陜北地區(qū)土壩防滲措施的探討

張鈞鋒，謝繁榮

（1.陜西省寶雞市渭河攔河閘工程管理中心,陜西 寶雞 721006；2.陜西省寶雞市水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院,陜西 寶雞 721000）

中國是世界上水庫數(shù)量最多的國家。大壩安全直接決定水庫正常運(yùn)行。大壩滲透、變形穩(wěn)定等結(jié)構(gòu)性質(zhì)量問題是關(guān)鍵。本文通過工程實(shí)例,分析對比提出陜北地區(qū)土壩壩體防滲措施的優(yōu)選方案,劈裂灌漿技術(shù)及壩后建排水井。

劈裂灌漿技術(shù)通過漿、壩互壓和濕陷,使壩體內(nèi)部應(yīng)力重分布,提高壩體變形穩(wěn)定性、防滲透能力。其主要靠基本垂直土壩滲流方向沿壩軸線所形成的豎直連續(xù)的防滲泥墻,防滲泥墻經(jīng)過反復(fù)多次的漿壩互壓,滲透系數(shù)達(dá)到10-5cm/s~10-7cm/s。另外,壓力泥漿通過擠壓、充填、滲透、濕化固結(jié)對土體的壓實(shí)在防滲墻兩側(cè)形成寬5 m左右的防滲帶。泥墻和防滲帶共同解決壩體防滲透問題。滲透、變形穩(wěn)定是病險(xiǎn)水庫土壩安全的主要隱患。劈裂灌漿技術(shù)是解決土壩壩體滲透、變形穩(wěn)定的最好措施。同時(shí)劈裂灌漿技術(shù)具有施工設(shè)備輕便,工藝比較簡單,施工速度快,工期短,經(jīng)濟(jì)效益顯著,施工質(zhì)量有保證等優(yōu)點(diǎn)。

1 基本情況

陜北地區(qū)延安市位于黃土高原丘陵溝壑區(qū),榆林市位于黃土高原與毛烏素沙漠的接壤地帶。20世紀(jì)70年代陜北地區(qū)為解決農(nóng)田灌溉用水,治理水土流失,修建了百余座水庫和水土保持的支溝骨干工程。大、中、小型水庫近百座,水庫大壩多為碾壓均質(zhì)土壩和水墜壩。

陜北地區(qū)土質(zhì)多為重粉質(zhì)黃土,作為壩體填筑土料,粉粒含量約為70%,粘粒含量不足10%。早年修建又系“三邊”工程,碾壓質(zhì)量差,壩體土密度小,滲流性較大,下游壩坡易遭受水力破壞,蓄水后浸潤線高,壩體土有的處于飽和狀態(tài),運(yùn)行多年后壩頂出現(xiàn)縱、橫裂縫,下游坡面出現(xiàn)滲漏、塌陷、“流泥”等現(xiàn)象,危機(jī)大壩安全。多年來,隨著國家投資的不斷增加,水庫大壩的防滲加固工程也隨之增多,特別是經(jīng)過水庫安全鑒定后,水庫除險(xiǎn)加固項(xiàng)目大部分都有大壩的防滲處理。有的大壩已先后灌漿兩次,并未根除隱患,又進(jìn)行第三次,甚至有三年一小灌,五年一大灌的說法。

2 存在問題

2.1 大壩浸潤線高

陜北土壩多數(shù)建在相對不透水的土質(zhì)河床上,黃土地基土壩的浸潤線受相對不透水地基的頂托作用,正常擋水位相應(yīng)的壩后滲水出逸點(diǎn)往往在1/2壩高處,壩體浸潤線高,下游半個(gè)壩坡處于飽和狀態(tài),在滲透、凍融和重力作用下,下游壩坡出現(xiàn)滑坡、“流泥”（流土）等現(xiàn)象,危及大壩安全。

2.2 水庫冬季蓄水位高

冬季蓄水位高。陜北屬于干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),降雨量的70%集中在夏末秋初,徑流量的60%集中在夏秋兩季,故水庫多在秋冬季蓄水,來年用水。庫水位高,浸潤線也高。陜北延川縣寒砂石水庫2013 年7 月28 日庫水位上升38.4 m,是建庫以來最高水位,高水位運(yùn)行到2014 年4 月15 日,庫水位38.1 m時(shí),下游反濾體5 處滲水渾濁,左段1 處流泥水,流量約0.6 L/s,壩頂同時(shí)出現(xiàn)5 條垂直壩軸線的橫縫,防浪墻也出現(xiàn)水平和垂直裂縫。

2.3 大壩筑壩土料滲透性強(qiáng)

筑壩土料滲透性強(qiáng)。大壩壩體筑壩土料中粘粒含量太少,土料中粘粒含量不到10%,土料中粉粒含量約占70%,加之碾壓不實(shí),壩體土密度小,滲透性強(qiáng),滲流流速和滲流量大,故下游壩坡易于遭受水力破壞。

2.4 大壩壩下游排水不暢

壩下游排水不暢。有些土壩下游沒有設(shè)排水通道,有的淤積嚴(yán)重,反濾體不能排水,壩體土含水量增多,壩體土處于飽和狀態(tài),是“流泥”前兆。陜北延川縣寒砂石水庫下游導(dǎo)滲渠被淤,壩腳水位長期保持在壩高3.8 m~4.26 m,壩高30 m以下壩體土處于飽和狀態(tài)。

3 土壩壩體防滲措施

3.1 充填灌漿

充填灌漿是利用漿液自重,將漿液注入壩體隱患處,以堵塞洞穴和裂縫,適用于處理壩體內(nèi)已有裂縫、洞穴等明確的局部隱患。壓力充填灌漿是提高漿液的孔口壓力注入壩體,增加單孔灌漿量,擴(kuò)大充填的效果。雖然也能劈裂壩體,形成漿脈,但沒有劈裂灌漿獨(dú)有的功能,即“少灌多復(fù)”和“漿壩互壓”,達(dá)不到劈裂灌漿的防滲效果。例如延安某水庫大壩壩體防滲處理措施采用壓力充填灌漿技術(shù),灌漿前壩體土干密度均值1.55 g/cm3,灌漿后壩體土干密度均值為1.66 g/cm3,水平滲透系數(shù)灌漿前0.347×10-4cm/s,灌漿后0.219×10-4cm/s。延安某水庫土壩壩軸線上大壩壩體防滲處理措施采用壓力充填灌漿技術(shù),灌漿前壩體土干密度均值1.43 g/cm3,灌漿后壩體土干密度均值1.56 g/cm3,水平滲透系數(shù)灌漿前均值0.578×10-4cm/s,灌漿后均值0.088×10-4cm/s。工程實(shí)例證明采用壓力充填灌漿技術(shù)土壩壩體防滲效果不明顯。

3.2 土壩中建砼防滲墻

近年來陜北地區(qū)引進(jìn)高壓旋噴、擺噴技術(shù)和射水法造墻工藝,在土壩中建砼防滲墻。高壓旋噴、擺噴主要用于砂卵石地層的防滲,射水法造墻主要適用于大江大河堤防地基和管涌的防滲處理。在土壩或砂壩中建砼防滲墻,墻體為剛性,壩體為彈塑性,兩者軟硬不適應(yīng),會(huì)出現(xiàn)墻土裂開現(xiàn)象,且造墻難度大,墻體可靠性差,該技術(shù)設(shè)備龐大復(fù)雜,施工速度慢,造價(jià)高,是其他灌漿技術(shù)的數(shù)倍。造砼防滲墻,其深度受到限制,壩越高難度越大,失誤機(jī)率更高。對大量中、小型水庫大壩壩體不適應(yīng)。

3.3 劈裂灌漿

堤壩劈裂灌漿技術(shù)是20 世紀(jì)70 年代末為處理病險(xiǎn)堤壩,我國獨(dú)創(chuàng)的一項(xiàng)新技術(shù)。該技術(shù)的基本工藝是沿壩軸線布置灌漿孔,灌入壓力泥漿,通過灌漿壓力劈開壩體,由防滲泥漿沿壩軸線構(gòu)筑垂直連續(xù)的防滲帷幕,厚度5 cm~20 cm,解決壩體的變形穩(wěn)定問題。通過“少灌多復(fù)”（單孔灌5 次以上）,漿壩互壓（每次間歇5 天以上）和析水濕陷固結(jié),使灌漿軸線兩側(cè)3 m左右壩體土的變形穩(wěn)定得到解決。由于壓力漿液具有劈裂、穿透、充填、滲透等作用,凡是橫穿壩體的洞穴、裂縫、松土層等均被堵塞,充填滲透擠壓密實(shí),形成以主漿脈為主體,寬約5 m左右的防滲帶,解決了土壩壩體的滲漏問題,大壩安全運(yùn)行有了保障。劈裂灌漿技術(shù)是土壩壩體防滲措施首選。

1988 年7 月,延安地區(qū)安塞縣境內(nèi)的王瑤水庫（大二型）,由山東省水科所擔(dān)任技術(shù)總負(fù)責(zé),指導(dǎo)山東牟平縣工程灌漿公司和延安地區(qū)地下水工作隊(duì)共同完成了大壩的劈裂灌漿防滲處理,歷時(shí)3 個(gè)月,灌漿效果通過探井檢查,漿體干容重達(dá)1.6 g/cm3~1.7 g/cm3,水平滲透系數(shù)達(dá)10-6cm/s~10-7cm/s,防滲性能好。這是一次很成功的劈裂灌漿實(shí)例,2003 年洛川縣拓家河水庫土壩也曾劈裂灌漿取得較好的效果。

陜北延川縣寒砂石水庫位于陜西省延安市延川縣永坪鎮(zhèn)清澗河二級支流豐柏勝溝口的寒砂石村,距永坪鎮(zhèn)7.5 km,水庫建于20 世紀(jì)70 年代,均質(zhì)土壩,壩高43 m,壩頂長305.4 m,是一座以供水為主兼顧防汛功能的中型水庫,承擔(dān)下游永坪鎮(zhèn)居民和永坪煉油廠生產(chǎn)和生活用水,年供水量超過60 萬m3。大壩分別在1986 年進(jìn)行充填灌漿和2006 年灌漿加固兩次防滲處理。

陜北延川縣寒砂石水庫2013 年7 月28 日庫水位上升38.4 m,達(dá)到正常蓄水位,是建庫以來最高水位,高水位運(yùn)行,到2014 年4 月庫水位38.1 m,防汛巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)壩頂有5 條垂直壩軸線的橫縫,縫寬2 cm,長6.3 m,在橫縫開裂部位防浪墻體也出現(xiàn)水平和垂直裂縫,大壩下游壩腳多處滲水渾濁,集中有3 個(gè)滲漏點(diǎn),流量約36 m3/min,背水坡壩高21.4 m,發(fā)現(xiàn)一個(gè)面積8 m3,深約1 m的塌坑。大壩出現(xiàn)險(xiǎn)情,經(jīng)多方案比較,選用劈裂灌漿技術(shù)。通過灌入較多數(shù)量的粘土,少灌多復(fù),漿壩互壓,在壩體內(nèi)形成寬約8 cm~14 cm的連續(xù)豎直的泥墻,并壓密兩側(cè)土體,提高其干密度,形成寬約3 m~5 m的防水帶,提高了大壩壩體防滲能力。同時(shí),壩后建一排水井。壩下游30 m~40 m,開挖一口徑3 m的大口沉井,井深到基巖（約5 m）,每小時(shí)出水量約30 m3~50 m3。通過大口井抽水,促進(jìn)壩體排水,減少壩體含水量,降低浸潤線,加固壩體。施工完成后,經(jīng)檢測,壩體防滲透效果非常好。

4 建議

4.1 劈裂灌漿

充填灌漿是充填壩體內(nèi)已有裂縫和洞穴,在壩體內(nèi)不能形成豎直連續(xù)的漿體防滲帷幕。砼防滲墻不適應(yīng)用于土壩壩體防滲措施。劈裂灌漿技術(shù)是沿壩軸線在全壩段形成一條豎直連續(xù)的防滲帷幕,提高全壩段整體防滲能力,加固壩體。故劈裂灌漿是土壩壩體防滲加固方案的最優(yōu)選擇。

4.2 壩后建排水井

陜北地區(qū)的土壩浸潤線高,壩體含水量大,有的達(dá)到飽和狀態(tài)和流泥的程度,特別是壩下游排水不暢,應(yīng)考慮在壩下游河床附近建大口井排水,既抽地表水又抽地下水,促進(jìn)壩體排水,降低和減少壩體含水量不至飽和,加固壩體。這是排除大壩隱患的重要長效措施。

5 結(jié)語

劈裂灌漿技術(shù)具有機(jī)理明確、工藝合理、效果好、工期短、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn),運(yùn)用灌漿壓力,對壩體進(jìn)行有控制性地劈裂,從而提高了灌漿效果,應(yīng)在土壩防滲灌漿中推廣應(yīng)用。

土壩壩體采用劈裂灌漿和壩下游建排水大口井,兩者結(jié)合,是解決陜北地區(qū)土壩滲透,塌陷,“流泥”等隱患的最佳選擇措施。通過陜北延川縣寒砂石水庫,大壩土壩壩體灌漿時(shí),在灌漿土料中適當(dāng)增加了具有較強(qiáng)的吸水性和可塑性的膨潤土,提高了其抗?jié)B透性能,灌漿效果不錯(cuò)。故在陜北土壩灌漿土料中可適當(dāng)增加膨潤土。