土石壩防滲技術(shù)綜述

單良玉，劉巖松

(1.莊河市河道管理處，遼寧 莊河 116400；2.莊河市轉(zhuǎn)角樓水庫(kù)灌區(qū)管理局，遼寧 莊河 )

土石壩防滲技術(shù)綜述

單良玉1，劉巖松2

(1.莊河市河道管理處，遼寧 莊河 116400；2.莊河市轉(zhuǎn)角樓水庫(kù)灌區(qū)管理局，遼寧 莊河 )

滲漏嚴(yán)重是水庫(kù)土石壩主要病險(xiǎn)問題之一，也是引發(fā)水庫(kù)失事的主要原因之一。因此，土石壩防滲技術(shù)尤為關(guān)鍵和重要。文章對(duì)土石壩的幾種防滲技術(shù)的特點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行闡述、歸納和總結(jié)，以供同類工程參考。

土石壩；滲漏；防滲技術(shù)

0 前 言

土石壩泛指由當(dāng)?shù)赝亮?、石料或混合料，?jīng)過拋填、輾壓等方法堆筑成的擋水壩。土石壩歷史悠久，并具有造價(jià)低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和施工方便等特點(diǎn)，因此在水利工程中得到廣泛的應(yīng)用。

1 土石壩防滲技術(shù)

滲漏嚴(yán)重一直是水庫(kù)土石壩主要病險(xiǎn)問題之一，主要表現(xiàn)為壩基滲漏、壩體滲漏和繞壩滲漏。到目前為止，土石壩防滲技術(shù)比較成熟，主要有混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿、劈裂灌漿、帷幕灌漿、套井回填黏土和土工膜防滲等形式。

1.1 混凝土防滲墻

混凝土防滲墻是利用專門的造孔機(jī)械在松散、透水地基中連續(xù)造孔，以泥漿固壁，在泥漿下往孔內(nèi)灌注混凝土，使之成為一整道直立連續(xù)的墻形防滲建筑物，用以攔截壩體或壩基的滲漏。該施工技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代的意大利，1958年我國(guó)開始研究出一整套混凝土防滲墻施工技術(shù)與工藝。隨著時(shí)代的發(fā)展，該技術(shù)日趨成熟，在砂層、淤泥層等各類復(fù)雜地層中都有成功的工程實(shí)例。保雪飛等(2012)研究表明，將灌漿防滲技術(shù)與混凝土防滲墻技術(shù)結(jié)合起來，可以在解決大壩壩基和壩體滲漏問題的同時(shí)，還可改善壩體穩(wěn)定性，且技術(shù)安全可行，施工方便。紀(jì)少應(yīng)(2013)以牛角沖水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程為例，采用塑性混凝土防滲墻作為大壩防滲方案，防滲墻采用液壓抓斗設(shè)備“三抓成槽法”施工，具有防滲效果良好、開挖小、施工方便、和造價(jià)低等特點(diǎn)。武艷芳(2013)以米茂水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固工程為例，采用塑性混凝土防滲墻作為大壩防滲方案，壩體下游面滲漏潮濕面積明顯減少，具有彈性模量低能很好地適應(yīng)地形的變化、抗壓強(qiáng)度不高但防滲效果較好、水泥用量少能降低工程造價(jià)、拌和物和易性較好等特點(diǎn)。付海華(2014)研究表明，對(duì)比國(guó)內(nèi)通常使用的水泥土攪拌樁截滲墻、高噴灌漿防滲墻、振動(dòng)插板沉模防滲墻以及剛性、塑性混凝土和鋼筋防滲墻等防滲措施，混凝土防滲墻適應(yīng)各種地質(zhì)條件能力相對(duì)較強(qiáng)。盛斌育等(2015)研究表明，水庫(kù)大壩的破壞主要分為管涌、流土、接觸流土和接觸沖刷四類，表現(xiàn)形式主要為滲透破壞和變形破壞?；炷练罎B墻能夠適應(yīng)不同材質(zhì)的壩體、復(fù)雜的工程地質(zhì)條件和水文條件，但對(duì)開裂嚴(yán)重的壩體，采取鉆孔管注漿加固措施能夠有效增強(qiáng)壩體和壩基的穩(wěn)固性。綜上，混凝土防滲墻可適用于各類復(fù)雜地層的基礎(chǔ)防滲，也可以用于土石壩的壩身防滲，并具有工藝先進(jìn)、施工速度快、成墻效果直觀、適應(yīng)范圍廣、防滲效果好和造價(jià)相對(duì)節(jié)省等特點(diǎn)，但在施工中必須嚴(yán)格保證接縫質(zhì)量。

1.2 高壓噴射灌漿防滲

高壓噴射灌漿通過鉆探機(jī)鉆孔，將裝有特制合金噴嘴的注漿管下到預(yù)定位置，然后利用高壓泵噴射漿液，沖擊破壞土體，使土粒與漿液攪拌混合，形成一定形狀的固結(jié)體，固結(jié)體相互交接，構(gòu)成連續(xù)防滲帷幕，攔截滲漏，達(dá)到防滲目的。高壓噴射灌漿技術(shù)源于20世紀(jì)60年代的日本，現(xiàn)今該技術(shù)已廣泛用于國(guó)內(nèi)外防滲工程施工中，大多數(shù)都是針對(duì)軟基加固，而在全風(fēng)化花崗巖地層的防滲工程應(yīng)用則較少。Ryzhevskiy等(2011)通過對(duì)高壓噴射灌漿技術(shù)的研究表明，高壓噴射流能夠?qū)⑼寥篮退鄳腋{液形成性能很好的固結(jié)體，防滲效果較好。該技術(shù)在我國(guó)雖然起步較晚，但發(fā)展較快，應(yīng)用較廣。近些年來，該技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用和長(zhǎng)足的發(fā)展，并有一些成功的工程實(shí)例。孫開暢等(2006)簡(jiǎn)述了三峽工程一期土石圍堰中采用了高壓噴射灌漿防滲技術(shù)，施工采用測(cè)定孔位、鉆孔、下噴射管、制漿和“四管法”噴射灌漿等方法，取得了良好的防滲效果，質(zhì)量?jī)?yōu)良。同時(shí)，該工程實(shí)踐為我國(guó)在全風(fēng)化花崗巖中應(yīng)用高壓噴射防滲技術(shù)提供了成功的切實(shí)可行的典型范例。祁孝珍等(2006)通過對(duì)石佛寺水庫(kù)壩基防滲的施工過程及檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行研究得出，高壓噴射混凝土防滲墻能顯著提高地基土的抗剪能力，質(zhì)量有保證，防滲效果好，施工快捷，造價(jià)適中，對(duì)地下水和環(huán)境不會(huì)造成污染。張海旭(2011)通過質(zhì)量檢查、有限單元法分析和對(duì)壩體進(jìn)行灌漿后防滲復(fù)核表明，南田水庫(kù)大壩防滲采用高壓噴射灌漿防滲技術(shù)，防滲效果良好，達(dá)到了預(yù)期要求，消除了工程隱患。郭曉萌等(2015)針對(duì)羽山水庫(kù)防滲加固幾種方案比較分析研究結(jié)果表明，高壓噴射灌漿防滲措施具有施工程序簡(jiǎn)單、施工速度快、施工過程不受庫(kù)水位影響、防滲性能較好和造價(jià)適中等特點(diǎn)；混凝土防滲措施具有工藝先進(jìn)、施工速度快、成墻效果直觀和造價(jià)相對(duì)節(jié)省等特點(diǎn)。綜上，高壓噴射灌漿防滲可廣泛適用于淤泥、軟弱黏性土、砂土和最大顆粒小于5cm的砂卵石等多種土質(zhì)，灌漿最大深度不超過50m，具有施工速度較快，防滲效果好、質(zhì)量可靠性高、施工過程不受庫(kù)水位影響和造價(jià)較低等特點(diǎn)。

1.3 劈裂灌漿防滲

劈裂灌漿采用高壓灌漿，將漿液注入土層，改善土層性質(zhì)，使土體發(fā)生剪切裂縫，而漿液則沿著裂縫從土體強(qiáng)度低的地方向強(qiáng)度高的地方劈裂，劈入土體中的漿液固結(jié)而成為與壩體牢固結(jié)合的防滲墻體，攔截滲漏。劈裂灌漿防滲技術(shù)是近20年來我國(guó)發(fā)展起來的一項(xiàng)土石壩防滲加固新技術(shù)，并得到廣泛的應(yīng)用和推廣。宋天文等(2010)以工農(nóng)水庫(kù)為例，對(duì)劈裂灌漿的劈裂孔布置、灌漿壓力、灌漿漿液物理力學(xué)性能及灌漿時(shí)壩坡穩(wěn)定驗(yàn)算進(jìn)行了具體分析，得出劈裂灌漿技術(shù)能夠在不釋放原壩體應(yīng)力的條件下構(gòu)造豎直連續(xù)的漿體防滲帷幕，同時(shí)大壩壩體的防滲能力得到恢復(fù)或提高。在處理相同問題的情況下，劈裂灌漿技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。曾斌(2010)以放牛洞水庫(kù)土壩壩體防滲為例，通過對(duì)比灌漿前后的一系列檢測(cè)資料表明，劈裂灌漿后壩體的滲漏量顯著減少，并適合于放牛洞水庫(kù)均質(zhì)土壩壩體填土疏松、滲透性強(qiáng)的特點(diǎn)。陳坤(2015)以大坑水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程為例，通過對(duì)劈裂灌漿防滲技術(shù)和混凝土防滲墻技術(shù)的比較得出，劈裂灌漿防滲技術(shù)施工便捷、設(shè)備簡(jiǎn)單、工程造價(jià)便宜和防滲效果顯著。綜上，劈裂灌漿技術(shù)多用于顆粒漿材無法滲入的粉細(xì)砂及黏土層中，具有就地取材、施工簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜和防滲效果好等特點(diǎn)。

1.4 帷幕灌漿防滲

帷幕灌漿是在一定壓力作用下，把漿液壓入壩身或壩基內(nèi)，使?jié){液充填土體中的空隙，改變?cè)翆拥慕Y(jié)構(gòu)和組成，并膠結(jié)而成連續(xù)的防滲帷幕，用以攔截壩身和壩基的滲漏。20世紀(jì)以來，帷幕灌漿作為水工建筑物地基防滲處理的主要手段，對(duì)保證水工建筑物的安全運(yùn)行起著重要作用。A.Uromeihy等(2007)等對(duì)阿巴德大壩地基工程地質(zhì)性能研究表明，選擇帷幕灌漿作為大壩防滲方案為最優(yōu)方案，并對(duì)帷幕灌漿技術(shù)施工提出建議。趙振等(2003)通過對(duì)灌漿過程中的各種數(shù)據(jù)和灌漿前后壩體透水情況對(duì)比分析表明，帷幕灌漿解決板石溝水庫(kù)壩體滲漏是成功的，防滲達(dá)到預(yù)期效果。許曼(2010)以鯉魚沖水庫(kù)壩體防滲為例，采用帷幕灌漿對(duì)壩基進(jìn)行防滲處理，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝經(jīng)濟(jì)適用、施工速度快和工程造價(jià)較高等特點(diǎn)。綜上，帷幕灌漿適用于透水性微弱，局部透水性較強(qiáng)的巖基防滲，具有防滲效果好、施工簡(jiǎn)單和工程造價(jià)較高等特點(diǎn)。

1.5 套井回填黏土防滲

套井回填是利用沖抓機(jī)造孔，取出壩體滲漏的土料，然后回填黏土，并用夯實(shí)錘夯實(shí)，形成一道新的黏土防滲墻。套井回填技術(shù)由我國(guó)水利從業(yè)人員首創(chuàng)，開始于20世紀(jì)70年代初期，適用于險(xiǎn)堤險(xiǎn)壩防滲處理，效果顯著。庹進(jìn)朗等(2007)以迎豐橋水庫(kù)大壩防滲為例，采用沖抓套井回填黏土防滲墻防滲，與黏土防滲斜墻和倒掛井混凝土防滲墻相比，具有施工便捷、設(shè)備簡(jiǎn)單、工效高、造價(jià)低及防滲效果教好等優(yōu)點(diǎn)，但是在土質(zhì)松散和浸水地段施工，必須加強(qiáng)安全保障措施，確保人身安全。肖穆光(2014)通過對(duì)潭水坪水庫(kù)主壩防滲的研究，沖抓套井回填黏土具有施工方便、設(shè)備簡(jiǎn)單、投資省和方便檢查等優(yōu)點(diǎn)，工程實(shí)施后防滲效果良好，但局限于壩高較小的水庫(kù)壩體防滲。謝地(2015)通過對(duì)粵北山區(qū)土石壩滲漏的原因進(jìn)行分析，并針對(duì)該地區(qū)某水庫(kù)大壩壩體防滲進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)沖抓套井回填黏土防滲最適合該地區(qū)土石壩的滲漏除險(xiǎn)加固。綜上，沖抓套井回填黏土防滲適用于壩高較小的均質(zhì)壩和寬心墻壩，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、施工便捷、料源廣、工效高、投資省和防滲效果好等特點(diǎn)。

1.6 土工膜防滲

土工膜防滲是用鏈條開槽機(jī)開槽，垂直鋪設(shè)土工膜防滲。材料一般以塑料類為主，主要為聚氯乙烯膜(PVC)和聚乙烯膜(PE)。開槽寬度0.17-0.3m，最大開槽深度12m。我國(guó)水庫(kù)大壩土工膜防滲工程自20世紀(jì)80年代以來逐漸增多，工程規(guī)模逐漸增大，與黏土、混凝土、鋼材等水利工程傳統(tǒng)建材相比，土工膜作為大壩的防滲構(gòu)件有較大的發(fā)展空間和優(yōu)勢(shì)。賴翼峰等(2005)以五二水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程為例，應(yīng)用復(fù)合土工膜防滲技術(shù)施工，具有造價(jià)低、設(shè)備少、施工速度快、防滲性能好且能適應(yīng)壩體變形等優(yōu)點(diǎn)，具有推廣價(jià)值，但必須根據(jù)工程的具體情況，科學(xué)設(shè)計(jì)，嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)，精心施工，才能取得較理想的防滲效果。何世海等(2009)以泰安抽水蓄能電站上水庫(kù)HDPE土工膜防滲為例，采用HDPE膜和聚酯短絲針刺無紡?fù)凉げ冀M合防滲層施工方案，具有造價(jià)低、工期短和防滲效果好等特點(diǎn)。綜上，土工膜防滲適用于砂性土地基，具有優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、可靠、施工方便、適應(yīng)變形能力強(qiáng)和較好的不透水性。

2 結(jié) 語(yǔ)

隨著科技的不斷進(jìn)步， 新技術(shù)、新工藝、新材料的不斷涌現(xiàn)，土石壩防滲技術(shù)也在不斷地改進(jìn)，這些技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用使得水庫(kù)工程能夠更好地發(fā)揮其防洪與興利的雙重功效，促進(jìn)水利事業(yè)蓬勃發(fā)展，更好地服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

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2017-09-22

單良玉(1985-)，男，遼寧寬甸人，工程師，從事水利工程設(shè)計(jì)、建設(shè)管理工作；劉巖松(1982-)，男，遼寧莊河人，助理工程師，從事水利工程管理工作。