防渗灌浆在小水库除险加固中的应用
2015-02-10陈生东吉浩源
陈生东 吉浩源
（桐柏县水利局，河南 桐柏474750）
1 工程概况
老虎冲水库位于淮河流域出山店河支流上，在河南省桐柏县城东的月河镇，属淮河流域。该水库于1956年2月动工兴建，1957年11月竣工。坝址以上控制流域面积2km2，干流长2.9km，平均比降0.045，水文分区为Ⅰ区。水库上游属浅山丘陵区，流域内植被较好。水库大坝为均质土坝，现状坝顶长120m，最大坝高8.1m，坝顶宽2.9m，路面不平，无路沿石及防浪墙。老虎冲水库工程等别为V等，主要建筑物级别为5级，水库原设计防洪标准为20年一遇设计，200年一遇校核，校核洪水位133.94m（黄海高程系），相应库容36.62万m3；设计洪水位133.43m，相应库容28.01万m3；兴利水位131.48m，兴利库容15万m3。
2 坝体渗漏问题情况说明
老虎冲水库河槽部位大坝0+030～0+075段存在坝体渗漏及接触渗漏，高水位时渗水呈明流，渗漏量大。
3 大坝坝体防渗方案比较
大坝防渗是本次老虎冲水库除险加固的一个关键点，根据坝体、坝基岩土和水库运行中出现的问题，大坝防渗控制应采用垂直防渗措施。设计采用坝体充填灌浆、坝体高喷防渗强与水泥搅拌桩三种方案进行综合比较，择优选用。
3.1 坝体充填灌浆
结合大坝整治工程，对大坝进行充填灌浆处理，并将充填灌浆向下深入基岩1.0m，以加固坝体，截断接触渗漏，减小坝体坝基渗流量。
灌浆范围为大坝桩号0+030～0+075，灌浆段长40m。灌浆孔双排布置，上下游灌浆孔分别布置在新坝轴线上、下游0.75m处，排距1.5m，单排孔距1.5m，共78孔。灌浆顶部高程设计为坝基面以上4.0m，最高到风化砂开挖高程,底部至坝基面以下1.0m。充填灌浆采用2:8水泥粘土浆,水泥采用42.5#水泥。
3.2 坝体高喷防渗墙
根据箭杆冲水库工程实际，高压旋喷采用三管法比较经济，工效高，单排孔高喷形成的桩墙厚度可满足防渗要求。高喷灌浆施工工艺参数初步设计如下：
灌浆压力：水压25.0～30.0MPa，气压0.7～0.8MPa，浆压0.2～0.3MPa。
灌浆流量：水量75～80L/min，气量1.0～1.2m/min，浆量60～80L/min。
旋转速度10r/min，提升速度10cm/min，喷嘴直径8mm。
灌浆材料采用42.5普通硅酸盐水泥粘土浆，水泥与粘土质量比为1:1。
设计沿新坝轴线布置一排高喷灌浆孔，间距0.8m，灌浆范围为大坝桩号0+030～0+075，灌浆坝段长40m，共78孔。高喷墙顶部坝基面以上4.0m，底部至坝基岩面。
3.3 水泥搅拌桩防渗墙
结合坝顶风化砂防渗处理，设计采用水泥搅拌桩截断接触渗漏及坝体渗漏，以加固坝体。水泥搅拌桩防渗墙设计范围为大坝桩号0+ 000～0+120，搅拌桩顶部高程设计为133.62m，桩号0+000～0+030段底部高程为风化砂下1.0m，桩号0+030～0+075段底部高程为坝基面下1.0m，桩号0+075～0+120段底部高程为强风化基岩面。
水泥搅拌桩初始设计水灰比为2:1，施工前先做先导孔试验，结合工程地质条件，机械设备和现场试桩具体情况，确定施工采用工艺参数及水泥掺入比。
根据水泥土搅拌桩防渗墙和先导孔试验经验，结合工程地质条件，机械设备和现场试桩具体情况，确定施工采用工艺参数及水泥掺入比。初步设计建议值如下：
①桩径5000mm，桩心距320mm（最佳搭接墙厚383mm）；
②钻进及提升速度V=0.288～1.96m/min；
③输浆压力：P=0.25～0.3MPa；输浆管压力P=0.2～0.25MPa；
④注浆量：30～65L/min；
⑤水泥掺入比：16%；水泥掺量43kg/m3；
⑥水灰比：0.5～0.55；
⑦钻头直径500mm；
⑧桩体渗透系数＜1×10-5cm/s。
3.4 三种方案比较
两种方案的优缺点及经济比较见下表。
表1 大坝防渗方案比较表
方案一采用坝体充填灌浆，具有可灌性好、机动灵活、投资少、施工方便等优点，但施工速度慢，工程耐久性查。方案二采用高压旋喷防渗墙，截渗处理比较彻底，但造价高，施工机械、电力要求高，且各旋喷柱体间连接质量不可靠。方案三采用水泥土搅拌桩防渗墙，施工工期短、造价低廉、实用可靠，对本工程可同时解决风化砂防渗问题。
经综合比较，本次箭杆冲水库除险加固采用方案三，即水泥搅拌桩防渗墙方案进行大坝防渗处理。
4 大坝防渗设计
通过方案比较，坝体防渗加固采用水泥搅拌桩防渗墙设计，具体设计参数参上节。
质量检验主要采取两种方法：（1）钻芯取样。从开挖外露的桩体中凿取试块或采用岩芯钻孔取样，钻孔直径不宜小于108mm，直接测定桩身强度，观察搅拌均匀程度，并做压水试验，测量桩体渗透系数。（2）开挖检验。在工程桩养护到一定龄期时，选取一定数量的桩体进行开挖，直接检验桩体外观质量、搭接质量及整体性、致密性等。
4.1 加固后大坝结构计算分析
根据箭杆冲水库地质勘探报告，大坝坝体座落于下元古界角闪片岩。结合坝坡整修加固，整修后大坝上游坡度为1:2.2，下游坡度分别为1:2.0、1:2.5，。这里主要针对加固后的大坝，在渗流计算的基础上，进行坝坡稳定复核验算。
在渗流与稳定分析中，计算参数的选取直接关系到计算结果的准确性。
渗透允许坡降允许值由《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001中的公式求得。
式中：[J]——允许渗透比降；J破坏——临界渗透比降；
KB——安全系数（取为2.0）；rs——土的颗粒容重；
rw——水的容重；n——土的空隙率。
利用地质报告中提供的的坝体、坝基土物理参数，根据上两式，可求得坝体填土允许渗透坡降为0.53，坝基土允许渗透坡降为0.52。
4.2 大坝渗流分析
取主河槽部位桩号0＋060断面为典型断面，采用北京理正软件设计研究所的渗流分析软件进行二维有限元计算分析。渗流计算时，该断面除险加固后上游坝坡为1：2.2,下游坡度分别为1:2.0、1:2.5，坝顶宽3.4m，坝高8.2m，基岩为下元古界角闪片岩。大坝上下游及基岩均取1倍坝高。
根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96），大坝渗流计算主要取以下两种情况：
工况I：正常工作条件，正常蓄水位131.48m稳定渗流计算。
工况II：非常工作条件，校核洪水位133.94m骤降至正常蓄水位131.48m时非稳定渗流计算。
渗流计算结果如表2所示。从计算结果看，坝体渗透坡降均小于允许值。
表2 大坝渗流计算成果表
计算工况1时取下游无水，坝坡溢出点高程127.69m，高于下游坝脚1.19m。
4.3 大坝结构稳定分析
根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96），采用北京理正软件设计研究院编制的《理正岩土系列软件——边坡稳定分析程序》，计算方法采用简化毕肖普条分法，浸润线数据采用大坝渗流分析计算结果。坝体填土、坝基土材料参数，均采用饱和固结快剪抗剪指标建议值。
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）的要求，并结合水库的运用情况，稳定分析计算工况为以下两种：
工况I：正常工况，正常蓄水位时形成稳定渗流期下游坝坡稳定；
工况II：非常工况，库水位降落期的上游坝坡稳定；
大坝坝坡抗滑稳定计算结果见表3。
表3 坝坡抗滑稳定安全系数表
根据表2的计算结果看，除险加固后大坝上下游坡在正常、非常工况下抗滑稳定均满足规范要求。工况I的下游坝坡，在正常蓄水位稳定渗流期最小计算安全系数为1.31。工况II的上游坝坡数，在水位降落期最小计算安全系数为1.24。
5 结束语
经多方案比较，本次箭杆冲水库除险加固工程采用水泥搅拌桩防渗墙方案进行大坝防渗处理，该方案安全可靠，合理可行，现已得到批复，工程正在建设中。目前，此项工程设计已在桐柏县同类水库除险加固工程中推广应用。
［1］SL55-2005中小型水利水电工程地质勘察规范[S].
［2］SL31-2003水利水电工程钻孔压水试验规程[S].
［3］SL345-2007水利水电工程钻孔注水试验规程[S].
［4］SL258-2000水库大坝安全评价导则[S].
