某小型水库防渗加固方案及改进措施研究

赵 跃

(安徽省泗县屏山水利工作站，安徽 泗县 234317)

我国现有各类水库八万七千余座，水库大坝以土石坝为主，多修建于20世纪50—70年代末期，受当时经济、设计和施工等方面的制约，许多水库存在防洪标准低、施工质量难以保证、管理不到位等问题，水库普遍带病运行，威胁着大坝下游人民生命财产安全。水库病险问题主要有：坝体填筑不密实、清基不彻底、渗流不安全、坝体断面不足和护坡施工质量差且破损严重等。21世纪以来，国家对病险水库的除险加固工作陆续展开，截至目前，国内大中型水库的除险加固工作已基本完成，取得了良好的效果，小型水库的除险加固工作正在大力开展，部分省市已基本结束。小型水库除险加固工作有数量多、规模小、建设周期短、资金有限、建设标准低等特点，因此选择合理、有效和经济的除险加固方案，尤其是防渗方案对大坝除险加固的效果有着直接的影响[1- 6]。小型水库的大坝防渗方案受建设资金、建设周期等影响，通常采用深层搅拌桩防渗墙、冲抓套井粘土防渗、锥探灌浆、劈裂灌浆等防渗加固方案[7- 10]。本文以某小型水库为例，通过2次不同的防渗方案设计和施工，对防渗效果进行了对比分析，并提出了改进措施，为今后小型水库除险加固工程中的防渗方案设计提供有益的借鉴。

1 工程概况

某水库位于长江流域水阳江水系郎川河支流，流域面积51km2，总库容950万m3，其中兴利库容320万m3，死库容20m3。主坝长1650m，副坝长420m，最大坝高25m，坝顶高程33m，坝顶宽5～7m。水库设计洪水按50a一遇设计，相应的设计洪水位为30.50m；校核洪水按1000年一遇设计，相应的校核洪水位为31.40m；正常蓄水位29.00m，死水位21.00m。库区属亚热带湿润性季风气候区，年平均降雨量1200mm，年平均气温16.0℃，无霜期240d，年平均积雪天数为5d。坝址区地层主要为第四系淤泥质重粉质壤土、重粉质壤土、中细砂、泥砾石、砂砾石，奥陶纪灰岩。大坝填土以重粉质壤土、中粉质壤土为主，坝身总体填筑质量较好，局部夹轻粉质壤土透镜体，局部含水量不满足规范要求。大坝桩号0+710～0+900m段坝体土渗透系数大于1×10-4cm/s，不符合规范要求，水库在高水位运行时该段浸润线偏高。大坝桩号0+680～0+900m段坝基分布有强透水砂砾石、砾砂，存在坝基渗漏问题。

2 防渗方案设计

2.1 第一次防渗加固方案设计

根据水库大坝的实际填筑及渗流、稳定等情况，针对坝体和坝基存在渗漏和隐患部位，采用坝体劈裂灌浆和坝基高压喷射灌浆结合的防渗方案，一次性成孔，分段灌浆。在坝轴线上、下游各1m布置一排劈裂灌浆孔，采用梅花形布置，孔距为3.0m，分两序灌浆，劈裂灌浆先在河槽段进行，后在两岸进行，灌浆顺序按设计工序。土体中钻孔直径Φ110，基岩中采用Φ91。浆液应先稀后稠，其中一序孔浆液容重1.2～1.3t/m3，二序孔浆液容重1.3～1.35t/m3，当灌浆压力突然下降时应改用容重为1.6t/m3的稠浆，灌浆压力最大不应超过50kPa，复灌次数达6次，下游排单孔每次灌浆量依次0.6、0.8、0.8、0.8、0.6、0.5、0.5m3/m，上游排单孔每次灌浆量依次0.5、0.6、0.6、0.6、0.5、0.5、0.5m3/m，每次灌浆间隔为6d。坝基高压喷射灌浆孔沿坝轴线布置，孔距为1.5m，钻孔直径Φ130，也采用两序灌浆。采用制浆能力200L/min的自动高速搅拌机，最大压力10MPa、最大排量200L/min的三缸单柱塞式灌浆泵，压力20～50MPa、流量50～100L/min的3D-SZ型卧式三柱塞水泵，6m3的CYV型活塞式空气压缩机，采用全液压控制、自动行走的cyp- 50型高喷台车等设备进行高喷灌浆施工。摆喷角不超过25°，有效搭接厚度不低于15cm，养护28d后抗压强度应大于2.0MPa，渗透系数不超过1×10-4cm/s，允许渗透比降应大于80。施工前应做灌浆试验，以确定最合适的灌浆参数，试验孔或先导孔沿坝轴线每隔30m布置一孔，深度应进入设计防渗墙底线下5m，施工完成后应根据钻孔灌浆情况及时做好记录并绘制地质剖面，为正式灌浆施工提供依据。根据灌浆试验调整灌浆参数，进行正式灌浆施工，并定期检查浆液容重，做好孔口返浆等情况的记录，当存在孔口不返浆时，应立即停止喷射并提升灌浆管，向孔中填砂、速凝剂等堵漏材料，直到孔口返浆。两序灌浆施工间隔需大于3d。

2.2 第二次防渗加固方案设计

由于第一次防渗处理后，水库运行过程中在老河道附近坝基扬压力仍偏高，需进一步采用防渗处理措施。根据补充勘察的成果，第二次防渗方案在大坝桩号0+550～0+950m段沿坝轴线布置一排深层搅拌桩防渗墙，墙顶高程32.5m，墙底嵌入基岩0.5m，墙厚不小于0.3m，采用Po42.5普通硅酸盐水泥作为固化剂，掺入量不低于12%，成墙后墙体的渗透系数不得超过10-6cm/s，无侧限抗压强度不低于0.3MPa。本次深层搅拌桩施工采用ZCJ- 25型深层搅拌机，该机共有3个搅拌头，各搅拌轴间距为32cm，具有双层液压机座，设备移动较为方便，适用于小型水库中粘土、粉细砂、细砂、中砂和粒径小于5cm的砂砾石层等地层的施工，最大加固深度约25m，其施工过程如图1所示。防渗墙下采用帷幕灌浆，帷幕灌浆的范围结合坝基强透水层的分布，沿桩号0+550～1+200m段布置，帷幕灌浆应超过10Lu线3.0m。钻孔采用单排孔，孔距1.5m，孔径76mm，采用自上而下分段灌浆，分三序进行施工，如图2所示；此外在该段坝后增设4座减压井。灌浆设备采用制浆能力200L/min的自动高速搅拌机，最大压力2.4MPa、最大泵量200L/min的双缸双作用泥浆泵，最大压力10MPa、最大泵量200L/min的SGB 6- 10型卧式三柱塞水泵三缸单作用柱塞式定量灌浆泵等设备进行帷幕灌浆施工。浆液的水灰比设定由稀到浓的7个级别，依次为5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1和0.5∶1。采用由稀到浓、逐级变换的灌浆原则，一般岩体初始水灰比为5∶1，有大裂隙或溶洞的岩体初始水灰比为3∶1。

图1 深层搅拌桩防渗墙施工过程示意图

图2 帷幕灌浆施工布置示意图

3 防渗加固方案改进

大坝经先后2次不同的方案处理后，坝基扬压力满足了要求，水库也达到了预期的防渗效果，保障了水库的正常运行。通过对2次不同防渗方案的分析，提出了以下几点改进措施。

(1)改善浆液材料，提高防渗效果。采用搅拌桩时，原方案中只采用水泥作为固化剂，可以根据地层条件，加入粉煤灰或粘土，粉煤灰可以提高墙体密实度和抗渗性能，粘土则可以提高墙体塑性及适应变形能力。

(2)在帷幕灌浆中使用化学浆液。第一次的高压喷射灌浆方案在遇到坝基承压水时，不能在喷射管周围形成有效的防渗体，在第二次帷幕灌浆中也出现了水泥浆吸水不吃浆、浆液易流失等问题，导致防渗效果不佳，为了解决这些问题，在第二次帷幕灌浆中局部采用化学浆液，保证了防渗效果。

(3)在搅拌桩防渗墙内预埋帷幕灌浆管。当采用深层搅拌桩防渗墙结合帷幕灌浆的防渗方案时，常见的施工顺序是先帷幕灌浆，后搅拌桩防渗墙施工，易出现两者连接不紧密，出现渗漏通道，影响防渗效果，在借鉴国内外多座水库防渗施工方案后，采用在深层搅拌桩防渗墙刚施工结束后，预埋灌浆管至防渗墙底，当防渗墙的强度符合要求后，再利用预埋灌浆管进行帷幕灌浆，这样可以节约帷幕灌浆的钻孔费用，也形成了完整的防渗体系。

4 结论

通过第一次采用坝体劈裂灌浆与坝基高压喷射灌浆结合的防渗方案，施工完成后，老河槽部位扬压力较高，未达到设计要求的防渗效果，针对这一问题，又采用了深层搅拌桩防渗墙与帷幕灌浆结合的第二次防渗方案，并根据二次防渗方案施工过程中渗流情况，及时对第二次防渗方案进行了原水泥浆液中加入粉煤灰或粘土、采用化学浆液和在深层搅拌桩防渗墙中预埋帷幕灌浆管等改进措施，使水库的渗流安全问题得到了解决。