扬州市小型水库除险加固中大坝防渗处理设计探索

2017-01-11索真真于宽畏

水利规划与设计 2016年8期

关键词：土工膜扬州市除险

索真真，于宽畏，严峻

(1.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏扬州 225007; 2.仪征市水务局，江苏仪征 211400)

扬州市小型水库除险加固中大坝防渗处理设计探索

索真真1，于宽畏1，严峻2

(1.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏扬州 225007; 2.仪征市水务局，江苏仪征 211400)

扬州市中小型水库均为匀质土石坝，其除险加固的重点与难点在于坝身的防渗加固。在水库除险除险加固中要为每一座水库大坝的防渗加固采用合适的设计方案，使之合理、经济。

水库;土石坝;防渗;方案比选

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.040

1 基本情况

扬州市境内在册小型水库共61座，其中长江流域35座，淮河流域26座。在册小型水库中小(1)型水库13座，均分布于仪征市(马集镇4座、陈集镇3座、谢集镇2座、刘集镇2座、大仪镇1座、青山镇1座);小(2)型水库48座，分布在仪征市33座(谢集镇7座、马集镇6座、月塘镇5座、大仪镇4座、青山镇4座、刘集镇3座、陈集镇2座、新城镇1座、真州镇1座)、邗江区11座(甘泉镇7座、杨庙镇3座、槐泗镇1座)、维扬区2座(西湖镇)、高邮市2座(青山镇)。单库主体建筑物有:均质土坝、灌溉引水涵洞、补水涵洞、溢洪道(闸)等。61座小型水库总库容约6378万m3;总兴利库容2468万 m3;总调洪库容4008万 m3;总集水面积 251km2，占扬州市丘陵山区面积1086km2的23.1%;总灌溉面积18.1万亩，占扬州市丘陵山区灌溉面积78万亩的23.2%;总保护面积93km2;扬州市境内有中型水库一座，为月塘水库，位于仪征市西郊丘陵山区，集水面积35.5km2，总库容1549万 m3，设计灌溉面积3.2万亩。

水库在防洪安全、农业灌溉、水生态环境改善、水资源供应、水景观提升等方面均发挥了重要的作用，目前随着国家新一轮中小型水库除险加固工程的实施完成，水库的防洪保安能力、蓄水灌溉能力、水库整体环境等均大大改善，外貌焕然一新。

扬州市中小型水库均为碾压式土石坝结构，初建于上世纪五六十年代，多年运行后水库均存在较多的安全隐患。自2004年以来，笔者全过程参与扬州市水库安全鉴定以及后续除险加固设计，在省、市各级专家指导下，结合水库实际情况，对不同水库采取了不同的大坝防渗处理措施，并进行了总结归纳。

2 水库大坝防渗加固要点

水库的除险加固是一项利国利民的措施，可充分发挥水库的各种功效，促进国民经济发展和人民生活水平的提高。因此，实施水库除险加固工程是非常必要和迫切的。

提高水库防洪标准主要内容包括加高培厚大坝、翻扩建、增建溢洪道、修建灌溉涵洞、对水库采取防渗、导流排水等措施。其中解决好防渗问题是提高水库工程质量的重点及难点。

扬州市水库大多建设年代久远，初建时的工程建设水平普遍低下，此类土石坝的最大隐患是坝体填筑质量达不到设计要求，坝身、坝基存在空隙等。因此提高坝体和坝基密实度是解决此类水库防渗安全问题的首要课题。就扬州市匀质土石坝的防渗而言，主要除险加固原则如下。

(1)控制土石坝坝体及坝基渗流渗径、渗流坡降、渗水量等，使其均满足规范要求;

(2)根据水库的防渗加固原理，坝体防渗措施主要是“前堵、中截、后排”，而坝基为“前延、中截、后压排”，防渗加固总体要遵循上述原则，采取的防渗措施一般要建设在水库的上游位置。

(3)地质条件差、初建情况施工质量差、现状条件复杂的水库大坝，采用单一的技术措施往往难以奏效，即使勉强采用安全系数较高的加固方案也不经济，应应地制宜的采用多种防渗方法结合的措施，结合起来使用从而发挥各自优势;

(4)根据水库的建设特点，水库的施工一般应在一个枯水期建设完成，避免对水库的蓄水、灌溉、防洪造成不必要的影响，影响水库效益的发挥。

3 水库大坝防渗加固措施方案介绍

土石坝防渗加固措施一般可分为垂直防渗与水平防渗两大类。就扬州地区平原、小型丘陵地区水库的特点，垂直防渗是较为常见的防渗措施。该措施相对水平防渗措施，截流效果更显著，施工更为方便。下面就扬州市水库加固过程中常用的几种垂直防渗措施进行详述。

3.1 劈裂灌浆

劈裂灌浆在扬州水库除险加固中有着较为悠久的历史，也是本地区使用最为广泛的防渗处理措施。该方法是利用灌浆压力的作用，将坝体有控制的劈开，使浆液在坝体内形成一个连续的浆体防渗帷幕，同时通过浆液对水库坝体的挤压、充填、固结作用，可以调整水库土石坝内部的应力分布状态，提高局部土区的应力，从而做到恢复坝体的应力平衡，满足防渗功能的同时也可对大坝稳定起到一定作用。

受限于水库初建时的建设水平，本地区水库普遍存在压实不到位、坝体填筑质量较差、渗透系数较大、坝后渗透管涌严重等问题。设计时根据劈裂灌浆的基本原理和当地多年水库加固的实践经验，制定了灌浆设计方案，主要是要解决坝体、坝基的渗流存在问题，灌浆一般采用粘土浆。就灌浆孔而言，局部为达到预期效果，适当增加灌浆孔的密度及深度，对坝体内部的空隙位置、压实不足位置需进行灌浆封闭，一般要求泥墙施工后厚度达到5～20cm左右。

浆液的选择是保证工程加固质量、设计方案经济合理的重要因素，浆液的选择直接影响着浆液的成墙效果、固结速率、墙体强度等。应根据粘土实际情况，进行必要的试验确定合适的水泥掺入量，根据本地区土质特性，一般水泥掺入量在10%～20%之间较为合适，同时为提高泥浆流动性也可掺入少量的水玻璃，最终浆液比重控制在1.4～1.65左右为宜。

3.2 压密灌浆

压密灌浆是在水库的上部利用较高的压力向坝体内部灌入一定浓度的水泥浆或其他浆液，使坝体内部密实从而起到防渗效果的一种措施。施工时先采用钻孔机械，将注浆管施工到预定高程，然后用高压泥浆泵将浆液通过喷嘴喷射出来，对坝体内部进行冲击，使土粒在喷射浆液的冲击力作用下，与浆液形成搅拌融合，并按一定的质量大小和浆土比例重新排列。待浆液凝固后，土内就形成一定形状的密实固结体。

压密灌浆开始时浆液一般直接填充较大的空隙，充填完成后在压力的作用下渗入较小土体孔隙。压力作用下土层孔隙水压力升高并挤压周围土体，土体内部会出现剪切裂缝，浆液随着裂缝进行扩散充填，形成浆脉，最终使得土体内部形成密实的网状骨架结构。

本措施浆脉在形成过程中占据了土体中一部分空间，加上土层内大小孔隙均被浆液所渗透，构成了新的土体、浆脉复合地基，改善了土体的强度和防渗性能，同时也改变了土体物理力学性质，起到密实土体的作用。该法尤其适用于坝体局部存在较大孔洞、或因为白蚁危害等外力原因破坏形成的孔洞。

3.3 深层搅拌连续墙

深层搅拌法是利用水泥等材料作为固化剂的主剂，通过专用的深层搅拌机械，在坝基、坝身位置就地将不密实土体和固化剂进行充分搅拌，利用固化剂和软土之间产生的一系列物理、化学反应，重新组合成具有整体性、稳定性和一定强度的土体，从而起到类似防渗帷幕墙的作用。深层搅拌法有湿法、干法两种方式，根据多年工程实践经验，干法施工时搅拌不均匀，在安全要求较高的工程上，干法施工一般不建议采用，一般以湿法工艺为主。

就本地区水库除险加固而言，深层搅拌工艺一般采用多头小直径搅拌或套打搅拌桩，工程建设完成后可形成一道厚度0.3～0.6m的“帷幕墙”，该法施工简便且防渗效果较为直接。

3.4 防渗膜加固方式

近年来，土工膜越来越多的被利用于水利工程中，就水库大坝而言最常见的是垂直铺设防渗土工膜进行防渗，其基本原理是:首先用泥浆泵冲、挖掘机挖等在需要防渗的位置中垂直开出槽孔，并对其采用泥浆护壁，然后将与槽深相当的土工膜整齐的铺入槽内，土工膜展开铺设，相邻两幅之间可采用胶接的方式连接，最后进行膜两侧及上部的填土，为保证防渗效果以及保证对防渗膜的保护，在膜顶部回填粘土，厚度不小于1m。上述防渗措施完成后接着回填与原筑坝材料相同的土料，待其沉降稳定后，往槽内继续填土压实;待土工膜出槽后，在建筑物位置将其与建筑物的防渗体系连接，使其防渗交圈。与建筑物连接处，土工膜应留有足够的沉降富余长度，防止建筑物变形时拉断土工膜。土工膜防渗顶的高程一般高于最高洪水位以上，具体根据水库的等级及水库的实际情况按规范要求计算确定。

3.5 混凝土防渗墙

混凝土防渗墙是沿水库坝身纵向布置的紧密结构防渗体。施工时先在水库坝身迎水侧连续造孔，以泥浆固壁，最后往孔内灌注混凝土而建成的混凝土墙。该垂直防渗处理方案在松散透水结构中最为直接、有效。

防渗墙一般分段建造，可分多个圆孔或多个槽孔浇筑，各段连成一道整墙。墙的两端与岸边的防渗设施连接，底部嵌入相对不透水地层中一定深度或满足防渗渗径要求。

具体设计时依据水库大坝的建设情况、工程地质与水文条件情况，结合水库大坝上建筑物的衔接要求，确定墙轴线位置、选用墙体材料，初步选定墙厚等;然后进行坝身渗流及墙体结构应力计算，最终确定墙厚和墙体与防渗体连接等细部设计。

防渗墙混凝土一般具有较高的强度、较高的抗渗性能、较低的弹性模量，其防渗效果彻底，但成本较高。在本地区实际使用中，考虑性价比、材料性能后，使用最多的是塑性混凝土防渗墙。