李寶春，路偉亭

（1.安徽省水利部淮委水利科學研究院，安徽 合肥 230088；2.安徽省水利水資源重點實驗室，安徽 蚌埠 233000）

1 概述

新中國成立以來，安徽省持續(xù)開展大規(guī)模水利建設，基本建成防洪、除澇、灌溉等工程體系，為省內除水害興水利發(fā)揮了巨大的作用。截至2020年10月，全省在冊小型水庫共計5916座。其中均質土壩4641座，粘土心墻壩588座，粘土斜墻壩159座，占水庫數量的91.08%，詳見圖1。

圖1 安徽省小型水庫分布圖

安徽省的水庫絕大多數建于20世紀50-70年代，受當時社會、經濟、技術條件的制約，設計標準低、施工質量差。清基不徹底、填筑質量差、存在壩體壩基滲漏或接觸滲漏等問題是土石壩的主要病險特征。本文對安徽省不同區(qū)域的100座小型水庫土石壩進行統(tǒng)計發(fā)現，加固前江南的土石壩中56%存在不同程度壩體滲漏現象，而37%的江淮之間的土石壩同樣存在壩體滲漏。除此之外，部分土石壩存在壩基滲漏、壩肩滲漏和涵洞接觸滲漏等病險，還有部分存在滲流比降不滿足規(guī)范要求的現象。研究表明，由于滲流滲透破壞而造成土石壩事故的，約占全部事故的30%～40%。因此土石壩防滲設計應引起足夠重視。

本文對安徽省內小型水庫除險加固工程防滲措施進行了統(tǒng)計，如圖2所示，樣本中29%的水庫采用的高壓噴射灌漿的防滲措施，22%的水庫采用的復合土工膜的方式。土石壩防滲處理在土石壩除險加固投資占較大比例。按照技術可行、經濟合理、技術可行、施工便利的原則，選用最適宜的防滲措施是水庫除險加固工程設計中的主要問題之一。本文對安徽省內常用的高壓噴射灌漿、復合土工膜、多頭小直徑、塑性混凝土、粘土斜墻、沖抓套井粘土井柱等六種防滲措施的優(yōu)缺點進行分析，旨在更好地指導水庫除險加固中防滲方案的選取。

圖2 土石壩防滲措施統(tǒng)計圖

2 防滲措施探討

2.1 高壓噴射灌漿

高壓噴射是利用高壓水氣噴射切割破壞地層結構形成縫槽，將土和水泥漿液攪拌，充填該縫槽，漿液凝固后形成防滲板墻的防滲方法。高壓噴射灌漿分為定噴、旋噴和擺噴。定噴和小角度擺噴適用于粉土和砂土地層；大角度擺噴和旋噴適用于各種地層；深度小于20m的卵碎礫石地層，可采用擺噴；深度20～30m時，可采用單排或雙排旋噴；深度大于30m時，一般采用兩排或三排旋噴。

通過高壓水氣噴射作用強制性破壞原土層結構，不存在靜壓注漿的可灌性問題。只要高壓射流能破壞的細砂層、極細砂層、粘土層等均可處理，對塊、卵石層的較大孔隙及集中滲漏的空間用地層顆?；蚣壟淞嫌枰猿涮罘舛隆?/p>

高壓噴射灌漿對施工場地要求不高，能在鉆孔內的任何高度，采用不同噴射形式，按要求噴射成不同形狀的凝結體，并可穿過壩體、涵洞等對其下方的隱患進行處理。對高噴形成板墻的物理力學指標還可通過漿液配比進行調整。

高噴灌漿適應性較廣，優(yōu)點突出，對細顆粒地層是比較適宜的。對摻有大顆粒地層或致密的粘土層中，要求工藝高，需試驗進行參數選取。在砂卵石、塊石地層中，由于造孔難度大，需采用沖擊進鉆及固壁。由于其適用于的土層廣泛，施工前應對工程地質和水文地質進行深入了解，控制施工質量。

與深層攪拌樁比較，高壓噴射灌漿成型強度較低，但適用地質條件廣。

2.2 復合土工膜

復合土工膜廣泛應用于土石壩的防滲措施中。土工膜應用于土石壩中變形能力強，防滲性能好。土工膜具有很好的拉伸性能，能很好地適應土石壩不同工況下的變形。防滲土工膜滲透系數一般1e-14cm/s，只要保證土工膜不破損，且與結構的連接以及自身的焊接質量可靠，其防滲效果是可以保證的。同時土工膜用于土石壩防滲節(jié)省工程投資，且工期短。土工膜防滲層造價僅為混凝土防滲層的1/2.5～1/3，且具有施工設備投入少、施工速度快的優(yōu)點。

土工膜應用于土石壩防滲工程也存在一些缺點，主要有以下方面：

土工膜為高分子材料，長期暴露在紫外線、空氣等環(huán)境中，特別是水位變化區(qū)，容易老化破壞，失去防滲性能。土工膜幅寬一般為8m，應用于土石壩防滲接縫多；且與周邊建筑物連接結構復雜。土工膜與周邊建筑物或防滲結構的連接部位，以及接縫焊接部位是防滲體的薄弱環(huán)節(jié)，也是施工工藝較為復雜的部位，必須嚴格按照要求施工，以保證施工質量。土工膜為高分子聚合物，目前水庫防滲用的土工膜厚度以1～3mm為主。土工膜在施工過程中易遭受人為破壞，正常運行中抵抗外力損傷的性能較差。而外力損傷對土工膜防滲性能的影響非常顯著。

2.3 多頭小直徑深層攪拌樁

多頭小直徑深層攪拌樁是利用水泥作為固化劑，通過深層攪拌機械，把水泥漿噴入地層中，使土體與水泥漿強制攪拌，利用水泥漿和土體之間產生的一系列物理化學反應，使水泥土硬結成連續(xù)防滲墻體。

多頭小直徑深層攪拌樁適用于砂性土、粘性土、粉土、人工填土、淤質土、粒徑小于50mm的砂質層，甚至有土體架空或有孔洞時也可應用，具有工藝簡單、施工速度快、成本低等特點，形成的水泥土防滲墻體具有整體性、均勻性、強度性及抗?jié)B性等特點。

多頭小直徑深層攪拌樁易受地層適應性及施工深度的限制。當遇到砂質土、含礫地層、人工回填土及碎石土等地層或施工深度大于22 m時，深層攪拌法施工技術往往難以進行。當攪拌樁施工過程中遇到塊石，會有無法鉆進的情況。

2.4 塑性混凝土

塑性混凝土防滲墻在配合比中加入了粘土和膨潤土，具有良好的力學特性，得到了廣泛的發(fā)展和應用。該方法適用于各種不同材料的壩體和各種復雜地基，墻的兩端能與岸坡防滲設施或岸邊基巖相連接，墻的底部可嵌入弱風化基巖內一定深度，徹底截斷壩體及壩基的滲透水流。成墻方法有鋸槽、液壓開槽、射水及薄抓斗等多種。

值得注意的是，塑性混凝土防滲墻剛度遠大于土石壩材料。由于壩體水平變形比壩基大得多，壩體防滲墻更容易出現拉應力，甚至發(fā)生斷裂。而且病險土石壩多數存在施工碾壓密實度不夠問題，大壩受水荷載作用時變形更大。采用剛性防滲結構很難適應大的變形，可能會產生裂縫，破壞防滲結構。因此，應注意壩體防滲墻的受力分析，特別是深壩體防滲墻受力分析。

2.5 粘土斜墻

粘土斜墻是將粘土鋪蓋作為防滲體的做法。粘土斜墻具有一定的適應地基變形能力；一般可就地取材，很多工程區(qū)合理運距范圍內就有符合質量和儲量要求的粘土料，防滲材料容易取得；粘土經碾壓壓實后滲透系數可達1e-6cm/s，在粘土質量及壓實度得到保證的前提下，土質防滲體可滿足對水庫滲漏量控制的要求。與其他防滲方式相比，粘土斜墻具有較明顯的價格優(yōu)勢，節(jié)省工程投資。施工簡便，具有成熟的施工經驗和設備。

在以下條件下，粘土鋪蓋防滲方案不宜采用：

防滲水頭較高，工程區(qū)合理運距范圍內缺少符合設計要求的土料，或者開挖粘土料會對環(huán)境造成較大不利影響；地基覆蓋層具有高沉陷性、易管涌性、強流失性，或相對于鋪蓋具有強流失性或屬或架空層；兩岸透水性強，或粘土鋪蓋與庫周巖壁不易連接。

2.6 沖抓套井粘土井柱

沖抓套井粘土井柱是利用沖抓式造孔機具，在土石壩滲漏范圍的防滲體中造孔，用粘性土料分層回填夯實，形成一個連續(xù)的粘土防滲墻。同時，在回填夯擊時，對井壁土層擠壓，使其井孔周圍土體密實，提高壩體質量，從而達到防滲加固的目的。

沖抓套井粘土井柱具有機械設備簡單，施工方便，工藝易掌握，工程量小，工效高，造價低等優(yōu)點。在江淮之間中小型水庫土壩使用較多。

當孔深超過25m時易發(fā)生偏斜，造成回填土的搭接厚度達不到設計要求。對處理壩基滲漏，難以解決砂礫石有破碎巖石的情況。同時由于施工時需控制粘土料的最優(yōu)含水率等參數，水下施工難度大，雨季施工也有一定困難。

3 結論

我省小型水庫土石壩數量多、分布廣，地跨長江流域、新安江流域和淮河流域，地形分山區(qū)和丘陵。一輪的除險加固為水庫的管護以及加固提供了寶貴財富。通過對土石壩病險特征和加固措施的統(tǒng)計分析，可以發(fā)現，不同地區(qū)的土石壩有不同的病險特征，在除險加固中應深入分析病險特征，采取最合理有效的措施。