垅头水库大坝防渗加固方案选择分析

2014-08-15林文锋福建省安溪县水利局

河南水利与南水北调 2014年14期

□ 林文锋（福建省安溪县水利局）

1 水库概况

垅头水库位于安溪县城厢镇墩坂村，属晋江西溪英溪支流，水库大坝工程于1955年9月动工兴建，1959年10月建成。水库坝址以上流域面积0.84 km2，总库容34.40万m3。是一座以灌溉为主，结合养殖等综合效益的小（2）型水库。大坝坝型为均质土坝，最大坝高为10.50m，坝顶长137.00m，坝顶宽9.00m。

2 大坝渗漏问题及原因分析

2.1 存在问题

2012年4月，经安溪县水利局组织的有关专家鉴定，垅头水库大坝为三类坝，坝体存在渗漏问题。根据钻孔注水试验及室内渗透试验统计成果分析，坝体填筑土具弱～中透水性，其渗漏部位主要集中在坝体中部标高19.50～25.00m处，结合现场勘查资料，迎水坡混凝土面板局部破损，背水坡中部过坝渠道高程以下大面积湿坡，有多处集中渗水，且随水位升高而增大，需进行坝体防渗处理。

2.2 原因分析

2.2.1 历史原因

工程建设时期处于“大跃进”阶段，工程建设存在边勘测、边设计、边施工，施工阶段停停续续，造成了一些工程质量问题，工程建设严重存在先天不足。

2.2.2 地质原因

填筑土室内垂直渗透试验和水平渗透试验显示，垂直渗透系数为3.66×10-5 cm/s～3.02×10-4 cm/s，平均值为K＝9.15×10-5cm/s；水平渗透系数为 3.65×10-5 cm/s～5.12×10-4cm/s，平均值为K＝1.77×10-4cm/s。同时在现场对坝身填筑土进行注水试验，压水试验在弱风化岩进行，结果表明：填筑土渗透系数为2.18×10-5～5.39×10-4 cm/s，渗透系数算术平均值为K=5.77×10-5cm/s；残积砂质粘性土渗透系数为3.62×10-5～5.09×10-5cm/s，渗透系数算术平均值为K=5.09×10-5cm/s；强风化英安质晶屑凝灰熔岩渗透系数为3.15×10-4～5.78×10-4cm/s，渗透系数平均值为K=4.83×10-4cm/s；弱风化英安质晶屑凝灰熔岩吕荣值2.70～3.15 Lu,平均值为2.92 Lu，吕荣值＜10 Lu。上述试验表明填筑土属弱～中等透水层，渗透系数低于规范的规定。

坝体填筑土为粉砂质粘性土，为可塑状，干密度ρd值为1.50～1.71 g/cm3，为室内击实试验（轻型）成果值的90.90%～100%，压实度大部分偏低，低于规范要求。

2.2.3 渗流原因

垅头水库大坝为均质土坝，渗流计算采用的渗透系数是根据大坝钻探的试验值选用的，渗透系数为3.95×10-4cm/s。计算断面选用大坝最大断面进行计算，按水电部天津勘测设计院编写的“土坝渗流计算程序”计算。

通过土坝渗流的分析，土坝段实际的水力坡降在2.36×10-1～2.76×10-1之间，均小于计算的[J允]=0.66，能够满足设计要求；但从现场检查及日常管理情况来看，大坝背水坡中部过坝渠道高程以下大面积湿坡，有多处集中渗水，且随水位升高而增大；大坝周围存在白蚁活动的痕迹，形成渗水通道，实际渗流量远比计算值大，在造成水资源损失同时，不利于大坝安全。

3 大坝加固方案选择

针对垅头水库大坝存在的问题，根据大坝渗漏原因分析，并结合以往类似工程的实践经验，大坝防渗处理初始拟定两种方案：

方案一：死水位以下部位采用高压旋喷桩、以上上游面铺设土工膜防渗

坝体迎水坡死水位以上水库水位经常降落（高程23.40m以上），采用复合土工膜防渗，并在复合土工膜面设滤层及护面结构；坝体死水位以下(高程23.40m以下)，采用垂直防渗墙进行防渗，垂直防渗采用单管高压旋喷桩固结填料形成防渗体。

垂直防渗墙：高压旋喷桩桩径为600mm，孔距500mm，按单排布孔，孔深应穿过所有填土料层至基础面以下0.50m。平均孔深为2.90m，旋喷桩总长度270m。

上游坡上部防渗及护面结构：上游坝坡上部(高程22.40m以上)防渗采用复合土工膜防渗，拆除现有坝坡块石护面结构，平整压实坝坡，然后铺设复合土工膜（600 g/m2）。护面结构为干砌块石，先在复合土工膜上铺砂、碎石各100mm厚，压实作为垫层，再在碎石垫层上铺干砌块石250mm厚，以防止水位骤降和风浪淘刷及水库漂浮物的撞击破坏。方案一工程投资71.02万元。

方案二：全坝段高压单管旋喷桩防渗结合岩基帷幕灌浆防渗

地基灌浆帷幕顶部与坝体连接，底部深入相对不透水岩层一定深度，以阻止或减少地基中地下水的渗透；与位于其下游的排水系统共同作用，还可降低渗透水流对坝体的扬压力。

高压旋喷桩是高压喷射注浆法地基处理中的一种，就是利用钻机、注浆管、高压泥浆泵等装置，把水泥浆液形成高速喷射流束喷入土体，借助液体的冲击力切削土层，同时钻杆使土体与水泥浆充分搅拌混合凝固，形成桩柱或板墙状的凝结体，用以提高地基防渗或承载能力的施工技术。旋喷桩的特点是：可提高地基的抗剪强度；能利用小直径钻孔旋喷成大直径固结体；施工特点是噪声低，振动小；可用于任何软弱土层，并可控制加固范围；设备较简单、轻便，机械化程度高，更人性化。

此方案沿坝轴线全坝段采用单管高压旋喷桩，桩径为600mm，孔距500mm，按单排布孔，旋喷桩顶高程30.50m，桩底高程应穿过所有填料层至基础面以下0.50m，河床部分最大孔深为11.00m，旋喷桩总长度3407.00m。该方案投资98.64万元。

4 方案比较

方案一防渗效果能满足要求，造价适中，但对土工膜的整体性要求较高，坝坡较陡，死水位处没有平台，施工机械进场比较困难；方案二防渗效果好，耐久性强，可靠性高，但造价比较高；由于坝体填筑质量不均匀，方案二对大坝防渗处理的质量更有保证。综合考虑投资、工艺、质量、使用年限及坝体实际渗漏情况，推荐方案二为坝体防渗加固方案。

5 工程施工

工程施工安排在枯水期，工期5个月。本次防渗加固工程需要天然建筑材料主要为条石块、土料及砂粗骨料。原料来源：石料场：工程区一定范围内没有可供开采利用的石料场分布，附近有简易公路通至大坝区，运输较方便；砂砾石料场：工程区一定范围内没有可供开采利用的天然砂砾石料场分布，工程建设所需的混凝土粗、细骨料建议外购；土料场：位于水库大坝右岸，距大坝500m，分布于山丘表部及低缓的坡脚，土料为坡积粘性土，含砂量约15%，以粘性土为主，有用储量约0.50万m3，开采及运输方便。

按照设计，在坝顶轴线上设置两排布孔。第一排布孔，孔距500mm，桩径600m，轴线总长123.50m；高压旋喷桩底部高程12.00m,顶部高程30.30m,孔深穿过填料层至基础面以下0.50m，最大孔深18.30m。第一排高压旋喷桩总长3407.00m。第二排布孔，孔距500mm，桩径600mm，轴线总长70.00m；高压旋喷桩底部高程12.00m,顶部高程18.30m,最大孔深6.30m。第二排高压旋喷桩总长849.30m。

施工具体操作过程：坝体防渗体高压旋喷桩施工采用100型地质钻机造孔，灌浆采用中压灌浆，灌浆压力≥25MPa，注浆的主要材料为水泥，采用标号42.5及以上的普通硅酸盐水泥，通过单管高压旋喷桩固结填料形成的防渗体，达到大坝坝体防渗的效果。钻孔至设计高程后，即将旋喷管插至孔底，边喷浆边旋转提升，形成由水泥、砂或土形成的固结桩体。

考虑到施工对环境的影响较大，且主要发生在施工期，应做到施工过程中严格控制废水的排放，避免下游水质遭受污染；注意施工人员劳动保护工作；工程完工后，及时清理施工迹地，尽快开展复土、平整、植被恢复工作；做好弃渣场的坡面平整、压实，及时种草植树，减少水土流失。