土石坝防渗技术综述

2017-03-02单良玉刘岩松

黑龙江水利科技 2017年10期

关键词：石坝防渗墙坝体

单良玉，刘岩松

(1.庄河市河道管理处，辽宁庄河 116400；2.庄河市转角楼水库灌区管理局，辽宁庄河 )

土石坝防渗技术综述

单良玉1，刘岩松2

(1.庄河市河道管理处，辽宁庄河 116400；2.庄河市转角楼水库灌区管理局，辽宁庄河 )

渗漏严重是水库土石坝主要病险问题之一，也是引发水库失事的主要原因之一。因此，土石坝防渗技术尤为关键和重要。文章对土石坝的几种防渗技术的特点和适用范围进行阐述、归纳和总结，以供同类工程参考。

土石坝；渗漏；防渗技术

0 前言

土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。土石坝历史悠久，并具有造价低廉、结构简单和施工方便等特点，因此在水利工程中得到广泛的应用。

1 土石坝防渗技术

渗漏严重一直是水库土石坝主要病险问题之一，主要表现为坝基渗漏、坝体渗漏和绕坝渗漏。到目前为止，土石坝防渗技术比较成熟，主要有混凝土防渗墙、高压喷射灌浆、劈裂灌浆、帷幕灌浆、套井回填黏土和土工膜防渗等形式。

1.1 混凝土防渗墙

混凝土防渗墙是利用专门的造孔机械在松散、透水地基中连续造孔，以泥浆固壁，在泥浆下往孔内灌注混凝土，使之成为一整道直立连续的墙形防渗建筑物，用以拦截坝体或坝基的渗漏。该施工技术起源于20世纪50年代的意大利，1958年我国开始研究出一整套混凝土防渗墙施工技术与工艺。随着时代的发展，该技术日趋成熟，在砂层、淤泥层等各类复杂地层中都有成功的工程实例。保雪飞等(2012)研究表明，将灌浆防渗技术与混凝土防渗墙技术结合起来，可以在解决大坝坝基和坝体渗漏问题的同时，还可改善坝体稳定性，且技术安全可行，施工方便。纪少应(2013)以牛角冲水库除险加固工程为例，采用塑性混凝土防渗墙作为大坝防渗方案，防渗墙采用液压抓斗设备“三抓成槽法”施工，具有防渗效果良好、开挖小、施工方便、和造价低等特点。武艳芳(2013)以米茂水库大坝除险加固工程为例，采用塑性混凝土防渗墙作为大坝防渗方案，坝体下游面渗漏潮湿面积明显减少，具有弹性模量低能很好地适应地形的变化、抗压强度不高但防渗效果较好、水泥用量少能降低工程造价、拌和物和易性较好等特点。付海华(2014)研究表明，对比国内通常使用的水泥土搅拌桩截渗墙、高喷灌浆防渗墙、振动插板沉模防渗墙以及刚性、塑性混凝土和钢筋防渗墙等防渗措施，混凝土防渗墙适应各种地质条件能力相对较强。盛斌育等(2015)研究表明，水库大坝的破坏主要分为管涌、流土、接触流土和接触冲刷四类，表现形式主要为渗透破坏和变形破坏。混凝土防渗墙能够适应不同材质的坝体、复杂的工程地质条件和水文条件，但对开裂严重的坝体，采取钻孔管注浆加固措施能够有效增强坝体和坝基的稳固性。综上，混凝土防渗墙可适用于各类复杂地层的基础防渗，也可以用于土石坝的坝身防渗，并具有工艺先进、施工速度快、成墙效果直观、适应范围广、防渗效果好和造价相对节省等特点，但在施工中必须严格保证接缝质量。

1.2 高压喷射灌浆防渗

高压喷射灌浆通过钻探机钻孔，将装有特制合金喷嘴的注浆管下到预定位置，然后利用高压泵喷射浆液，冲击破坏土体，使土粒与浆液搅拌混合，形成一定形状的固结体，固结体相互交接，构成连续防渗帷幕，拦截渗漏，达到防渗目的。高压喷射灌浆技术源于20世纪60年代的日本，现今该技术已广泛用于国内外防渗工程施工中，大多数都是针对软基加固，而在全风化花岗岩地层的防渗工程应用则较少。Ryzhevskiy等(2011)通过对高压喷射灌浆技术的研究表明，高压喷射流能够将土壤和水泥悬浮浆液形成性能很好的固结体，防渗效果较好。该技术在我国虽然起步较晚，但发展较快，应用较广。近些年来，该技术在我国得到了广泛应用和长足的发展，并有一些成功的工程实例。孙开畅等(2006)简述了三峡工程一期土石围堰中采用了高压喷射灌浆防渗技术，施工采用测定孔位、钻孔、下喷射管、制浆和“四管法”喷射灌浆等方法，取得了良好的防渗效果，质量优良。同时，该工程实践为我国在全风化花岗岩中应用高压喷射防渗技术提供了成功的切实可行的典型范例。祁孝珍等(2006)通过对石佛寺水库坝基防渗的施工过程及检测结果进行研究得出，高压喷射混凝土防渗墙能显著提高地基土的抗剪能力，质量有保证，防渗效果好，施工快捷，造价适中，对地下水和环境不会造成污染。张海旭(2011)通过质量检查、有限单元法分析和对坝体进行灌浆后防渗复核表明，南田水库大坝防渗采用高压喷射灌浆防渗技术，防渗效果良好，达到了预期要求，消除了工程隐患。郭晓萌等(2015)针对羽山水库防渗加固几种方案比较分析研究结果表明，高压喷射灌浆防渗措施具有施工程序简单、施工速度快、施工过程不受库水位影响、防渗性能较好和造价适中等特点；混凝土防渗措施具有工艺先进、施工速度快、成墙效果直观和造价相对节省等特点。综上，高压喷射灌浆防渗可广泛适用于淤泥、软弱黏性土、砂土和最大颗粒小于5cm的砂卵石等多种土质，灌浆最大深度不超过50m，具有施工速度较快，防渗效果好、质量可靠性高、施工过程不受库水位影响和造价较低等特点。

1.3 劈裂灌浆防渗

劈裂灌浆采用高压灌浆，将浆液注入土层，改善土层性质，使土体发生剪切裂缝，而浆液则沿着裂缝从土体强度低的地方向强度高的地方劈裂，劈入土体中的浆液固结而成为与坝体牢固结合的防渗墙体，拦截渗漏。劈裂灌浆防渗技术是近20年来我国发展起来的一项土石坝防渗加固新技术，并得到广泛的应用和推广。宋天文等(2010)以工农水库为例，对劈裂灌浆的劈裂孔布置、灌浆压力、灌浆浆液物理力学性能及灌浆时坝坡稳定验算进行了具体分析，得出劈裂灌浆技术能够在不释放原坝体应力的条件下构造竖直连续的浆体防渗帷幕，同时大坝坝体的防渗能力得到恢复或提高。在处理相同问题的情况下，劈裂灌浆技术具有明显的优势。曾斌(2010)以放牛洞水库土坝坝体防渗为例，通过对比灌浆前后的一系列检测资料表明，劈裂灌浆后坝体的渗漏量显著减少，并适合于放牛洞水库均质土坝坝体填土疏松、渗透性强的特点。陈坤(2015)以大坑水库除险加固工程为例，通过对劈裂灌浆防渗技术和混凝土防渗墙技术的比较得出，劈裂灌浆防渗技术施工便捷、设备简单、工程造价便宜和防渗效果显著。综上，劈裂灌浆技术多用于颗粒浆材无法渗入的粉细砂及黏土层中，具有就地取材、施工简单、造价便宜和防渗效果好等特点。

1.4 帷幕灌浆防渗

帷幕灌浆是在一定压力作用下，把浆液压入坝身或坝基内，使浆液充填土体中的空隙，改变原土层的结构和组成，并胶结而成连续的防渗帷幕，用以拦截坝身和坝基的渗漏。20世纪以来，帷幕灌浆作为水工建筑物地基防渗处理的主要手段，对保证水工建筑物的安全运行起着重要作用。A.Uromeihy等(2007)等对阿巴德大坝地基工程地质性能研究表明，选择帷幕灌浆作为大坝防渗方案为最优方案，并对帷幕灌浆技术施工提出建议。赵振等(2003)通过对灌浆过程中的各种数据和灌浆前后坝体透水情况对比分析表明，帷幕灌浆解决板石沟水库坝体渗漏是成功的，防渗达到预期效果。许曼(2010)以鲤鱼冲水库坝体防渗为例，采用帷幕灌浆对坝基进行防渗处理，具有设备简单、工艺经济适用、施工速度快和工程造价较高等特点。综上，帷幕灌浆适用于透水性微弱，局部透水性较强的岩基防渗，具有防渗效果好、施工简单和工程造价较高等特点。

1.5 套井回填黏土防渗

套井回填是利用冲抓机造孔，取出坝体渗漏的土料，然后回填黏土，并用夯实锤夯实，形成一道新的黏土防渗墙。套井回填技术由我国水利从业人员首创，开始于20世纪70年代初期，适用于险堤险坝防渗处理，效果显著。庹进朗等(2007)以迎丰桥水库大坝防渗为例，采用冲抓套井回填黏土防渗墙防渗，与黏土防渗斜墙和倒挂井混凝土防渗墙相比，具有施工便捷、设备简单、工效高、造价低及防渗效果教好等优点，但是在土质松散和浸水地段施工，必须加强安全保障措施，确保人身安全。肖穆光(2014)通过对潭水坪水库主坝防渗的研究，冲抓套井回填黏土具有施工方便、设备简单、投资省和方便检查等优点，工程实施后防渗效果良好，但局限于坝高较小的水库坝体防渗。谢地(2015)通过对粤北山区土石坝渗漏的原因进行分析，并针对该地区某水库大坝坝体防渗进行研究，发现冲抓套井回填黏土防渗最适合该地区土石坝的渗漏除险加固。综上，冲抓套井回填黏土防渗适用于坝高较小的均质坝和宽心墙坝，具有设备简单、施工便捷、料源广、工效高、投资省和防渗效果好等特点。

1.6 土工膜防渗

土工膜防渗是用链条开槽机开槽，垂直铺设土工膜防渗。材料一般以塑料类为主，主要为聚氯乙烯膜(PVC)和聚乙烯膜(PE)。开槽宽度0.17-0.3m，最大开槽深度12m。我国水库大坝土工膜防渗工程自20世纪80年代以来逐渐增多，工程规模逐渐增大，与黏土、混凝土、钢材等水利工程传统建材相比，土工膜作为大坝的防渗构件有较大的发展空间和优势。赖翼峰等(2005)以五二水库除险加固工程为例，应用复合土工膜防渗技术施工，具有造价低、设备少、施工速度快、防渗性能好且能适应坝体变形等优点，具有推广价值，但必须根据工程的具体情况，科学设计，严把材料质量关，精心施工，才能取得较理想的防渗效果。何世海等(2009)以泰安抽水蓄能电站上水库HDPE土工膜防渗为例，采用HDPE膜和聚酯短丝针刺无纺土工布组合防渗层施工方案，具有造价低、工期短和防渗效果好等特点。综上，土工膜防渗适用于砂性土地基，具有优质、经济、可靠、施工方便、适应变形能力强和较好的不透水性。