土石坝垂直防渗加固措施综述

庞 琼,王士军,2,谷艳昌,2,张云宝

(1.南京水利科学研究院,江苏 南京 210029;2.水利部大坝安全管理中心,江苏 南京 210029;3.西藏满拉水利枢纽管理局,西藏 江孜 857400)

土石坝垂直防渗加固措施综述

庞 琼1,王士军1,2,谷艳昌1,2,张云宝3

(1.南京水利科学研究院,江苏 南京 210029;2.水利部大坝安全管理中心,江苏 南京 210029;3.西藏满拉水利枢纽管理局,西藏 江孜 857400)

我国土石坝数量众多,渗流问题引起的大坝病害与险情严重危及土石坝的运行安全。近年来,我国全面开展了病险水库除险加固工作,垂直防渗加固措施因防渗效果显著,在实际工程中得到广泛应用。通过收集病险土石坝除险加固资料、开展现场调研分析及查阅大量相关文献,总结土石坝常用垂直防渗加固措施主要有灌浆、防渗墙和土工合成材料防渗技术等。文中阐述各技术措施的应用历史与发展现状,归纳垂直防渗设计原则和不同垂直防渗加固措施防渗原理及其施工工艺,对比分析各自的防渗体厚度、处理深度、防渗效果、工程施工、环境影响、投资造价、适用地层、工效等特征与适用性。分析认为垂直防渗加固措施的选择,应综合考虑坝基地形地质条件、工程施工难度、环境影响及投资造价等诸多因素。

病险水库;土石坝;垂直防渗措施;防渗原理;除险加固;适用性

根据国际大坝委员会2011年注册大坝数据库统计[1],全球已注册大坝37 641座,其中约2/3为土坝[2];截至2011年底,中国已建成水库97 246座[3],其中约93%为土石坝。随着土石坝服役年限增长,较高的事故量及病险情况逐渐显现。我国90%以上土石坝建于20世纪50至70年代,受当时技术经济条件限制[4],工程建设先天不足,加之后期维护管理不到位,工程老化失修严重,病险问题日益突出,直接威胁到人民群众生命与财产等安全。通过工程或非工程措施消除土石坝安全隐患十分必要和非常迫切。至今,我国已进行数千座病险水库除险加固,约1/3以上的病险土石坝采取了混凝土防渗墙、高喷防渗墙、帷幕灌浆等垂直防渗措施。这些水库大坝除险加固任务完成后,垂直防渗措施取得不同程度的效果,有效消除了安全隐患,恢复了防洪库容,增强了水资源调控能力。

本文阐述常用垂直防渗措施的应用历史及发展现状、设计原则、防渗原理及施工工艺,综合分析坝基地形地质条件、工程施工难度、环境影响及投资造价等诸多因素,总结了各项垂直防渗措施的适用性。

1 常用垂直防渗加固措施历史

垂直防渗措施,即通过置换、填充、挤密、冻结及化学作用等手段在土层中形成一个垂直的防渗帷幕墙体,从而达到截水、阻水的目的。根据工程实际经验,垂直防渗截流效果优于水平防渗,应用更为广泛[5]。通过收集病险土石坝除险加固资料[6-8],总结土石坝常用垂直防渗加固技术的工程措施主要有灌浆、防渗墙和土工合成材料防渗技术等,这些技术按材料和施工方法又可以进行细分,见表1。

表1 常用垂直防渗加固技术Tab.1 Common vertical anti-seepage reinforcement technologies

此外,还有截水槽开挖回填黏土防渗、化学灌浆、坝基岩溶投反滤料灌浆、自凝灰浆防渗墙等技术。

1.1 灌 浆

最早的灌浆法始于1802年,法国人查理士·贝里尼(Charles Berrigny)在港口城市迪耶普(Diepp)采用黏土石灰浆灌注法修补损坏的砌筑墙;1938年英国人第1次把水泥浆作为灌浆材料应用于汤姆逊隧道[9]; 19世纪90年代初,美国在处理各类大坝附近和基础岩体时采用帷幕灌浆技术[10],20世纪70年代对帷幕灌浆效果提出质疑,但80年代包括欧洲在内又开始了新一轮的“帷幕灌浆”潮流[11];20世纪50年代,我国开始利用灌浆技术整治黄河堤防,随后将其应用于大坝的除险加固,在20世纪70年代中期以前,土坝坝体灌浆多为充填式灌浆[12]。

我国于20世纪60年代发现了灌浆压力对坝体的劈裂作用,但当时担心劈裂坝体会造成不良后果,未进一步发展灌浆防渗技术。直到1973年,山东水利科学研究所大胆创新提出劈裂灌浆设想,并先后于1978年和1981年在西埠和黄前水库土坝进行了劈裂灌浆原体试验,获得成功。随后劈裂灌浆得到广泛应用,现已用于坝高超过50 m的心墙坝,以及沙坝、湿陷性黄土宽顶坝等,并由水利水电工程逐步扩展至建筑、交通、铁路、矿井建设等领域[13]。

高压旋喷灌浆1968年首创于日本,20世纪70年代初由日本引进我国[14],80年代初,山东省水科院将旋喷灌浆改为定向喷射灌浆,用于险库坝基防渗,取得较好效果并随之得到推广;进入80年代后,湖南、辽宁、吉林等省将该项技术推广到强透水的砂卵石、砂卵漂石和堆石渣层中,此后高喷防渗墙的施工工艺及设备也不断得到改进,分为旋喷、摆喷、定喷3种形式,每种形式均可采用三管法、双管法和单管法。

1.2 防渗墙

混凝土防渗墙施工方法最先由Veder在1952年取得专利权,起初在意大利、法国等国应用,后在墨西哥、加拿大、日本等国有了发展[6]。我国于1957年[15]从意大利和法国引进该项技术,1959年首次在山东省月子口水库试验成功[16]。1975年美国也提出了不同于帷幕灌浆技术的“良性截水墙(Positive Cut-offs)”概念,整个墙体使用防水性良好的预制材料,例如混凝土防渗墙[17],并将该技术成功应用于喀斯特作用的碳酸盐地基[18-19]。此后混凝土防渗墙在世界范围内广泛应用,并不断被改进,成墙单孔型式分为圆形孔和槽形孔,可采用抓斗法、射水法、锯槽法以及导管(气举)反循环法。1988年5月,福建省福州市区防洪堤上应用了射水造孔混凝土墙,1991年在江苏省骆马湖全线推广,随后经过几年发展,在长江、黄河大堤上成功应用[20]。鉴于混凝土防渗墙造价高而灌浆帷幕防渗效果差,D.A.Bruce等人2010年提出了将两者有机结合的“混合防渗墙(Composite Cut-offs)”概念。

二战后美国首先开发出用水泥浆就地搅拌的桩进行防渗加固,1953年日本引进该方法,并在其基础上研制出水泥搅拌工法(CMC法)以及一系列类似方法(如DCM法、DMIC法等),瑞典在1967年也提出过类似加固方法。1977年我国冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院对水泥土搅拌法进行了室内试验。1983年铁道部第四勘测设计院研制出我国第一台液压步履式深层搅拌桩机,并于1985年通过铁道部技术鉴定,建议逐步推广使用,至今已有30多年历史,普及区域遍布东南沿海和内陆软土地区[21]。

振冲法加固技术最初由德国人斯塔耶尔曼(Steuerman)在1937年发明并用于处理柏林一幢建筑物的松砂地基,到50年代末西欧各国已相继采用。亚洲最早引入振冲法的是日本,我国1955年末开始使用该方法加固砂基;1976年南京水利科学研究院土工所开发了振冲法[22],此后在我国土石坝工程中逐渐推广应用,振冲挤实法用于加固砂土地基,振冲置换法用于加固黏性土地基。在此基础上,针对传统防渗墙技术存在的问题1999年我国创新了振动沉模防渗墙技术,并于2009年在山东省单县浮岗水库进行了第二次大规模现场试验,改进了设备和工艺,开拓了使用范围和使用前景[23]。

20世纪70年代初浙江省温岭县开创了冲抓套井防渗墙技术,该技术于80年代不断完善和发展,并应用于几百座水库大坝的渗漏处理,后逐步推广到江西、湖南、四川等10多个省。

20世纪70年代中期,河北省在大搞农田基础建设中,为了截断地下潜流用于灌溉农田,开创了人工开挖倒挂井防渗墙;80年代丹江口水利枢纽在处理土坝心墙渗漏施工中,将过去的单井开挖改进创新了组井开挖(4个井一组),并成功用于江西省苹村水库。

1.3 土工合成材料防渗技术

纤维织物在土木工程中最早的应用可追溯到1926年美国南卡罗来纳州公路局用棉织帆布补强土体[24],此后1970年法国伐尔克鲁斯(Valcros)土坝采用非机织土工织物取代传统的沙粒料垫层[25-26]。70年代土工合成材料从欧洲传到了世界各地[27],我国80年代中期开始采用土工合成材料进行防渗,先后在云南省李家箐和福建省犁壁桥水库土坝采用土工膜代替原来的黏土心墙和斜墙,李家箐土坝同时还采用土工织物代替下游坡脚反滤体[28]。之后土工合成材料的需求量不断增加,近年随着高分子化学工业的飞速发展,合成纤维新品种和高分子的新型合成材料不断出现并相继应用于岩土工程中,逐渐形成为一门新学科[29]。

2 垂直防渗设计原则、防渗机理及施工工艺

2.1 垂直防渗设计原则

土石坝垂直防渗措施设计除了遵循防渗工程设计的一般原则外,还应依照其具体设计方面的基本原则[8](见表2)。

表2 垂直防渗设计原则Tab.2 Vertical anti-seepage design principles

防渗工程设计首先是依据险情、地质条件及渗流稳定计算成果,确定治理范围;其次是在上述原则指导下,在确定范围内,结合土石坝防渗措施特征及适用性,综合考虑,分析比较,选择合理的防渗加固措施。

2.2 垂直防渗机理

土石坝垂直防渗措施防渗机理本质上是截断渗流通道或延长渗径,以达到降低坝体渗流坡降和浸润线高度、减小渗漏量的目的。各类防渗措施在满足防渗要求同时也不同程度加密了坝体或坝基材料,使得坝体与坝基整体防渗性能得到进一步增强。

2.2.1灌 浆

(1)静力填充灌浆 借助泥浆本身重力对坝体已有隐患进行灌浆填充,使浆液细颗粒沿孔隙或孔洞进入被灌地层,填充孔隙,被灌地层土体胶结加密,渗透性降低,强度增加,起到防渗加固作用。

(2)劈裂灌浆 根据坝体的几何形状和小主应力作用面沿大坝轴线竖直的分布规律,沿坝轴线布置灌浆孔,施加相应的灌浆压力,有控制地劈开坝体,随机灌入黏土泥浆,并使浆坝互压,最后形成10～15 cm厚的连续整体防渗泥墙帷幕。通过压力泥浆的挤压、渗透、充填和湿化固结,使泥浆墙体两侧一定厚度土体的抗渗强度大大提高。同时,还使所有与泥浆脉相通的洞穴、裂缝、水平疏松土层等隐患部位都得到了充填,消除了隐患。充填作用与劈裂作用是同时进行的。随劈、随灌、随充填,达到缝开、浆到、浆满。随着复灌次数的增加,泥浆多次充填坝体隐患部位,达到沿坝轴线构造防渗帷幕的目的。

(3)高压喷射灌浆 借助高压射流冲切掺搅地层,浆液在高压射流作用范围内扩散充填,并与被灌地层土颗粒掺混,形成设计形状的凝结体起到防渗作用。首先通过高压喷射水(浆液)流的动压冲切作用、脉动效应、水楔破碎效应、锤击破碎效应及气穴效应破坏土体,在射流产生的卷吸扩散作用下,使浆液与被冲切下来的土体掺搅混合;然后射流冲切过程中沿孔壁会产生升扬转换作用,在被灌土体部分颗粒置换出地面的同时使浆液被掺搅灌入地层,从而使地层组成成分发生变化;同时射流束末端对土体产生侧向挤压力,喷射过程中及结束后,静压灌浆作用仍然存在,对土体及灌入浆液将不断产生挤压作用,促使凝结体与两侧土体结合更为紧密。灌浆过程中的渗透凝结作用还可以向冲切范围以外形成渗透凝结层,其层厚在渗透性较强的砾卵石地层可达10～15 cm。

2.2.2防 渗 墙

(1)混凝土防渗墙 利用专用机具,在坝体或覆盖层透水地基中,建造槽(孔),以泥浆固壁,采用直升导管,向槽孔内浇筑混凝土,形成连续的混凝土墙,起到防渗目的。当防渗墙用于处理坝基时,其上部与坝体的防渗体相连接,下部嵌入基岩的弱风化层;当防渗墙用于处理坝体时,其下部与基础防渗体相连接;当防渗墙用于同时处理坝体与坝基时,可从坝顶造槽孔,直达基岩弱风化层。混凝土防渗墙造孔成墙过程中泥浆的渗透和泥皮的存在形成了一个附加隔水层,有利于提高防渗墙体的有效厚度。

(2)深层搅拌防渗板墙 利用水泥作为固化剂,通过深层搅拌机械,在坝基(体)内部将软土强制搅拌后,在水泥和软土之间所产生的一系列物理化学反应,使软土改性硬化成具有整体性、低渗透性和一定强度的水泥土搅拌桩。由水泥土搅拌桩多桩切割搭接而成连续密实的墙体,称为水泥土搅拌防渗墙体。在坝基透水层中设置水泥土搅拌桩截渗墙到相对不透水层,截断渗流途径,达到延长渗径、降低渗流流速和出逸比降,起到加固大坝的作用。

(3)振动沉模防渗板墙 采用强力振动原理,使空腹模板随着振动沉进土体内,同时向空腹模板加注浆液,边振动边拨模,浆液在槽孔之内形成板墙,把各个单块板墙连接起来,在振动沉模过程中挤压、振密模板周边一定范围的(约各30 cm左右)土层,从而形成连续的防渗板墙帷幕。同时,振动沉模板墙施工在注浆过程中,坝体内凡与槽孔相连通的洞穴(如动植物洞穴、废管涵等)、集中漏水通道、水平漏水层孔穴等,都可得到浆液充填,有效地加固了大坝。

(4)冲抓套井回填防渗墙 利用冲抓式打井机具,在土坝或堤防渗漏范围造井,用黏性土料分层回填夯实,形成一个连续套接黏土防渗墙,截断渗流通道,起到防渗作用。此外,在回填黏土夯实过程中,夯锤对井壁的土层挤压,使其周围土体更加密实,提高了坝体质量,从而达到防渗加固目的。

(5)倒挂井防渗墙 开挖连锁井柱,浇筑混凝土井圈,采用单井开挖,先挖主井,后挖副井,互相搭接,构成整体混凝土圈防渗墙,截断坝体渗流。采用组井开挖,4个单井一组,先挖单号组井,后挖双号组井,形成整体混凝土圈防渗墙。当混凝土圈防渗墙兴建后,上下游测压管水位较建防渗墙前有显著变化,从而达到了防渗的目的。

2.2.3土工合成材料防渗技术 用于防渗的土工合成材料可分为土工膜和土工复合膜,其防渗效果好,自身渗透系数一般小于10-11cm/s[30],可代替防渗体垂直铺设,起到截渗隔水的作用。

2.3 垂直防渗施工工艺

2.3.1灌 浆 灌浆的一般工艺流程:钻孔→制浆→灌浆→复灌→终灌→封孔[31]。不同灌浆方式各自施工过程中的工艺要素见表3。

表3 灌浆工艺要素Tab.3 Grouting technology elements

图1 高压喷射灌浆施工流程Fig.1 Flow chart of high pressure jet grouting technology

图2 高压喷射灌浆施工程序Fig.2 High pressure jet grouting construction process

2.3.2防渗墙 由表1可知,防渗墙有不同施工方法及相应的工艺流程,各自施工过程中的工艺要素见表4。

表4 防渗墙工艺要素Tab.4 Cut-off wall technology elements

(续表)

图3 两喷四搅工艺流程Fig.3 Profile view of two-sprayfour-stir process

图4 振动沉模板墙施工工序Fig.4 Construction process of vibration sink template wall

2.3.3土工合成材料防渗技术 土工合成材料技术工艺流程:开槽→泥浆护壁→土工膜入槽→土工膜展开→土工膜连接→膜两侧填土,见图6。

图5 冲抓套井造孔顺序排列示意Fig.5 Dug wells pore-forming sequence diagram

图6 垂直铺塑施工流程Fig.6 Geosynthetic materials vertical laying process

土工膜连接是保证土工膜防渗性的关键环节,因为垂直铺塑的渗透系数由接缝决定。一般尽量使用与设计宽度相符的宽膜、长膜,如不能满足时,则在工地粘结,一般采用热合,必要时采用冷粘,还可焊接,特殊情况可用搭接,搭接长度0.8～1.0 m。其连接技术还不完善,影响防渗效果。

土工膜与坝体之间的垫层和保护层材料及厚度,对防渗效果十分重要,尤其是保护层一方面保护土工膜不受损坏,另一方面还要承受库水位下降时的反渗压力。此外,土工膜材料是高分子聚合物,在紫外线照射下易老化,必须置于保护层之下,不受紫外线照射。

3 垂直防渗措施适用性分析

病险土石坝除险加固需根据自身病险情况有针对性的选取防渗加固措施,不同垂直防渗措施因其所用材料、防渗原理及施工工艺不同,具有各自特点和适用范围,应综合考虑坝基地形地质条件、工程施工难度、环境影响及投资造价等诸多因素,选择最合适的垂直防渗加固措施,见表5(见附1)。

由表5对比分析可知,混凝土垂直防渗墙几乎可以适用于一切地层,这是因其具有不同的成槽方法、槽孔形状、墙体材料和槽段搭接方法。对于不同地层可选择不同的施工工艺,处理深度也大,相比其他垂直防渗方法较为安全可靠。设计合理的垂直防渗墙能够有效地改善坝体、坝基的渗流状态,满足渗透稳定和抗浮稳定,并可明显地降低渗流的自由面和出逸段的高度[32]。同时,防渗墙的工序检验和最终检测方法相对成熟,近年来已得到广泛应用。

4 结 语

本文主要阐述灌浆、防渗墙和土工合成材料防渗技术的应用历史、发展现状及防渗设计原则,分析其防渗原理及施工工艺,在此基础上总结各种垂直防渗措施的特点和适用范围。

土石坝垂直防渗措施防渗机理本质上是截断渗流通道或延长渗径,以达到降低坝体渗流坡降和浸润线高度、减小渗漏量的目的。各类防渗措施在满足防渗要求同时也不同程度加密了坝体或坝基材料,使得坝体与坝基整体防渗性能得到进一步增强。

对比分析各防渗措施施工工艺、特点和适用范围,表明混凝土防渗墙因施工工艺多元化,适用各类地层,处理深度大、防渗效果安全可靠及检验检测技术成熟等优势而应用广泛。

[1]International commission on large dams.World register of dams[EB/OL].(2011-11-17).http:∥www.Icold-cigb.net/GB/ World_register/general_synthesis.asp.

[2]庞琼,王士军,倪小荣,等.世界已建高坝大库统计分析[J].水利水电科技进展,2012,32(6):34-37.(PANG Qiong, WANG Shi-jun,NI Xiao-rong,et al.Statistical analysis of world existing high dams and large reservoirs[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2012,32(6):34-37.(in Chinese))

[3]中华人民共和国水利部,中华人民共和国国家统计局.第一次全国水利普查公报[M].北京:中国水利水电出版社, 2013.(Ministry of Water Resources,P R China,Ministry Bureau of Statistics,P R China.Bulletin of first national census for water[M].Beijing:China Water&Power Press,2013.(in both Chinese and English))

[4]王良,崔英华.浙江省小型水库土石坝病险分析及对策[J].浙江水利科技,2009(1):26-28.(WANG Liang,CUI Yinghua.Analysis of earth-rock dam danger for small reservoirs in Zhejiang Province and its countermeasures[J].Zhejiang Hydrotechnics,2009(1):26-28.(in Chinese))

[5]张先员,霍小力.土石坝防渗加固措施综述[J].水利科技与经济,2008,14(12):1020-1021.(ZHANG Xian-yuan,HUO Xiao-li.Summary seepage reinforcement measures of earth-rock dams[J].Water Conservancy Science and Technology and Economy,2008,14(12):1020-1021.(in Chinese))

[6]张启岳,蒋彭年,王韦,等.土石坝加固技术[M].北京:中国水利水电出版社,1999.(ZHANG Qi-yue,JIANG Pengnian,WANG Wei,et al.Earth and rockfill dam reinforcement technology[M].Beijing:China WaterPower Press,1999.(in Chinese))

[7]牛运光.土坝安全与加固[M].北京:中国水利水电出版社,1998.(NIU Yun-guang.Safety and reinforcement of earth dam [M].Beijing:China WaterPower Press,1998.(in Chinese))

[8]毛昶熙.堤防工程手册[M].北京:中国水利水电出版社,2009.(MAO Chang-xi.Levee engineering manual[M].Beijing: China WaterPower Press,2009.(in Chinese))

[9]陈三潮.水利水电工程化学灌浆监理手册[M].北京:中国水利水电出版社,2008.(CHEN San-chao.Chemical grouting supervision manual for hydraulic and hydro-power engineering[M].Beijing:China WaterPower Press,2008.(in Chinese))

[10]WEAVER K D,BRUCE D A.Dam foundation grouting[M].New York:ASCE Press,2007:504.

[11]LOMBARDI G.Grouting of rock masses[C]∥Grouting and Ground Treatment,ASCE,2003:164-197.

[12]刘海林,饶锡保,黄斌.劈裂灌浆技术在土石坝中的应用及发展[J].中国水运,2009,7(9):154-156.(LIU Hai-lin, RAO Xi-bao,HUANG Bin.Application and development of fracture grouting technology in earth and rockfill dam[J].China Water Transport,2009,7(9):154-156.(in Chinese))

[13]罗长军.对《土坝坝体灌浆技术规范》(SD 266-88)修改的建议[J].岩石力学与工程学报,2006,25(增2):4016-4025. (LUO Chang-jun.Suggestions to modification of criterion of grouting technology in earth-dam body(SD266-88)[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(Suppl2):4016-4025.(in Chinese))

[14]张爱疆.浅谈高压旋喷灌浆桩(墙)施工技术[J].新疆有色金属,2011(2):78-80.(ZHANG Ai-jiang.Construction technology of high-pressure rotary sprinkler slurry pile(wall)[J].Xinjiang Nonferrous Metals,2011(2):78-80.(in Chinese))

[15]黄文熙.西欧水工科学研究工作的考察报告[J].水利技术通讯,1958(2):45-54.(HUANG Wen-xi.Investigation report of hydraulic scientific research work[J].Hydrotechnics Communication,1958(2):45-54.(in Chinese))

[16]中国科学院,水利水电科学研究院.月子口水库砂砾地基中的混凝土防渗墙[M].北京:水利电力出版社,1959. (Chinese Academy of Science,Water Resources and Hydropower Research Institute.Concrete cut-off wall of gravel foundation in Yuezikou reservoir[M].Beijing:China WaterPower Press,1959.(in Chinese))

[17]BRUCE D A,DREESE T L,HEENAN D M.Design,construction,and performance of seepage barriers for dams on carbonate foundations[J].Environmental&Engineering Geoscience,2010,16(3):183-193.

[18]BRUCE D A,DI CERVIA A R,AMOS-VENTI J.Seepage remediation by positive cut-off walls:a compendium and analysis of North American case histories[C]∥ASDSO Dam Safety,Boston,MA,2006:10-14.

[19]BRUCE D A.Dam remediation by anchors and cut-offs:a summary of two national research programs[C]∥38th Annual Ohio River valley soil seminar,Louisville,KY,November.2007(14).

[20]李孝成,王锭一,翁吉雄.射水法建造地下连续墙技术的研究与推广[J].人民珠江,2000(1):25-29.(LI Xiao-cheng, WANG Ding-yi,WENG Zhi-xiong.Research and extension of water-jet construction method for underground continuous wall [J].Pearl River,2000(1):25-29.(in Chinese))

[21]向其林.深层搅拌桩复合地基承载特性的应用研究[D].长沙:中南大学土木工程学院,2007.(XIANG Qi-lin.Applied research on bearing behavior of deep mixed pile composite foundation[D].Changsha:Civil Engineering College in Central South University,2007.(in Chinese))

[22]南京水利科学研究院.软基加固新技术——振动水冲法[M].北京:水利电力出版社,1984.(Nanjing Hydraulic Research Institute.New technology of soft soil foundation reinforcement-vibroflotation method[M].Beijing:China WaterPower Press,1959.(in Chinese))

[23]张灿峰,孙晓范,白永年.振动沉模超薄防渗墙成墙技术新进展[J].水利建设与管理,2010(9):1-3.(ZHANG Canfeng,SUN Xiao-fan,BAI Yong-nian.Progress of the vibration sinking mould technology for ultra-thin cutoff wall[J].Water Resources Development&Management,2010(9):1-3.(in Chinese))

[24]KOERNER R M,WELSH J R.Construction and geotechnical engineering using synthetic fabric[J].New York:Wiley,1980. [25]GIROUD J P,GOURC J P,BALLY P,et al.Behavior of a non-woven fabric in an earth dam[C]∥International Conference on the Use of Fabric in Geotechnics,1977.

[26]GIROUD J P.Designing with Geotextiles[J].Materiaux et Constructions,1981,14(82):257-272.

[27]冯峰,漆群.土工合成材料在工程中的应用与发展前景[J].科技资讯,2006(16):163-164.(FENG Feng,QI Qun. Application and development prospect of geosynthetics in projects[J].Science&Technology Information,2006(16):163-164. (in Chinese))

[28]水利部水利管理司.土工织物和土工膜在土石坝工程中的应用技术交流会资料汇编[G].北京:水利部水利管理司, 1990.(Water Conservancy Management Department of the Ministry of Water Resources.Interecommunions data compilation for the application technology of geotextile and geomembrane in earth and rockfill dam projects[G].Beijing:Water Conservancy Management Department of the Ministry of Water Resources,1990.(in Chinese))

[29]迟景魁.中国土工合成材料技术的现状和发展[J].产业用纺织品,2005,23(3):1-4.(CHI Jing-kui.Present situation and development of China geosynthetics technology[J].China Technical Association on Geosynthetics,2005,23(3):1-4.(in Chinese))

[30]潘维宗,陈效勇.垂直铺塑技术的应用研究[J].人民长江,2001,32(6):20-22.(PAN Wei-zong,CHEN Xiao-yong. Applied research on geosynthetic materials vertical laying technology[J].Yangtze River,2001,32(6):20-22.(in Chinese))

[31]郝记林,徐用德,李冬梅,等.谈固结灌浆施工实践[J].河南水利与南水北调,2007(3):27-28.(HAO Ji-lin,XUYong-de,LI Dong-mei.Discussion of consolidation grouting construction practice[J].Henan Water Resources and South-to-North Water Diversion,2007(3):27-28.(in Chinese))

[32]罗居剑.垂直防渗技术在土石坝除险加固工程中的应用和设计优化[J].水利与建筑工程学报,2012,10(2):111-116. (LUO Ju-jian.Application and optimal design of vertical anti-seepage technology in rehabilitation engineerings for earth-rock dams[J].Journal of Water Resources and Architectural Engineering,2012,10(2):111-116.(in Chinese))

A review of vertical anti-seepage reinforcement measures for earth and rockfilled dam

PANG Qiong1,WANG Shi-jun1,2,GU Yan-chang1,2,ZHANG Yun-bao3
(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China;2.Dam Safety Management Center,Ministry of Water Resources,PRC,Nanjing 210029,China;3.Tibet Manla Water Conservancy Bureau,Jiangzi 857400,China)

There are a large number of earth and rockfill dams in China.Seepage problems are easy to cause dam diseases or dangers,which seriously endanger the safety operation of the earth and rockfill dams.In recent years, our government is comprehensively carrying out a series of reinforcement measures to solve various problems of dangerous reservoirs and dams.As the result of the outstanding seepage control effect,different kinds of vertical anti-seepage reinforcement measures are widely used in many practical engineering projects.By collecting reinforcement information of the dangerous earth and rockfill dam,carrying out field investigation analysis and referring to a large number of relevant literatures,common vertical anti-seepage reinforcement measures for the earth and rockfill dams are mainly summarized as grouting,cut-off wall,geosynthetic materials technology and others.In this paper,the history and the development of each vertical anti-seepage reinforcement measure are described in detail.And the seepage control design principles,the seepage control mechanism and the construction technology for each vertical anti-seepage reinforcement measure are also analyzed in detail.Characteristics of each vertical anti-seepage reinforcement measure,such as the thickness of impervious body,the depth they can process, their seepage control effect,the engineering construction situation,the impacts on environment,their investment cost,the suitable stratum they can be applied to,the work efficiency of the project construction and so on,are compared and analyzed for the purpose of studies of their applicability.By the above analysis,in order to choose a proper vertical anti-seepage reinforcement measure for a specific earth and rockfill dam project,the topography and geological conditions in dam foundation,the difficulty of construction,the impacts on the environment,the investment cost and many other factors should be taken into consideration comprehensively.

dangerous reservoirs;earth and rockfill dam;vertical anti-seepage reinforcement measures;seepage control mechanism;reinforcement;applicability

TV698

A

1009-640X(2014)04-0028-10

表5 土石坝垂直防渗措施比较一览表
Tab.5 Comparison list of vertical anti-seepage reinforcement measures for earth and rockfilled dams

措 施 防渗体厚度 处理深度 适用性 防渗效果 工程施工 环境影响 投资造价 适用地层 工 效静力填充灌浆 10～20 cm 30(15)m适用于中、低水头的均质坝和心墙坝不允许产生新裂缝,很难充填所有隐患点,形成不了连续泥墙防渗体,效果不大理想灌浆过程中存在可灌性问题无须泥浆护壁 低 坝基强透水层 高灌浆劈裂灌浆 10～50 cm劈入地基有效深度约为坝高的1/2(坝高超过50 m)适用于宽、窄心墙坝,还可应用到湿陷性黄土宽顶坝、沙坝等;低、高水位都能进行,可劈裂坝体、坝基能形成竖直连续防渗帷幕,不留隐患、适应变形,效果显著可就地取材施工简便,工期短无须泥浆护壁低(约为50元/m2)适用填筑质量差或存在大量隐患的土坝及浅层沙性土、黏性土坝基高高压喷射灌浆 80～270 cm 70(40)m适用地层范围较广,处理深度大,运用形式机动灵活,不能入岩防渗效果较好,连接可靠;墙体厚薄不均,深处易出现缩颈、分叉;成墙不直观,缺少快速可靠检查方法较好的可灌性和可控性,且节省灌浆材料;场地要求不高,占地少;受人为因素影响较大,施工经验性强无须泥浆护壁,但溢出浆液多较高(沙砾石层约为200～350元/m2,卵砾石层约为450～650元/m2)除含较多的漂石或块石土层须经现场试验确定其适用性外,其他均可(包括软弱土层,人工填土,还有砂类土、黏性土、黄土和淤泥等地层) 80～100 m2/d混凝土防渗墙70～130 (80)cm 80(50)m适用地层范围广,实用性强,处理深度大安全可靠,成墙直观,厚度均匀,整体性好,防渗效果好,检测方便;接缝质量好坏直接影响墙体质量施工噪音低,振动小;设备体积大,需较宽阔的施工平台(5～7m);造孔成槽对大坝稳定有不利影响浆护壁 较高 各类地层 120～150 m2需要泥/d深层搅拌防渗板墙 20～30 cm 22(15)m用于处理坝体、坝基和坝体的接触面以及坝基浅层渗漏通道,不能伸入硬土层墙体垂直度、成墙效果好;20 m以内软土地基,防渗效果有保障,在中低土石坝中竞争力较高施工简单材料浪费少无须泥浆护壁 低100～150 m2/d防渗墙黏土、砂土、粉质黏土、小于0.05 m的砂砾层、淤泥土层;当有机质含量较高,酸碱度较低(pH＜7)及地下水有侵蚀性时,试验确定其适用性振动沉模防渗板墙30(8～25)cm 20 m对卵石含量高的厚地层沉入困难,不能沉入基岩和大块石中整体板墙的连续性、完整性好,防渗效果好造槽、护壁、灌注一次连续成墙的新工艺。需要泥浆护壁 较低用于砂、砂性土、黏性土、淤泥质土及砂砾石地层高冲抓套井回填防渗墙单排110～120 cm 30 m内 坝体防渗,部分重要堤防渗漏防渗效果好,直观性强,通过井下检查可及时发现问题进行处理,确保安全机械设备简单,施工方便,工程量小无须泥浆护壁35元/m2) 砂砾石层 高,40～50 m2低(30～/d倒挂井防渗墙70～140 cm 50 m适用于坝体渗透量不大,水库能放空或水头不大时防渗效果显著,适应抗震要求利用圆井土拱作用,土压力小,施工安全度高;工程量小,工艺较简单,相应设备易解决;单井接缝多,施工条件差,劳动强度大无须泥浆护壁造价比钻孔混凝土防渗墙低砂卵石层 较高土工合成材料防渗技术垂直铺土工膜0.5～2.0 mm 12 m广泛应用于江河堤坝和地基防渗工程中防渗材料防渗效果好,柔性好,适应土体变形且易于施工,耐腐蚀,不怕鼠、獾、白蚁等破坏;寿命长,在地下良好的保护状态下,其工作寿命至少在30年以上重量轻,运输量小,铺设方便,设备少,容易保证施工质量;开槽机械结构简单、操作方便、机理明确需要泥浆护壁低(16元/ m2左右)透水、松软土层以及粗粒粒径不超过5 cm的土层和下游不厚的砂层高

2014-01-03

国家国际科技合作专项(2011DFA72810);南京水利科学研究院重点基金项目(Y713007)

庞 琼(1987-),女,陕西宝鸡人,博士硕究生,主要从事大坝安全管理研究。E-mail:pqnhri@126.com

(附1)