土石坝除险加固方案比选研究

罗东翔 王 冬

（辽宁省东水西调工程建设局 辽宁 沈阳 110003）

针对目前全国兴起的中小型水库除险加固问题，结合浙江省某除险加固工程，对除险加固方案进行了研究，以期对中小水库的除险加固给予借鉴。

1 坝体概况与除险加固必要性

根据钻探及试验等有关资料，将坝体分为Ⅰ层:砂卵砾石，Ⅱ层：含砾砂粉质粘土、粘土，Ⅲ层：含砾砂粉质粘土。

Ⅰ层为坝体填筑砂卵砾石。Ⅱ层为心墙，主要为含砾砂粉质粘土、粘土，勘探表明，心墙左坝段高程105 m～110 m以上，右坝段高程111 m～115 m以上，现场注水试验测得渗透系数达2.47×10-3cm/s～1.46×10-3cm/s，须进行防渗处理。左坝段高程105 m～110 m以下和右坝段高程111 m～115 m以下，现场注水试验渗透系数普遍达10-6级。Ⅲ层为副心墙，主要为含砾砂粉质粘土。现场注水试验得渗透系数一般K=2.09×10-6cm/s～4.60×10-4cm/s，属弱透水性。现场注水试验表明，心墙与基岩接触段渗透系数一般K=2.81×10-6～1.24×10-4cm/s，属微～中等透水性；Ⅲ层填土接触段渗 透 系 数 一 般K=2.20×10-6cm/s～8.64×10-4cm/s，属微～中等透水性。根据压水试验，基岩段渗透系数一般10-3～10-4级或q=4.5Lu～13.3Lu，属微～中等透水性。两岸与河床表部（基岩面以下一般5 m～18.5 m）存在（绕）坝基渗漏问题，须进行防渗处理。

综合以上分析，建议对主坝进行防渗加固处理、护砌整修。

2 主坝防渗加固方案比较

根据本工程的特点及《初步设计审查会专家组评审意见》，坝体防渗加固考虑采用C 25混凝土面板、坝面防渗土工膜、坝体混凝土防渗墙以及粘土套井防渗墙等方案。

2.1 加固方案介绍

考虑目前该水库因供水需要不能放空水库，对大坝进行加固处理等情况，选择坝腰混凝土防渗墙结合C 25混凝土面板防渗加固、坝腰混凝土防渗墙结合坝面复合土工膜防渗加固、坝顶混凝土防渗墙防渗加固、粘土套井防渗墙加固等四个方案进行比较。

(1）坝腰混凝土防渗墙结合C 25混凝土面板防渗加固

为了满足下游水厂的供水要求，该水库在施工期必须保证110.00 m的供水水位（已考虑施工期非汛期洪水）。混凝土防渗墙设置在坝腰，主坝上游平台桩号坝上0-028.0 m，高程111.60 m处。混凝土防渗墙上部111.60 m～125.20 m坝面设置C25混凝土面板，面板厚0.3 m，防渗墙顶部设C 25混凝土头墙与C 25混凝土面板相接，两岸与C 25混凝土趾板连接，形成完全封闭的防渗系统。面板以下设置水平宽4.0 m的垫层，垫层底部布置有软式透水管，以排泄面板以下的渗水。两岸防渗墙和趾板施行帷幕灌浆。

（2）坝腰混凝土防渗墙结合复合土工膜防渗加固

坝腰混凝土防渗墙设置在主坝上游平台桩号坝上0-028.0 m，高程111.60 m处。混凝土防渗墙上部111.60 m～125.20 m坝面设置复合土工膜，选用200 g/0.5mm/200 g两布一膜复合土工膜，土工膜的防渗系数为10-11cm/s。防渗墙顶部设C 25混凝土头墙与复合土工膜相接，两岸与C 25混凝土趾板连接，形成完全封闭的防渗系统。复合土工膜以下设置0.2 m无砂混凝土垫层，防渗墙施工平台布置有软式透水管，以排泄土工膜以下的渗水。两岸防渗墙和趾板施行帷幕灌浆。

（3）坝轴线混凝土防渗墙加固方案

坝轴线混凝土防渗墙防渗加固方案，就是先将坝顶以下1.73 m的坝体挖除，防渗墙施工平台设在高程124.40 m，防渗墙轴线与坝轴线重合，防渗墙打穿坝体嵌入弱风化基岩，防渗墙底部落在原粘土心墙截水槽内，防渗墙左右两岸设置混凝土岸墙与坝基紧密连接。待防渗墙施工结束后再继续将坝体挖除至123.50 m，高程123.50 m以上部分按原设计断面进行回填，防渗墙顶部，头墙与上游防浪墙相接，深埋在粘土防渗心墙内，形成封闭的防渗系统。

河床部位的防渗墙墙底已嵌入弱风化基岩，粘土心墙与坝基接触带已被切断，因此不需要再进行灌浆处理，两岸防渗墙墙底部进行帷幕灌浆，并与左岸溢洪道帷幕相连。

（4）坝顶粘土套井防渗墙加固方案

粘土套井防渗墙中心线位于主坝坝轴线上，为了增强防渗效果，设置双排套井，套井直径为1.2 m，排距和孔距均为0.85 m，施工回填顶高程为126.0 m，要求套井底部位于相对不透水层以下4 m，套井回填的最大深度为25.0 m。原主坝压力涵管部位，需要设置三排套井。施工时须根据被换置土的状况，增设加强孔，以加厚防渗墙的厚度，满足防渗要求。帷幕灌浆须在套井施工前进行。

各方案的工程量和投资计算对比参见表1。

2.2 加固方案比较分析

坝腰混凝土防渗墙结合C 25混凝土面板防渗加固方案的优点是防渗处理彻底，可靠性和耐久性高，运行管理方便。缺点是可比性投资为1400万元，投资最大，需降低水位施工，施工期对水库运行影响较大，施工工序复杂、难度大。

表1 主坝加固方案比较投资汇总表 单位：元

坝腰混凝土防渗墙结合复合土工膜防渗加固优点是，可比性投资1218万元，投资适中，施工较为简单。缺点是需降低水位施工，施工期对水库运行影响较大，防渗复合土工膜修补较难，运行管理不方便，施工工序较为复杂。

坝顶混凝土防渗墙加固方案，防渗墙位于粘土心墙中部，原填筑质量较差的粘土心墙均被防渗墙墙体穿过，且防渗墙底部位于心墙截水槽并嵌入弱风化基岩，防渗处理彻底、完整，坝体以及坝体与坝基接触带、坝基薄弱带的渗漏缺陷均已得到加固，可靠性和耐久性较好，可比性投资为1108万元，投资较小，施工工序少而简单，以后的运行管理方便，不需要降低水位施工，对水库运行影响最少。

坝顶粘土套井回填防渗墙加固方案，粘土套井防渗墙位于心墙中部，原填筑质量较差的101 m以上的粘土心墙土被取出，由套井粘土进行置换，套井处理的最大深度25.0 m。坝体与坝基接触带及基岩薄弱带的渗漏缺陷采用帷幕灌浆进行处理。帷幕灌浆采用单排，深入基岩不透水层，孔距2.0 m。套井底部与帷幕灌浆起始面之间有12 m左右区域无法进行防渗处理，不能形成完全封闭的防渗整体，防渗处理不彻底，可比性投资为614万元，投资为最少，但施工工序较复杂，为避免施工过程的坍孔，必须降低水位至101.0 m左右施工，对水库运行影响较大。

鉴于以上原因，经比较和分析后综合考虑，推荐坝轴线混凝土防渗墙加固方案，对主坝防渗体及坝体与坝基接触带进行除险加固。

3 主坝除险加固选用方案结构布置

主坝为粘土心墙坝，坝高38.5 m。坝顶高程126.20 m，坝顶长度210.0 m，坝顶宽5.0 m，最大坝底宽度184.01 m，坝顶上游防浪墙顶高程127.30 m。

根据防渗墙施工要求，先挖除坝顶以下1.73 m的坝体至高程124.40 m（开挖过程中若发现坝顶部位裂缝存在，则须局部加深开挖），进行防渗墙的施工工作。待防渗墙施工结束后继续挖除坝体至123.50 m。高程123.50以上部分按原设计断面进行回填。混凝土防渗墙轴线位于坝轴线处，墙顶高程为125.20 m（防渗墙施工平台高程124.40 m，墙体施工结束后，顶部0.80 m需凿除），墙底深入弱风化基岩0.5 m以上，最大墙深为41.80 m，墙体厚度0.8 m。防渗墙顶部凿除后在高程123.50 m以上浇筑高1.5m、厚0.8m的C20混凝土矩形头墙，头墙左侧与防浪墙相连接。

防渗墙两岸分别设长度为10 m的C20混凝土岸墙。岸墙采用重力式结构，岸墙与防渗墙采用矩形嵌入式连接，中间设止水，岸墙下游及顶部均填筑防渗粘土。

防渗墙两岸必须进行帷幕灌浆，灌浆范围左、右岸各考虑50 m范围。灌浆孔布置1排，孔距2.0 m，帷幕伸入相对不透水层5 m。

上游坝面均铺设0.1 m厚碎石垫层及厚0.3 m的块石护坡，下游坝面铺设0.1 m厚碎石垫层及厚0.3 m干砌条石护坡，并进行适当绿化。

原坝顶防浪墙拆除后，需新建防浪墙。新建防浪墙采用C20混凝土结构，“L”形断面，墙底高程124.70 m，墙顶高程127.30 m，防浪墙高2.6 m，高出坝顶1.1 m，底板宽2.6mm。防渗墙底板与防渗墙头墙间设止水铜片。坝顶考虑交通要求，采用C20混凝土路面，混凝土厚0.2 m，下设0.5 m厚的二道灰土垫层。

4 结语

大坝防渗加固处理的目的是截断坝体和接触段的渗漏通道，加固大坝的防渗体。对四个方案进行了详细阐述，并根据主坝防渗加固具体情况从工程量、施工工序难易、防渗处理效果，可靠性和耐久性、经济效益以及对水库的影响尤其是供水需求等多方面进行系统分析和比较，推荐坝轴线混凝土防渗墙加固方案对主坝防渗体及坝体与坝基接触带进行除险加固。

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