防滲技術在玉環(huán)縣小型水庫加固中的應用

林維仁,董 波

(玉環(huán)縣水利局,浙江 玉環(huán) 317600)

玉環(huán)縣位于浙江東南沿海,地貌以丘陵為主,丘陵與山地面積約占陸域面積的68.2%。縣域地勢北高南低,丘陵平原相間,河流依山脈走向自成體系,源短流急,多為獨流入海,洪枯徑流變化大?？h域內共建有小型水庫16座,總庫容2 266萬m3,無中型及以上水庫。小型水庫在當地城鄉(xiāng)居民生活供水、工農業(yè)生產中具有重要的作用。這些水庫工程的擋水建筑物絕大多數屬于20世紀50—70年代初 “三邊”工作方式下修建的土石壩,受當時物質、技術匱乏和認識水平等客觀條件的限制,再加上三四十年運行管理維護跟不上,致使大壩工程存在諸多問題,其中滲漏問題尤為突出。玉環(huán)縣自2003年實施 “千庫保安”及2008年實施“強塘工程”以來,加固的13座水庫中12座存在不同程度的滲漏問題,尤其對其中的8座水庫大壩采取了全斷面防滲漏處理措施。

1 土壩滲漏類型與成因

1.1 土壩滲漏類型[1]

土壩滲漏類型主要有:壩基滲漏、壩體滲漏、繞壩滲漏。玉環(huán)縣小型水庫均為土石壩,由于建壩時人工清基不徹底,防滲措施不到位,填筑土料差,碾壓不密實,受白蟻侵害等因素,以上3種滲漏類型均有不同程度的體現,甚至一座水庫中兼有幾種不同滲漏類型的情況。

1.2 土壩滲漏成因

玉環(huán)縣小型水庫土壩滲漏成因主要可歸納為以下4種情況:

(1)基巖風化及接觸部位產生的壩基滲漏。一是早期建設的土石壩大多為人工清基,河床部位施工難度大,壩基沖洪積層清基不徹底,或設計中未考慮截水槽或截水槽深度不夠,都可引起壩體和壩基結合部產生滲漏。二是壩基存在節(jié)理裂隙發(fā)育地層,建壩時未采取有效的防滲措施。如玉潭水庫,1958年開始建壩,且大壩建于強風化凝灰?guī)r上,地質勘探反映強風化凝灰?guī)r厚度為1.3～7.8 m,滲透系數為0.104×10-4～29.600×10-4cm/s,屬中等～強透水層。另外從一個橫斷面勘探發(fā)現,壩基巖面起伏較平緩,原設計齒槽輪廓不明顯。

(2)河床含泥砂礫石層產生的壩基滲漏。大壩建于砂礫層上,建壩時沒有采取專門的防滲措施建立起完整的防滲體系,再加上松散堆積物孔隙水長期對基礎的侵蝕致使壩基滲漏。如小閭水庫,大壩直接建在覆蓋層上,覆蓋層由第四系全新統(tǒng)坡積洪積(al-plQ4)含泥砂礫 (卵)石組成,層厚1.9～21.4 m,滲透系數為 2.79×10-4～32.50×10-4cm/s,屬中等～強透水層。

(3)白蟻侵害引起的壩體滲漏。大壩遭受白蟻侵害,蟻道貫穿大壩上下游而形成滲漏通道。白蟻活動范圍一般在水庫浸潤線以上,但玉環(huán)縣缺水異常嚴重,水庫空庫時間較長,蟻穴也往縱深發(fā)展,危害程度也大大增加。如牛欄水庫,采用人工挖巢及藥殺治理時,挖出蟻王、蟻后近100對,最大的巢穴可容納1個成人進入。

(4)防滲土料填筑質量差產生的壩體滲漏。一是筑壩土料差,含有雜質,不同料場的土料同時上壩填筑,土料混雜等。二是施工時碾壓不密實,碾壓機械功能不足或分組分塊施工各倉面上升速度不一導致,每層填土上下部或層間或相鄰兩塊結合部出現少壓或漏壓的松土帶。如石門坎水庫,壩體填筑土料為粉質黏土夾較多礫砂,套井回填時沖抓上來的土料中還含有樹根、瓦片等。

2 防滲處理技術方案[2-3]

大壩防滲處理技術措施較多,在玉環(huán)縣小型水庫加固中主要采用:混凝土防滲墻 (薄墻)、復合土工膜黏土斜墻、沖抓套井回填黏土防滲墻和帷幕灌漿基礎處理等方案。

2.1 混凝土防滲墻

混凝土防滲墻是在壩體中連續(xù)造孔成槽,以泥漿護壁,在泥漿下澆筑混凝土,形成一道起防滲作用的地下連續(xù)墻。防滲墻是一種防滲結構,但其實際的應用已遠遠超出了防滲的范圍,可用來解決防滲、防沖、加固、承重及地下截流等工程問題?；炷练罎B墻具有地層適應性強、防滲效果及耐久性好、施工方法比較成熟、施工質量可靠、檢測手段簡單直觀等優(yōu)點,因而應用比較廣泛。該項技術防滲處理徹底,但造價較高,適用于壩體普遍滲漏的大壩。小型水庫選用該方案首先需考慮投資的可承受能力。

(1)芳杜水庫采用了混凝土防滲墻方案。初設方案選擇時充分考慮了該水庫實際情況:該水庫為小(1)型,是玉環(huán)縣最重要的供水水庫之一,且下游居民集中;外壩腳多處滲漏逸出點有可見絮狀物帶出;水庫存在加高擴容條件。芳杜水庫防滲墻厚80 cm,深8～56 m,防滲墻造價約占建安工程投資的68.5%。

(2)小陳岙水庫采用了混凝土防滲薄墻方案。該水庫為小(2)型,初始選用沖抓套井回填黏土防滲墻方案,在施工一開始就出現嚴重塌方,表明壩體土質相當松散,地下水位又高,套井回填方案很難繼續(xù)實施,后改用混凝土防滲薄墻方案,墻厚30 cm,深15 m左右,防滲薄墻造價約占建安工程投資的35%。

2.2 復合土工膜黏土斜墻

在大壩上游側鋪設土工膜作為主要防滲材料,土工膜上下部位均鋪填黏土,形成一道新的防滲體。復合土工膜滲透系數遠比黏性土和混凝土小,且具有較大的彈性或塑性變形,可適應土體的沉降、脹縮或者偶然的超載、滑坡所造成的過量位移和變形。但在施工中對基礎及兩岸的結合面處理以及土工膜的焊接、錨固等存在一定難度。

牛欄水庫采用了復合土工膜黏土斜墻方案。該水庫為小(2)型 ,復合土工膜采用PE350/0.5/350,膜下黏土墊層20 cm,膜上設40 cm黏土保護層,內坡腳及兩岸結合面開挖至基巖澆筑混凝土截水墻,截水墻下基礎帷幕灌漿處理。土工膜斜墻防滲方案對節(jié)省投資極其有利,但在該工程中內坡腳開挖時遇到地質變化,工程量大大增加,整個防滲投資占建安工程投資的46%左右。故該方案在牛欄水庫中其經濟性、合理性尚有待商榷。

2.3 沖抓套井回填黏土防滲墻

沖抓套井回填黏土防滲墻是利用沖抓式打井機具,在土壩滲漏范圍內原防滲體中造井,用黏性土料分層回填夯實,形成一連續(xù)的套接黏土防滲墻,截斷滲流通道,起到防滲的目的。其具有防滲效果好、施工方便、工效高、投資少、能直觀隱患且在夯錘夯擊時對原壩體有增實作用等優(yōu)點。一般適用于井深30 m以內,如井太深,易于偏斜,回填土搭接厚度難以保證。另外如壩體非常不密實,塌壁現象異常嚴重時,則應改用其它處理措施,如上述的小陳岙水庫。石門坎水庫、龍溪水庫均采用了此方案。

(1)石門坎水庫為小(1)型,大壩建于1990年,加固時套井采用單排孔,孔徑110 cm,孔距75 cm,孔深6～30 m,套井回填投資約占建安投資的21.6%。

(2)龍溪水庫為小(1)型,采用雙排孔,孔徑110 cm,孔距86 cm,排距89 cm,孔深22 m,套井投資約占建安投資的21.9%。

另外,黏土回填時兼顧了白蟻的防治,石門坎水庫黏土料中摻入了5%聯(lián)苯菊酯,摻入量為250 g/m3;龍溪水庫黏土料中摻入了一種含氯離子的無毒物質。

2.4 帷幕灌漿基礎處理

壩基帷幕灌漿包括巖石基礎和砂礫石基礎帷幕灌漿,是通過鉆孔用灌漿設備將符合一定配比要求、具有流動性和膠凝性的漿液 (通常為水泥漿)壓入巖石或砂礫石中,經過硬化膠結,形成一道連續(xù)的防滲幕墻,以達到減少壩基的滲流量,保證基礎的滲透穩(wěn)定的目的。灌漿帷幕對基礎的變形具有較好的適應性,施工的靈活性大,較之其他方法,更適合于在深厚砂礫石地層施工。帷幕灌漿一般在空庫施工時效果最好,但在玉環(huán)縣水資源非常緊缺的條件下,在低水位情況下進行了施工,也達到了預期的效果。

小閭水庫、玉潭水庫(均為小 (1)型)采用了該方案處理壩基滲漏,均布置2排孔、自上而下循環(huán)式灌漿法,分3序施工:

(1)小閭水庫壩基包括含泥砂礫石層及基巖,在基巖灌漿中還使用了硫鋁酸鹽超細水泥。

(2)玉潭水庫壩基為巖石,使用普通水泥灌漿,其中有1孔施工時出現不起壓,用灌入一定量水泥砂漿待凝24 h后繼續(xù)灌水泥漿進行處理。

關于壩基和壩體接觸部位的灌漿,玉潭水庫的做法是:接觸段分2次灌,第1次灌漿為基巖面上2.0m至嵌入基巖0.2 m,第2次灌基巖面上0.5 m至基巖下1.5 m。2個水庫的帷幕灌漿投資分別占建安投資的34.5%和36.5%。

3 效果評價

玉環(huán)縣小型水庫加固經上述防滲措施處理后,初期效果均較為明顯,如芳杜水庫和小閭水庫下游居民水井曾一度出現 “枯井”。但隨著運行時間的延長,各方案的優(yōu)劣逐漸顯現。比較玉環(huán)縣各水庫情況,混凝土防滲墻方案效果最好,可達到完全根除的程度,套井回填方案次之,牛欄水庫的復合土工膜黏土斜墻方案效果最差,完工后約5 a時間,外壩腳又隱約可見滲水現象,可能由于V型地形截水墻處理不徹底引起。壩基帷幕灌漿后,初期效果良好,但隨著時間推移,防滲能力將會逐漸減弱。利用不同防滲處理方案投資及效益比較見表1。

表1 不同處理方案投資及效益比較表

4 結 語

以上介紹的小型水庫加固防滲處理技術方案,僅根據玉環(huán)縣實際情況加以試用。對于某一具體的病害水庫大壩,應根據其實際情況,對多種防滲加固方案進行技術、經濟和施工可行性的比較,選擇技術可靠、經濟合理、施工簡便的防滲技術方案。同時,還應對施工期間的大壩安全進行分析,避免因施工導致的壩體開裂、滑坡等事故。

[1]牛運光.土壩安全與加固[M].北京:中國水利水電出版社,1998.

[2]袁光裕,胡志根.水利工程施工[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

[3]張啟岳.土石壩加固技術[M].北京:中國水利水電出版社,1999.