吉河水庫大壩壩體及壩基防滲處理措施的探討

周錦華，徐建華，石 佳，朱 丹，夏輝耀

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070；2.湖北省水利水電科技推廣中心，湖北 武漢 430070)

水庫大壩的防滲處理一直都是水庫新建、擴容、除險加固的重中之重，良好的水庫防滲處理將減小工程隱患的發(fā)生，節(jié)省運行成本，提高工程的效益。大壩防滲的目的不光在于提高工程效益，更為重要的是加強水庫對水資源的調(diào)節(jié)能力，確保供水、防洪的安全。隨著科技的發(fā)展，防滲材料的應(yīng)用、特殊地基處理等得到快速發(fā)展，但總體來說，垂直防滲和水平防滲仍是水庫大壩防滲處理的2種重要手段[1]。

如圖1所示，吉河水庫位于湖北省棗陽市鹿頭鎮(zhèn)張莊村，距城區(qū)19.5 km，攔截滾河支流沙河，承雨面積105 km2。水庫總庫容6 028萬m3，是1座以灌溉為主，兼有防洪、供水等綜合效益的中型水利工程。大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高24.5 m，壩長4 550 m，壩頂寬3.93～6.63 m，壩頂高程146.3～146.9 m(黃海高程)。上游壩坡為干砌塊石護坡，坡比自上而下依次為1∶2.5、1∶2.75，下游壩坡為草皮護坡，坡比自上而下依次為1∶2.5、1∶2.75、1∶2.35；老河床部分設(shè)有反濾壩。

圖1 吉河水庫地理位置圖

壩區(qū)范圍屬丘陵壟崗地貌。筑壩段河谷走向SW210°，大壩左右兩岸低丘頂部高程在150.0～155.0 m；上下游河床高程在130.0～134.0 m之間。從原始地貌看，下游段河谷寬廣，曾經(jīng)歷幾次河流變遷，現(xiàn)河床寬300～500 m。壩區(qū)范圍地層較為復(fù)雜，從老至新其巖性依次為白堊——第三系(K—E)泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂礫巖等，第四系中更新統(tǒng)沖洪積(Q2al+pl)粗礫砂含卵石，第四系上更新統(tǒng)沖洪積(Q3al+pl)粉質(zhì)粘土，第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)細砂之中砂，第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)粉質(zhì)粘土，第四系人工堆積物(Q4s)。

壩體主要由低液限粘土組成，鉆孔資料顯示，粘粒含量一般16%～37.5%，平均為23.8%，塑性指數(shù)平均值為15.5，鉆孔試驗資料顯示，指標(biāo)上滿足規(guī)范對均質(zhì)土壩壩體填筑料的要求，但實際運行中壩體下游壩坡局部存在散浸現(xiàn)象。壩基由以下巖層組成。

1)第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)粉質(zhì)粘土：該層主要分布在左右兩壩端，分布范圍較大，層厚變化大(0.0～7.8 m)。該層為良好的隔水層，滲透性小，強度較高，不會對壩體滲漏及穩(wěn)定留下隱患。

2)第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)細～中砂：黃色，局部夾有薄層粉質(zhì)粘土，最大層厚7.7 m，是壩基滲漏的主要巖土層之一。

3)第四系上更新統(tǒng)沖洪積(Q3al+pl)粉質(zhì)粘土：淺黃～褐黃色，含鐵錳結(jié)核及灰白色高嶺土，局部夾少量卵石，該層主要分布在右壩段，層薄且不穩(wěn)定，最大層厚1.9 m。

4)第四系中更新統(tǒng)沖洪積(Q2al+pl)粗礫砂含卵石：褐黃色夾灰白色，以礫砂為主，含有少量粘性土與細砂顆粒，最大層厚為6.80 m。在整個壩段分布穩(wěn)定，層厚，滲透性極強，是壩基的主要透水層，也是壩基滲漏與壩體穩(wěn)定的最大隱患。

5)壩基巖體為白堊——第三系(K—E)泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂礫巖等，滲透性總體較小，屬弱透水介質(zhì)，滿足規(guī)范要求。

1 壩體及壩基地質(zhì)問題及滲漏分析

根據(jù)勘察資料，壩體主要由低液限粘土組成，壩基均不同程度存在有細～中砂、粗礫砂層。

壩體：樁號0+350～3+160段壩體局部下游壩坡存在散浸現(xiàn)象，主要是受當(dāng)時條件限制，施工質(zhì)量不穩(wěn)定，局部碾壓不均勻，密實度不夠，形成滲漏通道，同時也曾發(fā)現(xiàn)白蟻，導(dǎo)致局部壩段下游坡存在散浸現(xiàn)象。

壩基：樁號0+000～0+250為右壩段范圍，由于壩基粗礫砂上部有幾米以上的粉質(zhì)粘土覆蓋，在空間分布上起到一定的隔水作用，其壩后的滲漏量相對有限。

樁號0+250～0+550段為現(xiàn)代主河床范圍，大壩在施工時進行了清基，壩體直接筑于泥巖、砂質(zhì)泥巖上，不存在滲漏隱患，現(xiàn)場鉆探顯示其壩體及壩基的接合面良好。

樁號0+550～1+900及2+500～3+600段恰好位于二條古河道范圍內(nèi)，壩體直接筑于細～中砂層上，該層具中～強透水性，而大壩下游排水溝外側(cè)的很大部分農(nóng)田常年有水，出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，顯然是高水位的庫水通過壩體及壩基不斷向地下水補給造成的壩后地下水位升高，而壩腳至排水溝間的水則全通過排水溝進行了導(dǎo)滲。另外，壩腳局部地段的地表土呈沼澤狀，低洼處水草叢生，充分說明該段的壩體及壩基滲漏十分嚴重，存在滲透破壞的潛在隱患。

樁號為1+900～3+000、3+900～4+550這兩段，上覆粉質(zhì)粘土較厚，在平面上呈現(xiàn)一定的規(guī)模，具有良好的隔水效果，相應(yīng)其壩體及壩基發(fā)生滲透破壞的可能性要小一些。

總體來看，大壩運行30余年，壩后滲漏嚴重，滲漏主要來自于壩基，部分源于壩體。目前距壩腳后30 m處的導(dǎo)滲溝，常年結(jié)集的明流滲漏量約在0.15～0.5 m3/s，水庫蓄水量大量損失的同時，大壩還長期存在安全隱患。

2 壩體及壩基截滲方案選擇

大壩壩線長，壩基的工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，施工條件差，壩基清基不徹底，壩體填筑質(zhì)量不高，導(dǎo)致大壩在竣工后出現(xiàn)多次大的滲漏險情，且水量損失巨大。對于壩體而言，實際運行中，局部壩段壩體下游壩坡存在散浸現(xiàn)象，尤其以0+350～3+160段較為明顯。壩基廣泛存在細～中砂與粗礫砂，這兩套地層具有中～強滲透特性，其滲透級數(shù)在10-3 cm/s以上，且厚度較大，已大大超出了現(xiàn)行規(guī)范對壩基巖土體的防滲要求，壩體及壩基在一定程度上存在有滲透變形問題。

大壩樁號0+000～0+200，3+650～4+550段，壩體及壩基上覆粉質(zhì)粘土厚6～9 m，在平面上呈現(xiàn)一定的規(guī)模，形成天然鋪蓋，具有良好的隔水效果。樁號0+000以外壩體及壩基上亦覆較厚粉質(zhì)粘土，對壩體及壩基防滲有利。故大壩體及壩基礎(chǔ)處理樁號為0+200～3+650。大壩壩體及壩基截滲處理方案可選擇水平防滲和垂直防滲方案[2-6]。

2.1 方案一：水平防滲

水平防滲采用在大壩上游設(shè)置防滲鋪蓋以增長滲徑，降低壩體及壩基滲透比降，控制滲漏量在允許范圍，防滲鋪蓋厚1～2.5 m，寬度50～100 m。經(jīng)計算，需清淤172 500 m3，回填土方607 200 m3，投資2 074萬元。

防滲鋪蓋可利用天然土層，施工相對簡單，不需要特殊的施工機械，但必須放空水庫，才能徹底進行。但由于本項目為加固項目，水庫長期蓄水后，總會有些淤積，上游庫水難以排干，給鋪蓋施工帶來困難。且地層復(fù)雜，地層縱、橫、深不均勻，地基中細～中砂滲透系數(shù)為3×10-3cm/s，粗礫砂含卵石滲透系數(shù)為1×10-2cm/s，滲透系數(shù)太大，壩體及壩基滲流已不符合達西定律，而類似于管道的壓力流，滲徑已不起作用。

2.2 方案二：垂直防滲

1)槽孔混凝土防滲墻。槽孔混凝土防滲墻有效截斷壩體及壩基滲透水流，減小滲流坡降、出逸坡降和滲流量。采用槽孔混凝土防滲墻厚0.30 m，墻底入基巖1.0m。軸線布置在大壩中心線，采用泥漿固壁，薄型抓斗成槽。共需成墻97 594 m2，其中壩體47 641 m2，壩基49 953 m2，投資2 456萬元。

槽孔混凝土防滲墻是利用專用的造槽機械設(shè)備營造槽孔，并泥漿固壁，用導(dǎo)管在注滿泥漿的槽孔中澆注混凝土并置換出泥漿，筑成墻體，以達到透水體防滲加固的目的，適用于粘性土、砂層和砂礫石層，是透水體防滲處理的一種有效措施。施工不受庫水位影響，成墻工效較高，施工方法成熟，但施工臨建工程量較大，工藝環(huán)節(jié)較多，要求有較高的技術(shù)能力、管理水平和豐富的施工經(jīng)驗。成墻厚度均勻連續(xù)，耐久性好，防滲效率高，檢測手段簡單直觀，工程質(zhì)量易于控制和保證。

2)高壓噴射灌漿法。高壓噴射灌漿法是利用射流作用切割摻攪地層，改變原地層的結(jié)構(gòu)和組成，同時灌入水泥漿或復(fù)合漿形成凝結(jié)體，借以達到加固地基和防滲的目的。

在高壓噴射灌漿施工方法中，有旋噴、擺噴和定噴三種方法，旋噴噴射時，噴嘴一邊提升一邊旋轉(zhuǎn)，形成柱樁凝結(jié)體；擺噴噴射時，噴嘴一邊提升一邊擺動，形成亞鈴狀凝結(jié)體；定噴噴射時，噴嘴一邊提升一邊噴射，噴射方向始終固定不變，形成板狀凝結(jié)體。

定噴是噴射流固定在一個方向噴射，能量集中，自上而下強行切割地層形成一條溝槽，較大顆粒被射流擠壓沖擊在溝槽周邊，溝槽內(nèi)被漿液或漿液與土中的細顆粒所充填，因而形成質(zhì)地均勻的板體。旋噴是噴射流沿著自下而上和旋轉(zhuǎn)的復(fù)合作用切割地層，在切割摻攪、升揚置換、充填擠壓、滲透凝結(jié)，位移袱裹作用的同時，還有旋轉(zhuǎn)離心力和重力作用，柱狀凝結(jié)體橫斷面上土粒是按質(zhì)量大小排列的，小的在中間，大顆粒多集中在外側(cè)，進而形成了漿液主體層、攪拌混合層、擠壓和滲透層(無粘性土)，其性能中間與外圍有所差異，擺噴的凝結(jié)體則介于定噴與旋噴之間。本次設(shè)計選用旋噴方法。

本工程擬采用三管噴射旋噴方法成墻，混凝土防滲墻的允許水力坡降為80，最大承受水壓為22.8 m(按正常蓄水位計算)，則要求的成墻有效厚度為0.291 m；按單排孔布置，孔距1.0 m，成墻有效厚度為0.30 m；防滲墻中心線與原均質(zhì)壩中心線同軸；墻頂伸入壩體按3.0 m計，墻底入基巖深度按1.0 m計，壩體及壩基灌漿成墻，墻頂至壩頂泥球封孔。

本工程共需高壓旋噴灌漿孔進尺99 916 m，灌漿67 220 m。

壩體及壩基高噴灌漿與槽孔混凝土`防滲墻比較詳見表1。大壩滲流計算采用有限元二維穩(wěn)定滲流計算方法，計算軟件選用北京理正軟件設(shè)計研究所研究開發(fā)的《理正巖土計算5.11版》計算?；鶐r滲流按多孔介質(zhì)，土層滲透性按各向同性考慮。大壩斷面外輪廓以實測最大壩高斷面為準(zhǔn)，壩基形狀及邊界以地質(zhì)鉆探資料為準(zhǔn)。計算滲流工況見表2，大壩各圖層滲透系數(shù)見表3。吉河水庫大壩最大橫斷面圖見圖2，大壩現(xiàn)狀滲流流網(wǎng)圖見圖3，按照兩種方案進行設(shè)計，其滲流流網(wǎng)圖見圖4、圖5。

表1 壩體及壩基高噴灌漿與槽孔砼防滲墻比較表

表2 大壩滲流計算工況

表3 計算采用的大壩各土層滲透系數(shù)表

圖2 吉河水庫大壩現(xiàn)狀最大斷面橫斷面圖

圖3 吉河水庫大壩現(xiàn)狀穩(wěn)定滲流等勢線圖

圖4 吉河水庫大壩設(shè)水平鋪蓋穩(wěn)定滲流等勢線圖

圖5 吉河水庫大壩設(shè)垂直防滲穩(wěn)定滲流等勢線圖

經(jīng)比較，水平防滲雖然施工簡單，投資較省，但考慮到防滲鋪蓋需空庫，施工時段較長，且地層復(fù)雜，地層縱、橫、深不均勻，地基中細～中砂滲透系數(shù)為3×10-3cm/s，粗礫砂含卵石滲透系數(shù)為1×10-2cm/s，滲透系數(shù)太大，壩體及壩基滲流已不符合達西定律，而類似于管道的壓力流，滲徑已不起作用。

經(jīng)計算，大壩現(xiàn)狀滲透坡降0.25，滲流量2.54 m3/d，采用水平防滲后滲透坡降為0.17，滲流量為1.23 m3/d；采用垂直防滲后滲透坡降為0.01、0.09 m3/d。根據(jù)計算結(jié)果分析，只有做垂直防滲才能有效的截斷壩體及壩基滲透水流，防止?jié)B透破壞。

因此采用垂直防滲方案優(yōu)于水平防滲方案，而垂直防滲方案中，槽孔混凝土防滲墻方案又優(yōu)于高壓噴射灌漿方案，綜合考慮推薦采用槽孔混凝土防滲墻處理壩體及壩基滲漏問題。

根據(jù)吉河水庫的實際工程條件，從適用條件、防滲效果、施工條件、成墻效果和對環(huán)境的影響及工程投資等方面綜合比較，壩體及壩基垂直防滲采用槽孔混凝土防滲墻是合理的，亦是可行的。

3 實施、成效及建議

該工程按照垂直防滲的槽孔混凝土防滲墻方案實施，滲墻軸線總體布置在大壩中心線。防滲墻施工平臺寬度為9.0～10.0 m，由于現(xiàn)狀壩頂寬度為4～5 m，不滿足施工平臺寬度要求，結(jié)合防浪墻設(shè)計壩頂開挖至高程146.06 m，局部加寬，保證平臺寬度9.0 m，墻頂高程同平臺高程146.06 m。

防滲墻設(shè)計強度C5、墻體滲透系數(shù)小于10-6cm/s，抗?jié)B標(biāo)號不小于P8，混凝土抗壓強度不低于10 MPa?；炷僚浜媳雀鶕?jù)現(xiàn)場試驗確定，每平方米防滲墻用料為：水泥375 kg，中粗砂580 kg，卵石1 075 kg，水灰比0.65,混凝土坍落度控制在18～22 cm，擴散度控制在36～40 cm。

抓斗成墻法配套起重施工機械為40 t級。

防滲墻導(dǎo)向槽深1.5 m，槽凈寬0.5 m，采用泥漿固壁，且保持漿面不得低于導(dǎo)墻頂10 cm。薄型抓斗成槽，分兩序槽孔施工，槽孔長度一序槽8 m，二序槽6 m。防滲墻施工工藝為：修筑導(dǎo)墻和施工平臺劃分槽段→抓取一期槽孔→下設(shè)接頭管→澆筑混凝土→抓取二期槽孔→澆筑混凝土。墻段連接采用接頭管法施工，即在一序槽孔澆筑前，于槽孔兩段下設(shè)φ300 mm鋼管。在混凝土澆筑過程中，每2 h活動一次接頭管，混凝土凝結(jié)10 h后拔出接頭管。二期槽孔挖好后，用鋼絲鉆頭刷洗兩端的一期槽混凝土及泥皮，保證兩期槽段混凝土結(jié)合緊密。

本工程防滲墻經(jīng)過近半年的施工，順利完成。工程于2010年9月主體工程驗收，運行記錄顯示，滲流量減少了70%～80%，壩體及壩基未見滲透現(xiàn)象，加固前壩腳局部地段呈沼澤狀的地表土干燥固結(jié)。各種現(xiàn)象表明本工程的滲控措施是合理的，同時也是經(jīng)濟的。

實際施工過程需注意以下2點：

1)液壓抓斗施工時，遇到細砂、粉細砂層需嚴格控制泥漿比重，否則容易出現(xiàn)“縮孔”、“吸斗”現(xiàn)象，導(dǎo)致成孔寬度縮窄，斗頭無法拔出；

2)液壓抓斗對于弱風(fēng)化巖石效果不佳，甚至無法施工，對于中等風(fēng)化以及強風(fēng)化均可施工，但效率降低，必要時可配合沖擊鉆施工。

4 結(jié) 語

吉河水庫壩體局部存在滲漏現(xiàn)象，壩基范圍極大部分均分布有較厚的細～中砂與粗礫砂，屬中～強滲透性，不僅滲漏量大，且存在滲透變形破壞問題，對大壩的穩(wěn)定不利，需進行防滲處理。經(jīng)比較，水平防滲雖然施工簡單，投資較省，但施工需空庫，施工時段較長，且地層復(fù)雜，地層縱、橫、深不均勻，滲透系數(shù)太大，而垂直防滲能有效的截斷壩體及壩基滲透水流，防止?jié)B透破壞，施工技術(shù)和質(zhì)量也能滿足工程需要，綜合考慮推薦采用槽孔混凝土防滲墻處理壩體及壩基滲漏問題。實際實施后，效果顯著，既減少了滲漏量，減少了經(jīng)濟損失，又排除了大壩存在多年的險情。

總之，水庫大壩除險加固中，防滲加固是非常重要的環(huán)節(jié)，在大壩建設(shè)中具有長期性和直接性特點，直接危及到水庫大壩的安全與功能的發(fā)揮，根據(jù)大壩的土體性質(zhì)，做好防滲加固處理措施，是確保水庫大壩安全運行的必要條件。