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(kù)大壩的防滲處理一直都是水庫(kù)新建、擴(kuò)容、除險(xiǎn)加固的重中之重，良好的水庫(kù)防滲處理將減小工程隱患的發(fā)生，節(jié)省運(yùn)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(qiáng)水庫(kù)對(duì)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(lái)說(shuō)，垂直防滲和水平防滲仍是水庫(kù)大壩防滲處理的2種重要手段[1]。

如圖1所示，吉河水庫(kù)位于湖北省棗陽(yáng)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(kù)總庫(kù)容6 028萬(wàn)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(zhǎng)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(hù)坡，坡比自上而下依次為1∶2.5、1∶2.75，下游壩坡為草皮護(hù)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(kù)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(xì)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(yàn)資料顯示，指標(biāo)上滿足規(guī)范對(duì)均質(zhì)土壩壩體填筑料的要求，但實(shí)際運(yùn)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(qiáng)度較高，不會(huì)對(duì)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(xì)～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(xì)砂顆粒，最大層厚為6.80 m。在整個(gè)壩段分布穩(wěn)定，層厚，滲透性極強(qiáng)，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(wèn)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(xì)～中砂、粗礫砂層。

壩體：樁號(hào)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(shí)條件限制，施工質(zhì)量不穩(wěn)定，局部碾壓不均勻，密實(shí)度不夠，形成滲漏通道，同時(shí)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(hào)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(duì)有限。

樁號(hào)0+250～0+550段為現(xiàn)代主河床范圍，大壩在施工時(shí)進(jìn)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(chǎng)鉆探顯示其壩體及壩基的接合面良好。

樁號(hào)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(xì)～中砂層上，該層具中～強(qiáng)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(kù)水通過(guò)壩體及壩基不斷向地下水補(bǔ)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(guò)排水溝進(jìn)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(shuō)明該段的壩體及壩基滲漏十分嚴(yán)重，存在滲透破壞的潛在隱患。

樁號(hào)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(lái)看，大壩運(yùn)行30余年，壩后滲漏嚴(yán)重，滲漏主要來(lái)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(kù)蓄水量大量損失的同時(shí)，大壩還長(zhǎng)期存在安全隱患。

2 壩體及壩基截滲方案選擇

大壩壩線長(zhǎng)，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(xiǎn)情，且水量損失巨大。對(duì)于壩體而言，實(shí)際運(yùn)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(xì)～中砂與粗礫砂，這兩套地層具有中～強(qiáng)滲透特性，其滲透級(jí)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(duì)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(wèn)題。

大壩樁號(hào)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(hào)0+000以外壩體及壩基上亦覆較厚粉質(zhì)粘土，對(duì)壩體及壩基防滲有利。故大壩體及壩基礎(chǔ)處理樁號(hào)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(zhǎng)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(jì)算，需清淤172 500 m3，回填土方607 200 m3，投資2 074萬(wàn)元。

防滲鋪蓋可利用天然土層，施工相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要特殊的施工機(jī)械，但必須放空水庫(kù)，才能徹底進(jìn)行。但由于本項(xiàng)目為加固項(xiàng)目，水庫(kù)長(zhǎng)期蓄水后，總會(huì)有些淤積，上游庫(kù)水難以排干，給鋪蓋施工帶來(lái)困難。且地層復(fù)雜，地層縱、橫、深不均勻，地基中細(xì)～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(dá)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?cái)鄩误w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(wàn)元。

槽孔混凝土防滲墻是利用專用的造槽機(jī)械設(shè)備營(yíng)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(dá)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(kù)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(yàn)。成墻厚度均勻連續(xù)，耐久性好，防滲效率高，檢測(cè)手段簡(jiǎn)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?cè)貙拥慕Y(jié)構(gòu)和組成，同時(shí)灌入水泥漿或復(fù)合漿形成凝結(jié)體，借以達(dá)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(shí)，噴嘴一邊提升一邊旋轉(zhuǎn)，形成柱樁凝結(jié)體；擺噴噴射時(shí)，噴嘴一邊提升一邊擺動(dòng)，形成亞鈴狀凝結(jié)體；定噴噴射時(shí)，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(gè)方向噴射，能量集中，自上而下強(qiáng)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(xì)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(yáng)置換、充填擠壓、滲透凝結(jié)，位移袱裹作用的同時(shí)，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(jìn)而形成了漿液主體層、攪拌混合層、擠壓和滲透層(無(wú)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(jì)選用旋噴方法。

本工程擬采用三管?chē)娚湫龂姺椒ǔ蓧?，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(jì)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(jì)，墻底入基巖深度按1.0 m計(jì)，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(jìn)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(jiàn)表1。大壩滲流計(jì)算采用有限元二維穩(wěn)定滲流計(jì)算方法，計(jì)算軟件選用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所研究開(kāi)發(fā)的《理正巖土計(jì)算5.11版》計(jì)算。基巖滲流按多孔介質(zhì)，土層滲透性按各向同性考慮。大壩斷面外輪廓以實(shí)測(cè)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(jì)算滲流工況見(jiàn)表2，大壩各圖層滲透系數(shù)見(jiàn)表3。吉河水庫(kù)大壩最大橫斷面圖見(jiàn)圖2，大壩現(xiàn)狀滲流流網(wǎng)圖見(jiàn)圖3，按照兩種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，其滲流流網(wǎng)圖見(jiàn)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(jì)算工況

表3 計(jì)算采用的大壩各土層滲透系數(shù)表

圖2 吉河水庫(kù)大壩現(xiàn)狀最大斷面橫斷面圖

圖3 吉河水庫(kù)大壩現(xiàn)狀穩(wěn)定滲流等勢(shì)線圖

圖4 吉河水庫(kù)大壩設(shè)水平鋪蓋穩(wěn)定滲流等勢(shì)線圖

圖5 吉河水庫(kù)大壩設(shè)垂直防滲穩(wěn)定滲流等勢(shì)線圖

經(jīng)比較，水平防滲雖然施工簡(jiǎn)單，投資較省，但考慮到防滲鋪蓋需空庫(kù)，施工時(shí)段較長(zhǎng)，且地層復(fù)雜，地層縱、橫、深不均勻，地基中細(xì)～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(dá)西定律，而類似于管道的壓力流，滲徑已不起作用。

經(jīng)計(jì)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(jì)算結(jié)果分析，只有做垂直防滲才能有效的截?cái)鄩误w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(wèn)題。

根據(jù)吉河水庫(kù)的實(shí)際工程條件，從適用條件、防滲效果、施工條件、成墻效果和對(duì)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(shí)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(shí)施，滲墻軸線總體布置在大壩中心線。防滲墻施工平臺(tái)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(tái)寬度要求，結(jié)合防浪墻設(shè)計(jì)壩頂開(kāi)挖至高程146.06 m，局部加寬，保證平臺(tái)寬度9.0 m，墻頂高程同平臺(tái)高程146.06 m。

防滲墻設(shè)計(jì)強(qiáng)度C5、墻體滲透系數(shù)小于10-6cm/s，抗?jié)B標(biāo)號(hào)不小于P8，混凝土抗壓強(qiáng)度不低于10 MPa?；炷僚浜媳雀鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(kuò)散度控制在36～40 cm。

抓斗成墻法配套起重施工機(jī)械為40 t級(jí)。

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(zhǎng)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(tái)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(guò)程中，每2 h活動(dòng)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(guò)近半年的施工，順利完成。工程于2010年9月主體工程驗(yàn)收，運(yùn)行記錄顯示，滲流量減少了70%～80%，壩體及壩基未見(jiàn)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(shí)也是經(jīng)濟(jì)的。

實(shí)際施工過(guò)程需注意以下2點(diǎn)：

1)液壓抓斗施工時(shí)，遇到細(xì)砂、粉細(xì)砂層需嚴(yán)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(wú)法拔出；

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

4 結(jié) 語(yǔ)

吉河水庫(kù)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(xì)～中砂與粗礫砂，屬中～強(qiáng)滲透性，不僅滲漏量大，且存在滲透變形破壞問(wèn)題，對(duì)大壩的穩(wěn)定不利，需進(jìn)行防滲處理。經(jīng)比較，水平防滲雖然施工簡(jiǎn)單，投資較省，但施工需空庫(kù)，施工時(shí)段較長(zhǎng)，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?cái)鄩误w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(wèn)題。實(shí)際實(shí)施后，效果顯著，既減少了滲漏量，減少了經(jīng)濟(jì)損失，又排除了大壩存在多年的險(xiǎn)情。

總之，水庫(kù)大壩除險(xiǎn)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(zhǎng)期性和直接性特點(diǎn)，直接危及到水庫(kù)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(kù)大壩安全運(yùn)行的必要條件。