小型水庫(kù)大壩防滲加固措施研究

閆園園，張 胤，徐 球

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,江蘇 南京 210006;2.南京水務(wù)工程建設(shè)管理中心，江蘇 南京 210006)

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小型水庫(kù)大壩防滲加固措施研究

閆園園1，張 胤1，徐 球2

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,江蘇 南京 210006;2.南京水務(wù)工程建設(shè)管理中心，江蘇 南京 210006)

蘇南丘陵區(qū)某市大部分小型水庫(kù)建于20世紀(jì)，壩型一般采用均質(zhì)土壩，水庫(kù)大壩多為人工挑筑而成，填筑質(zhì)量較差，壩體透水性達(dá)弱～中等透水，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行滲透水流的作用使壩身防滲能力不斷弱化，防滲處理一直是小水庫(kù)消險(xiǎn)工程的主要工作內(nèi)容。本文針對(duì)小型水庫(kù)特點(diǎn)，介紹三種適合小型水庫(kù)壩身防滲的方法，分別分析了其特點(diǎn)并應(yīng)用于典型工程實(shí)例中，總結(jié)了防滲設(shè)計(jì)要點(diǎn)及三種方法適用性，為類似小型水庫(kù)的壩身防滲消險(xiǎn)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

小型水庫(kù)大壩；多頭小直徑深攪樁防滲墻；高壓噴射灌漿防滲墻；充填灌漿

1 基本防滲方法

蘇南丘陵區(qū)某市小型水庫(kù)絕大多數(shù)建于20世紀(jì)50—70年代，受當(dāng)時(shí)技術(shù)手段及項(xiàng)目投資的限制，絕大多數(shù)小水庫(kù)施工均就地取土，人工挑抬，人工夯實(shí)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)普遍較低，容易引起滲流問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，壩體填土固結(jié)沉降，地下水滲透侵蝕，導(dǎo)致壩體變形，產(chǎn)生一系列滲漏問(wèn)題[1]。

小型水庫(kù)滲漏包含壩體與壩基滲漏兩部分。本文研究的小水庫(kù)均位于巖基上，壩身滲漏量占水庫(kù)滲漏的大部分，所以本文主要對(duì)壩身防滲進(jìn)行研究分析。目前針對(duì)壩體缺陷的防滲加固一般采用上游坡面防滲、下游貼坡導(dǎo)濾防滲、壩體垂直幕墻防滲等。

(1)上游坡面防滲。主要為土工膜防滲法，在大壩迎水坡面鋪設(shè)一層防滲膜，施工時(shí)首先要將庫(kù)水位降到壩腳位置或在整個(gè)大壩前設(shè)一道圍堰，再做防護(hù)，對(duì)于目前正在運(yùn)行的小型水庫(kù)，可行性較差。

(2)背水坡防滲。主要有棱體排水法和貼坡排水法兩種。排水棱體可伸入壩體降低壩體浸潤(rùn)線，而貼坡排水在背水坡坡面設(shè)反濾層，僅能防止?jié)B透破壞。由于施工較為方便，目前小型水庫(kù)大壩背水坡防滲主要采用貼坡排水形式，但該法不能降低浸潤(rùn)線也不能減少滲漏量。

(3)壩體垂直防滲。在壩體內(nèi)沿壩軸線設(shè)置一道防滲體，垂直防滲按防滲體形成原理的不同，可分為防滲材料置換式和介入式[1]。由于小型水庫(kù)規(guī)模較小、壩體不高，而置換式防滲體對(duì)槽孔穩(wěn)定性要求高，一般不宜采用混凝土防滲墻等進(jìn)行壩體防滲。介入式中特別是多頭小直徑深攪樁防滲墻、高壓噴射灌漿防滲墻和充填灌漿等，受地形條件限制較小，適用于交通不便捷的小型水庫(kù)。

綜上，考慮到實(shí)施條件及小型水庫(kù)壩身防滲的特殊要求，本文對(duì)工程應(yīng)用較多的多頭小直徑深攪樁防滲墻、高壓噴射灌漿防滲墻和充填灌漿三種方法進(jìn)行重點(diǎn)介紹，并結(jié)合工程實(shí)例分析其適用性。

2 多頭小直徑深攪樁防滲墻

2.1 多頭小直徑深攪樁防滲墻方法介紹

多頭小直徑深攪樁防滲墻是利用水泥作為固化劑，通過(guò)專門(mén)的深層攪拌設(shè)備，在地基深處將軟土和水泥強(qiáng)制攪拌后，水泥和軟土產(chǎn)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，形成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的樁墻防滲體[2]。

按材料噴射狀態(tài)，可分為濕法和干法。濕法主料水泥漿，干法主料為水泥干粉。濕法易于攪拌，樁身質(zhì)量均勻，但是樁身底部水泥不易凝結(jié)，需較久時(shí)間才能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度；干法雖然易凝結(jié)，但是成墻厚度及樁身強(qiáng)度離散性較高。多頭小直徑深攪樁防滲墻適用于處理正常固結(jié)的淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、軟塑黏性土以及無(wú)流動(dòng)地下水的飽和松散砂土等地基。

多頭小直徑深攪樁防滲墻攪拌樁機(jī)通常采用一機(jī)多頭的單向單軸攪拌設(shè)備，常用的是3頭機(jī)、5頭機(jī)。目前國(guó)產(chǎn)機(jī)械設(shè)備受動(dòng)力限制，成樁深度能夠保證15 m范圍內(nèi)樁身質(zhì)量，樁長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)下部質(zhì)量不易控制。

水泥土攪拌樁固化劑宜選用強(qiáng)度等級(jí)42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥或選用礦渣硅酸鹽水泥等。水泥摻量一般宜為被加固土體質(zhì)量的12%～20%，水泥土的抗壓強(qiáng)度隨其相應(yīng)的水泥摻入比的增加而增大。當(dāng)需要水泥土攪拌樁樁體有較高的早期強(qiáng)度時(shí)，宜選用高標(biāo)號(hào)普通硅酸鹽水泥。水泥漿水灰比可選用0.45～0.80，土質(zhì)含水量高時(shí)取小值。

2.2 多頭小直徑深攪樁防滲墻工程實(shí)例

某小型水庫(kù)建于1966年，水庫(kù)總庫(kù)容197.4萬(wàn)m3，興利庫(kù)容125.0萬(wàn)m3，近期水庫(kù)加固時(shí)未進(jìn)行過(guò)主壩身防滲設(shè)計(jì)處理。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示大壩現(xiàn)狀背水坡坡腳縱向排水溝內(nèi)，常年有水，背水坡反濾上部出現(xiàn)滲漏點(diǎn)。地勘資料顯示壩身主要由①層粉質(zhì)黏土填筑而成，滲透性屬弱透水，局部屬中等透水，大壩填筑質(zhì)量一般。壩基淺部為②粉質(zhì)黏土層，滲透性為微透水～弱透水，土體強(qiáng)度與防滲性能均比較理想。本工程采用多頭小直徑深攪樁防滲墻進(jìn)行壩體防滲處理，墻底深入壩基1.0～2.0 m。詳見(jiàn)圖1。

圖1 壩身防滲墻設(shè)計(jì)圖

3 高壓噴射灌漿防滲墻

3.1 高壓噴射灌漿防滲墻方法介紹

高壓噴射灌漿防滲墻，是一種采用高壓形成高速噴射流束，沖擊、切割、破碎原狀地層，將水泥基質(zhì)漿液充填、摻混其中，形成具有一定強(qiáng)度的凝結(jié)體，用以提高壩基覆蓋土層或大壩壩身防滲能力的施工技術(shù)[3]。

高壓噴射灌漿根據(jù)噴射方法不同分為單管法、雙管法、三管法和多管法。單管法一般用于地基加固中用來(lái)提高地基承載力，在防滲墻施工中采用單管法很難保證成墻厚度，一般采用雙管法和三管法進(jìn)行加固。蘇南某地區(qū)的小型水庫(kù)壩身一般在10 m左右，壩頂寬度一般在4～5 m，壩體體量較小，而三管法造價(jià)較高，高壓水氣流又易于在土壩中產(chǎn)生劈裂裂縫，所以通常采用雙管法，噴射壓力一般在20～40 MPa，結(jié)構(gòu)型式可采用單排旋噴套接。高壓噴射灌漿技術(shù)施工震動(dòng)小、噪音低，地下障礙物較多時(shí)采用該方法更具優(yōu)勢(shì)，工程投資主要受土體吃漿量控制。

3.2 高壓噴射灌漿防滲墻工程實(shí)例

某水庫(kù)建于1965年，屬石臼湖水系。水庫(kù)總庫(kù)容24.65萬(wàn)m3，興利庫(kù)容12.06萬(wàn)m3，調(diào)洪庫(kù)容12.54萬(wàn)m3。近期于水庫(kù)加固時(shí)未進(jìn)行過(guò)壩身防滲處理。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示壩腳背水坡上部多處滲漏。地勘資料顯示壩身主要由壩體填土填筑，填筑質(zhì)量一般，防滲性能總體一般，局部較差。壩基淺部局部為殘積土(含角礫粉質(zhì)黏土)，防滲性能較好。壩基下部分布強(qiáng)風(fēng)化砂巖。本工程采用高壓噴射灌漿防滲墻進(jìn)行壩體防滲處理，墻底深入壩基1.0～2.0 m。詳見(jiàn)圖2。

圖2 壩身防滲墻橫剖面設(shè)計(jì)圖

4 充填灌漿

充填灌漿是利用漿液壓力，充填壩體內(nèi)已有的裂縫、洞穴等隱患，用以加固壩體的灌漿方法[4]。對(duì)于小型水庫(kù)，能夠探明壩身白蟻洞位置，查明壩身與建筑物接觸滲漏范圍的，可采用該種防滲措施。充填灌漿漿液干料采用粉質(zhì)黏土或黏土，可摻入水泥，摻量宜為干料質(zhì)量的10%～15%。孔位一般布置在隱患位置，可按梅花形布置多排孔，終孔孔距可為1～2 m。鉆孔深度應(yīng)超過(guò)隱患深度1～2 m。灌漿壓力應(yīng)小于50 kPa。充填灌漿宜一次灌注至設(shè)計(jì)要求，如隱患規(guī)模較大也可多次灌注。洞穴較大時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加灌漿量和提高漿液稠度。一般工程充填灌漿平面布置示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 充填灌漿平面布置圖

5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)及適用性總結(jié)

5.1 防滲設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)備要點(diǎn)

防滲設(shè)計(jì)前應(yīng)具備擬處理大壩的地形及水位資料、工程地質(zhì)資料、水文地質(zhì)資料。

大壩的地形及水位資料包括：水庫(kù)大壩的交通條件、壩頂寬度、周邊是否存在高壓電纜、水庫(kù)的設(shè)計(jì)水位、以及汛限水位等。交通條件好，壩頂寬度在3.5 m以上時(shí)可采用高壓噴射灌漿防滲墻和多頭小直徑深攪樁防滲墻；防滲墻頂高程一般高于設(shè)計(jì)洪水位50 cm；周邊存在高壓電纜等，不能采用設(shè)備高度較大的多頭小直徑深攪樁防滲墻法。

工程地質(zhì)資料包括：具有代表性工程地質(zhì)縱、橫向剖面圖，包括軟土層分布范圍及分層情況，尤其是地表填土層的厚度和組成，以及軟土層的厚度及其組成。加固范圍內(nèi)各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，包括土的滲透系數(shù)、天然含水量、塑液性指數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量及可溶鹽含量。蘇南某區(qū)的小型水庫(kù)多屬丘陵地區(qū)水壩，地表覆蓋層防滲性能較好，覆蓋層以下多為強(qiáng)風(fēng)化巖，滲透性達(dá)弱～中等透水，調(diào)查地表覆蓋層在壩身及壩肩范圍內(nèi)是否有缺失極為必要，覆蓋層缺失也是繞壩滲漏的主要原因之一。由于防滲墻深度確定直接決定了防滲設(shè)計(jì)的成敗，而工程地勘資料由于孔間距通常較為稀疏，施工前需布設(shè)先導(dǎo)孔，全面了解地層分界，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整防滲墻深度。

水文地質(zhì)資料包括：地下水類型、地下水穩(wěn)(初)定水位標(biāo)高、地下水的酸堿度(pH值)和硫酸鹽含量等。由于地下水的分解性腐蝕和結(jié)晶性腐蝕作用，處于地下水影響范圍內(nèi)的防滲體會(huì)逐漸失去效用。水泥土抗腐蝕的能力跟水泥的礦物成分有很大關(guān)系，當(dāng)?shù)叵滤哂懈g性時(shí)，應(yīng)采用礦渣硅酸鹽水泥或抗硫酸鹽水泥。

5.2 三種防滲設(shè)計(jì)方法適用性

根據(jù)上述內(nèi)容，總結(jié)本文介紹的三種防滲方法，適用性見(jiàn)表1。

表1 防滲加固方法適用性表

6 結(jié) 語(yǔ)

本文著重介紹了蘇南丘陵地區(qū)小水庫(kù)壩身防滲的主要方法，希望能為同類小水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供有益經(jīng)驗(yàn)。本文未涉及壩基滲漏問(wèn)題，而壩基滲漏是小型水庫(kù)滲漏問(wèn)題的重要組成部分，對(duì)水庫(kù)的蓄水能力有很大影響，需要進(jìn)一步研究總結(jié)。

[1] 盛金保,李雷,王昭升.我國(guó)小型水庫(kù)大壩安全問(wèn)題探討[J]. 中國(guó)水利，2006(2)：41-43

[2] 茅樵.深層攪拌樁在平原水庫(kù)防滲中的應(yīng)用與研究[D]．濟(jì)南：山東大學(xué),2005．

[3] 王明森,王洪恩,查振衡，等.高壓噴射灌漿防滲加固技術(shù)[M]. 北京:中國(guó)水利水電出版社,2010．

[4] 中華人民共和國(guó)水利部. 土壩灌漿技術(shù)規(guī)范：SL 564-2014[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

Study on anti-seepage and reinforcement measures for small reservoir dam

YAN Yuanyuan1,ZHANG Yin1, XU Qiu2

(1.NanjingWaterPlanningandDesigningInstituteCo.,Ltd,Nanjing210006,China;2.NanjingWaterProjectConstructionandManagementCenter,Nanjing210006,China)

Most small reservoirs of a city in the hilly area of southern Jiangsu province were built in the 20th century. Dam type is generally homogeneous earth dam, These reservoir dams were mostly artificial construction with poor filling quality and the dam water permeability is in weak to medium grade. For long time operation, the anti-seepage effect of the dam has been weakened, so anti-seepage treatment has always been the main work of risk elimination project for small reservoirs. According to the characteristics of small reservoirs, we describe 3 anti-seepage treatments suitable for the dams of small reservoirs, and their characteristics are analyzed and applied to typical engineering examples. We also summarize essential points of anti-seepage design and the applicability of the three methods, which can provide reference for the anti-seepage design of small reservoir dam.

small reservoir dam; multi-headed and small diameter deep mixing pile cutoff wall; high-pressure jet grouting cutoff wall; filling grouting

閆園園(1984-)，女，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。

TV697.3

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2096-0506(2016)11-0049-04