年—1980年新立城水庫壩基砂礫石層先后進(jìn)行了2次5個孔的靜壓灌漿試驗，灌漿用水泥3.6t，總吸漿量13m3，證明砂礫石層是可灌的，但在1981年打孔檢查時沒有見到形成的水泥固結(jié)體，主要原因應(yīng)是在水庫蓄水有水頭壓力下，地下水流速較快，灌入的水泥漿沒有凝固就被水沖走了，試驗說明土壩基礎(chǔ)砂礫石透水層在有水頭壓力下采用靜壓灌漿是不合理的。

1983年新立城水庫進(jìn)行了保壩工程建設(shè)，并對壩基砂礫石層防滲處理進(jìn)行了高壓定向噴射灌漿試驗研究工作。試驗場共有2處：一處在樁號：壩1＋603—壩1＋640m段，在下游距壩軸線46m處，是嚴(yán)重漏水段；另一處在樁號：壩1＋710—壩1＋730m段，在下游距壩軸線170m處。試驗孔按直線和圍井2種型式，孔距為：2.0，2.4，2.8，3.2，3.6，4.0m共6種，平均深度為10m。試驗用施工機(jī)具為高壓水泵（3w－6B2臥式三柱塞高壓泵）、空壓機(jī)（AMR－370型）、攪拌機(jī)和噴射裝置。

試驗完畢后，為了檢驗原定的施工方法與板墻質(zhì)量，對試驗段進(jìn)行了部分開挖，觀察檢驗水泥結(jié)石固結(jié)體的成墻狀態(tài)、性質(zhì)及防滲性能等。開挖表明，運(yùn)用高壓定噴灌漿，在黏土層和砂礫石層中完全能形成水泥固結(jié)墻體。在黏土層中形成墻體厚為5～15cm，在砂礫石層形成的墻體厚度為20～35cm，水泥固結(jié)墻的主要力學(xué)指標(biāo)經(jīng)室內(nèi)試驗測得為浸水飽和抗壓強(qiáng)度大于3MPa，滲透系數(shù)1～1.747× 10－7cm／s，臨界坡降約為100。在現(xiàn)場用菱形封閉圍井做注水試驗檢查，測得滲透系數(shù)小于3.8× 10－5cm／s。

1985年鑒定之后，在位于壩中段樁號：壩2＋316—壩2＋585m和壩1＋545—壩1＋648m，采用高壓定噴灌漿形成防滲墻。完工后經(jīng)注水法檢測，滿足設(shè)計要求。此項研究成果被評為吉林省1985年度科技進(jìn)步三等獎。雖然此段試驗性質(zhì)的施工不能解決壩基滲漏問題，但說明此方案是可以在水庫蓄水情況下實施的。

（2）新立城水庫壩基礎(chǔ)防滲處理

國內(nèi)的病險水庫、大壩多建于20世紀(jì)50年代至70年代，不少土壩基礎(chǔ)沒有處理，防滲薄弱部位也在壩基。這些年國家加大了對病險水庫的投入，在土石壩壩基防滲加固處理方面也廣泛采用了高壓灌漿法和混凝土防滲墻法。

新立城水庫為長春市的供水水源地，加固時沒有放空水庫。水位以上的上游壩坡也沒有施工場地和條件。因此只能在壩頂進(jìn)行防滲施工。如采用砼防滲墻方案，就要從壩頂開槽孔到壩基，再澆筑砼形成防滲墻體。這樣對壩體的擾動會很大，不利于處在VII度地震區(qū)的壩體安全。而且土壩基礎(chǔ)需要防滲的透水層不厚（2～6m），此方案將浪費大部分的開槽及防滲墻工程量，因此在本工程上應(yīng)用明顯不經(jīng)濟(jì)。

高壓噴射灌漿防滲墻可由鉆機(jī)鉆孔到需要處理的部位，經(jīng)過高壓射流的切割攪拌，水泥漿在噴射范圍內(nèi)與地層土石顆粒攪拌結(jié)合后形成防滲凝結(jié)體，從而達(dá)到防滲加固的目的，對壩體的擾動較小。高壓噴射灌漿的優(yōu)點是所用設(shè)備簡單，場地要求小，施工方法簡單，投資少。但由于是地下施工，防滲墻體基巖面結(jié)合不好控制，如果鉆孔較深時，一旦打孔傾斜度大，下部分墻體容易連接不上或不嚴(yán)，不易形成完全封閉的整體，且成墻后也沒有可靠的檢測方法對沒封閉的墻體加以修補(bǔ)。高壓噴射灌漿防滲雖不如砼防滲墻防滲效果穩(wěn)妥可靠，但考慮本工程需要防滲的透水層不厚（僅2～6m），投資比砼防滲墻少791.09萬元，且高壓噴射灌漿在新立城水庫有過成功的試驗經(jīng)驗。

綜合以上原因，水庫壩基加固方案最終采用了高壓噴射灌漿方案，并已施工完成。

3.3 新立城水庫壩基礎(chǔ)防滲方案及注意事項

根據(jù)工程地質(zhì)資料和施工單位現(xiàn)場的高壓擺噴灌漿試驗：確定高壓擺噴灌漿鉆孔為1排，位于壩軸線上，孔距1.3m，分二序灌漿，采用折線形結(jié)構(gòu)布置，擺角30°，噴射軸線與防滲墻軸線夾角為25°。擺噴固結(jié)體設(shè)計有效厚度不小于20cm。滲透系數(shù)不大于i×10－6cm／s；（i＝1～5）墻體抗壓強(qiáng)度，黏土層0.5～3MPa，礫質(zhì)粗砂及細(xì)礫層2～5MPa；滲透破壞比降≥200。灌漿后灌漿孔采用黏土球封孔。

（1）由于水庫已建成近50a，查清壩基地質(zhì)情況是十分重要的，在施工前預(yù)先打了先導(dǎo)孔，保證了對基礎(chǔ)透水層的封閉。并在施工前在壩后進(jìn)行現(xiàn)場試驗，共完成了4個試驗區(qū)14個高噴孔，通過試驗確定了施工布置形式和施工參數(shù)，檢測合格后才正式在壩頂施工。

（2）高度重視防滲墻體連接和孔斜的控制，高噴灌漿孔位與設(shè)計孔位偏差小于5cm，鉆孔偏斜小于1%。施工完成后對全線防滲墻體的邊續(xù)性及墻體的實際深度進(jìn)行了無損檢測，對不滿足設(shè)計要求段，要進(jìn)行補(bǔ)孔灌漿。

4 結(jié)語

（1）新立城水庫是長春市的主要水源供應(yīng)地之一，為了保證長春市的供水安全，水庫壩基灌漿是在水庫蓄水情況下施工的，地下水流帶走了部分漿液，因此在施工時水泥消耗量由設(shè)計的330kg／m增加到545kg／m。雖然工程投資有所增加，但此方案即保證了工程質(zhì)量同時兼顧了城市供水。

（2）灌漿施工后灌漿孔是采用直徑1.5～2.5cm的風(fēng)干黏土泥球進(jìn)行封孔的，所用黏土的黏粒含量大于30%，塑性指數(shù)大于17。從封孔后的情況來看，沒有對壩體產(chǎn)生不良影響。

（3）目前，新立城水庫除險加固已經(jīng)完成，從運(yùn)行情況來看，下游的浸沒情況已得到改善，也沒出現(xiàn)當(dāng)?shù)卮迕裆显L的情況。因此新立城水庫壩基防滲措施能為其他類似工程提供寶貴的工程經(jīng)驗。

［1］SL 274—2001碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2001.

［2］SL 2584—2000水庫大壩安全評價導(dǎo)則［S］.北京：中國水利水電出版社，2000.

［3］DL／T 5418—2012水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社，2012.

［4］DL／T 5200—2004水利水電工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社，2004.

［5］顧淦臣，陳明致.土石壩設(shè)計［M］.北京：中國工業(yè)出版社，1963.

［6］白永年.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.

［7］陶景良.混凝土防滲墻施工［M］.北京：中國水利電力出版社，1988.

Changchun new earth dam foundation seepage control and reinforcement dam reservoir project processing

JIAO Jing－h(huán)ui，ect.
（JilinProvinceWaterConservancyandHydropowerInvestigation andDesignInstitute，Changchun130021，China）

Xinlicheng Reservoir in Changchun City is located in the upper reaches of Yitong River，and in southeast 16km of Changchun City.In 2007，Dam Safety Management Center of the Ministry of the Water Resources assessed Xinlicheng Reservoir as classⅢdam，and proposed to eliminate the danger and make the reinforcement.According to leaks and geological conditions in Xinlicheng earth dam foundation，the high pressure spray treatments are put on dam foundation.

Xinlicheng Reservoir；dam foundation treatment；high pressure cutoff

TV543

：A

：1009－8984（2014）02－0073－03

10.3969／j.issn.1009－8984.2014.02.019

2014－04－28

焦景輝（1977－），男（漢），吉林榆樹，高級工程師主要研究水利工程設(shè)計與建設(shè)。