杨湾桥水库均质土坝除险加固防渗处理

张远坤，鲁丽霞，杨 兰

(1.贵州众诚天河水利工程有限公司，贵州 贵阳 550003；2.毕节市勘测设计研究院， 贵州 毕节 551700；3.西安理工大学 水电学院，陕西 西安 710048)

杨湾桥水库均质土坝除险加固防渗处理

张远坤1，鲁丽霞2，杨 兰3

(1.贵州众诚天河水利工程有限公司，贵州 贵阳 550003；2.毕节市勘测设计研究院， 贵州 毕节 551700；3.西安理工大学 水电学院，陕西 西安 710048)

杨湾桥水库存在坝体和坝基、坝肩渗漏及坝体塌坑等问题.经坝体质量评价和渗漏钻孔注水试验分析，结合水库工程地质水文条件，设计采取水泥土搅拌桩防渗墙+帷幕灌浆+坝体塌坑及周边充填灌浆处理相结合的综合防渗方案.大坝防渗加固修复工程实施后，水库各项运行指标均良好，防渗效果良好，且历经高水位和汛期大流量蓄水等特殊运行工况考验，水库渗漏问题得到有效处理.

大坝渗漏；地质条件；水泥土搅拌桩；帷幕防渗

杨湾桥水库位于贵州省威宁县县城以西14 km的草海镇和双龙乡交界处的卯关村.水库所在河流属长江流域金沙江水系洛泽河支流白水河的源头，坝址以上集雨面积为97.4 km2.水库正常蓄水位为2 188.00 m，总库容1 892万m3，兴利库容1 434万m3，死库容311万m3，校核洪水位2 188.34 m，设计洪水位2 188.00 m.水库枢纽工程建筑物主要由均质土坝、溢洪道、放水设施等组成.坝顶高程2 191.80 m，最大坝高13.6 m，坝顶长375 m，坝顶宽5.0 m，坝底宽62.4 m，上、下游坝坡坡比分别为1 ∶ 2.13、1 ∶ 2.1.大坝迎水面采用现浇混凝土板护坡；背水面设置纵、横排水沟.坝坡采用草皮护坡，坝脚为干砌块石反滤体.

1 水库工程地质条件简述

坝址位于库区东北部，坝址地貌为高原丘陵浅切河谷，坝基河床高程2 180.0～2 181.0 m，南西高，北东低，区域地形最高点位于坝址西面的陆家大营，高程为2 853.7 m.坝址左岸出露地层为石炭系下统大塘组上司段(C1d2),岩性为厚层块状灰岩，岩层产状倾向为N72°W，倾角为15°；坝址右岸出露地层为石炭系中统黄龙群(C2hn)，岩性为厚层灰岩及白云质灰岩，岩层产状倾向为S68°W，倾角为10°.坝址处有两条断层构造通过，均为区域性次级小断层，两条断层均呈NNW展布；F2断层通过水库及大坝中部偏右岸，F3断层从左坝肩通过，根据调查及查询水库前期资料，两条断层影响带深度均在100 m以上，断层带岩石破碎，伴生节理发育，但断裂破碎带均呈闭合状态，断层对水库渗漏影响较小.坝区岩溶较发育，岩溶形态有溶槽、溶洞、溶沟、溶蚀裂隙等.杨湾桥水库渗漏主要与浅层基岩的强风化带有关，其坝基渗漏及右坝肩绕坝渗漏均为浅层基岩的风化裂隙性渗漏.

2 坝体质量评价

通过勘探成果可知，杨湾桥水库大坝为均质土坝，坝体填筑材料为粘土、含少量碎石，填筑质量较差，其含水率为42.6%，远大于最优含水率25.6%；干密度为1.25，远小于最大干密度1.45；其密实度为0.86，低于《碾压土石坝设计规范》中低坝密实度0.96的限值要求[1-2].坝体渗漏主要集中于大坝背坡右侧，呈面状浸润，面积达600 m2.1987年对坝体作过劈裂灌浆处理，由于水库多年蓄水位均未达到正常高水位，运行中未发现坝体有渗漏及浸润现象.设计钻探注水试验及室内试验成果表明：坝体存在严重渗漏问题，坝轴线上游坝体渗透系数1.2×10-4～6.89×10-4cm/s之间，坝轴线下游坝体渗透系数较大，>8.7×10-4cm/s.

坝基残坡积含碎石粘土呈可塑状，结构较致密，含少量碎石.据钻探及相关部位取样资料，坝基残坡积含碎石粘土渗透系数为10-5cm/s≤K<10-4cm/s，岩土渗透性分级属弱透水层，粘性较好，可满足防渗要求.但因坝基岩石上部透水率较大，坝基残坡积含碎石粘土作为坝基岩石与大坝填筑土的接触带.为处理好坝基上部岩石渗漏问题，需将坝基残坡积含碎石粘土3.0 m与坝基岩石1.0 m,共约4.0 m作为特殊段进行灌浆处理.

3 大坝渗漏现状分析

3.1 坝体渗漏

坝体土料为均质粘土，因筑坝质量差存在渗漏，主要集中于大坝背坡右侧，呈面状浸润，面积达600 m2.1987年对坝体作过劈裂灌浆处理，其灌浆孔布置于坝体中部，但水库一直未能蓄水到正常水位，故劈裂灌浆效果未经蓄水检验.钻探孔布置于原劈裂灌浆幕墙上游，经钻孔注水试验，坝体仍存在渗漏现象，其渗透系数1.2×10-4～6.89×10-4cm/s，坝体属中等透水层，坝体防渗不满足现行规范要求.坝体现有排水棱体局部损坏，且没有修建完整，起不到完全保护.因此，坝体渗流性态不安全，在排水棱体损坏处可能会发生管涌或流土.

坝址左岸出露地层为石炭系下统大塘组下段上司段(C1d2)，岩性为厚层块状灰岩；坝址右岸出露地层为石炭系中统黄龙群(C2hn)，岩性为厚层灰岩及白云质灰岩.地层产状为倾向S20°W，倾角10°～20°.F2、F3均为区域性次级小断层，两条断层均呈NNW展布；F2断层从左坝肩通过，F3断层通过水库及大坝中部偏右岸.大坝平面布置及F2、F3断层和渗漏带位置(见图1).

图1 大坝平面布置及断层和渗漏带位置

从图1可知，断裂破碎带均呈闭合状态，对大坝蓄水及安全影响较小，坝址地质条件能满足建土坝要求.坝基浅层基岩透水率为30.6～59Lu，岩体为中等透水，存在浅层基岩渗漏，需进行防渗帷幕处理.

3.2 坝基、肩渗漏

1987年防渗灌浆处理前，坝基渗漏集中于坝右岸下游10 m处S1泉流出，当库水位在2 183.71 m时，渗流量约10.0 L/S，坝基渗漏主要是通过浅层基岩的强风化带产生渗漏.右坝肩绕坝渗漏集中于坡脚60～80 m处，以泉群流出，当库水位在2 183.71 m时，渗流量约10.0 L/s，右坝肩绕坝渗漏也是通过浅层基岩的强风化带产生渗漏.1987年对坝体作过劈裂灌浆处理，对坝基接触带及右坝肩渗漏严重部位作过帷幕灌浆，其大坝部位帷幕线及劈裂灌浆孔布置于坝体中部，右岸帷幕经溢洪道沿公路至管理所，在溢流堰修建完成后，对溢流堰部位作过防渗帷幕处理.经过1987年的防渗灌浆处理，右岸至今未发现库外集中漏水现象，说明右岸绕坝渗漏防渗处理效果较好.但由于当时资金问题，工程未按设计方案施工建设完，同时基岩与土体接触带帷幕老化，故出现基岩与土体接触带渗透系数较大，产生渗漏现象.坝基、肩渗漏对大坝的安全影响较大，需对坝基和坝肩作防渗处理.

3.3 坝体塌坑勘察

2011年7月11日，大坝下游右岸坝坡发生塌坑，塌坑位置距溢洪道左边墙16.1 m，紧靠坝顶下游边缘.塌坑为不规则圆柱形，φ3.4 m，深3.6 m.塌陷时水库水位为2 184.85 m，低于汛限水位2 185.00 m.根据现场勘察，塌坑形成原因主要是放水涵管周边多处破裂，且塌坑部位经多年潜蚀，坝体土填筑质量较差，同时由于当天的强降雨致使坝面产生塌坑.为准确查出析事故原因，在塌坑四周布孔6个，另外在新建引水隧洞部位、坝脚堆石棱体处及左坝肩各布置一个钻孔，共计10个钻孔.对每孔坝体填筑土进行注水试验，基岩进行压水试验，共完成进尺349.4 m，注水试验6次，压水试验44段.根据《水利水电工程注水试验规程》(SL345—2007)进行注水试验[3-5]，计算成果(见表1).

表1 钻孔注水试验成果表

根据钻孔揭示，ZKB2钻孔12.5～12.7 m为裂隙，当钻进至裂隙以下基岩时，放水涵管下游坝脚先出现浑水，继续钻进该部位出现含岩粉的浑水，停钻10～20 min后浑水变清；在ZKB2钻孔施工几天时间里，放水涵管下游坝脚漏水点均出现间歇性浑水，故推断塌坑部位土粒是经过坝基以下岩体裂隙性通道带走，是长期水流潜蚀造成该部位土粒的接触流失，当该部位土体承载力不能满足上部土体荷载，加上强降雨渗入进一步影响该部位土体的力学指标，从而导致塌坑产生[6].塌坑对大坝安全运行影响很大，需要对塌坑采取有效工程处理.

4 水库防渗补强加固处理

4.1 大坝除险加固灌浆防渗措施

针对水库存在的渗漏问题，结合工程水文地质和施工条件，大坝坝体、坝肩除险加固防渗设计方案为：坝基、坝肩帷幕灌浆+坝体水泥土搅拌桩防渗墙+坝体塌坑及周边充填灌浆.

(1)坝基、肩帷幕灌浆防渗处理

灌浆帷幕线从左岸开始沿坝轴线布置，对坝基(肩)进行帷幕灌浆防渗.根据外业勘察资料、钻孔资料和水库原始设计资料，确定帷幕灌浆底限为深入基岩弱风化层透水率低于10Lu以下一段(每段长约5 m).帷幕边界为两坝肩帷幕线与10Lu渗透控制线相交并高出正常蓄水位2 188.00 m，并依据10Lu渗透控制线和地形作适当抬升.施工中根据先导孔情况调整帷幕灌浆底限高程，防渗标准为岩石透水率≤10Lu.据大坝下游坝面产生塌坑的情况，为进一步消除大坝明显隐患，在塌坑影响采用充填灌浆处理坝体及接触带渗漏.

帷幕线接水泥土搅拌桩防渗墙向两岸延伸，防渗帷幕线长580 m，按一排布置，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三序孔施工，孔为2 m；由于F2及F3断层岩体较破碎，为避免库水经该部位渗漏，在该部位对灌浆孔进行加深，共布帷幕灌浆孔290个，左坝肩起灌高程正常蓄水位高程2 188.00 m，大坝部位起灌高程为基岩以上3 m，溢流堰部位起灌高程为堰顶高程，右坝肩起灌高程为正常蓄水位高程2 188.00 m.防渗工程量：帷幕造孔进尺9 890 m，其中无效进尺3 688 m(土体进尺2 760 m，基岩进尺928 m)，灌浆进尺6 202 m(土体进尺617 m，基岩进尺5 585 m).

(2)坝体水泥土搅拌桩防渗墙处理

设计钻探注水试验表明坝体存在严重渗漏现象，坝轴线上游坝体渗透系数1.2×10-4～6.89×10-4cm/s之间，坝轴线下游坝体渗透系数>8.7×10-4cm/s.根据大坝坝体渗透系数较大及下游坝面产生塌坑的情况，为进一步消除大坝明显隐患，防渗处理设计方案采用水泥土搅拌桩与帷幕灌浆相结合的组合防渗方案.水泥土搅拌桩防渗墙，布置平行于坝轴线的坝顶上游面，距坝轴线0.5 m，左岸以大坝与岸坡接触部位起，右岸以溢洪道左边墙止，墙体下部接基岩面.墙顶高程为校核洪水位高程加上安全超高后为2 189 m.水泥土搅拌桩防渗墙顶长375.0 m，最大墙深16 m，阻水面积5 350 m2.对大坝坝体沿平行坝轴线上游0.5 m(与坝基帷幕线布置一致)作水泥土搅拌桩防渗墙进行防渗(见图2).

图2 大坝水泥土搅拌桩防渗剖面

防渗墙桩孔位于平行坝轴线上游0.5 m处，墙底部嵌入坝基岩石顶部，成墙厚度0.3 m.施工按三序桩成墙方法，用多头小直径深层搅拌截渗桩基就位、调平，通过主机动力传动推动钻头向土层中下层沉刨设计深度，然后再提升搅拌机至孔口.同时，水泥浆由高压输送管输进钻杆，经过钻头喷入土体中，在钻进与提升的过程中，水泥浆和原土充分拌和，此过程一次成桩3根，称为一序，然后钻机沿轴线前移，进行下一序施工，多次重复上述过程形成一截渗墙.桩径0.50 m，墙体有效厚度0.3 m，墙体密度1.85 g/cm3，内聚力50 kPa，内摩擦角16°，渗透系数≤5×10-6cm/s，抗压强度R≥0.3 MPa，水泥掺入量为12%～20%.

水泥搅拌桩φ500 mm，单排，搅拌桩中心间距为400 mm，防渗墙有效厚度300 mm.水泥搅拌桩水泥掺入比15%，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比需控制在0.8～0.5.桩位允许偏差50 mm，垂直度偏差1%，桩径允许偏差4%，相邻桩施工间隔时间≤24 h.采用“二喷四搅”施工工艺，按喷浆法(湿法)施工，控制提升速度≤1.0 m/min.水泥搅桩防渗墙渗透系数须<1.0×10-6cm/s.桩身90 d设计强度>1.0 MPa,允许渗透比降J>150[7].水泥土室内试验试块中,试块在28 d内无侧限抗压强度须>0.5 MPa.

(3)坝体塌坑及周边坝体充填灌浆处渗处理

塌坑部位采取原状粘土压实回填，回填采用机械方式作业，回填前须夯实塌坑内的松散土体，回填土料应与坝体土料性质相近，并严格控制其含水率，采用分层铺填，逐层夯实，分层厚度控制在30 cm.施工过程中必须采取相应的安全措施，塌坑附近的高压线应停电，确保施工安全[3].塌坑部位位于大坝右坝端靠近坝顶，距放水涵洞约4 m，塌坑顶面高程为2 189.9～2 191.5 m，塌陷φ3.40 m左右，塌陷深度约为3.60 m.现已采用与坝体同类土体回填，并夯实.塌坑处基岩为石炭系中统黄龙群(C2hn),岩性为灰色至浅灰色厚层块状白云质灰岩，岩层产状为倾向S68°W，倾角10°～20°.塌陷部位距F3断层约83 m.

处理方案为：对坝体及坝基采用充填灌浆，灌浆下限进入基岩10.0 m.布13排孔，每排布11个孔，共布143个灌浆孔.孔距、排距均为2.0 m.总灌浆进尺为3 161.6 m，其中坝体填筑土及坝基土体进尺为1 588.6 m，基岩进尺为1 573.0 m.

4.2 大坝防渗处理应用效果分析

该水库防渗处理单元工程于2015年11月完成，根据大坝帷幕孔数并组合灌浆施工具体情况，共布置30个检查孔对坝基、肩岩石透水率进行检测，以评估帷幕防渗灌浆效果.检测结果表明：30个检查孔透水率试验值范围为0.32～7.57Lu(大部分检查孔岩透水率<5Lu)，所有试验段透水率均控制在规范要求的10Lu范围内，合格率100%，从检查孔中钻取岩芯样本分析，岩芯整体较均匀多呈长柱状，浆液充填密实，坝基、肩岩石裂隙得到有效充填，防渗效果较显著.坝体塌坑及周边充填灌浆经坝体内部注水试验检测，其渗透系数满足规范要求，同时经沉降观测，塌坑及周边坝体无沉降现象.由此说明坝体塌坑及周边充填灌浆处理整体效果较好.水泥土搅拌桩防渗墙施工完成后，经触探法进行桩身质量检验，其桩身强度满足设计要求，钻孔取芯样，芯样完整性好.经无侧限抗压强度试验其桩身强度灌足设计要求，同时经注水试验检测该搅拌桩防渗墙为不透水～弱透水，其防渗效果良好，并经开挖两上桩头进行外观检查，无缩颈和回陷现象，成桩效果好[8].

杨湾桥水库防渗工程整体施工质及效果良好，该防渗处理单元工程被评为优良工程.水库通过防渗处理修复处理后，在高水位和汛期大流量蓄水运行过程中，大坝各方面运行工况良好，至今也未发现渗水点，坝体和坝基、肩渗漏问题得到有效处理.

5 结 论

杨湾桥水库是一座集灌溉、供水、防洪等功能于一体的综合性水库.因受当时建设投资资金少、施工技术水平低和后期养护与维护措施不到位等因素影响，水库存在坝体、坝基和坝肩渗漏现象，且出现坝体塌坑等问题，同时坝体干密度及渗透系数不满足设计要求，坝体渗流性态不安全.为确保水库安全可靠运行，需要求坝体、坝基及坝肩作防渗处理.结合目前防渗处理工程实例，对坝体采取坝基、肩帷幕灌浆防渗+水泥土搅拌桩防渗墙+坝体塌坑及周边充填灌浆的组合防渗处理.

(1)水泥搅拌桩通过特制深层搅拌机械，利用水泥、水灰等材料作为固化剂与原状土进行强制搅拌混合而形成的柱状体，利用水泥胶结与土之间产生的物理化学反应，使松散土或软弱土结成具有整体性、水稳性和一定强度的优质墙体.

(2)通过对坝基坝肩岩体进行帷幕灌浆，浆液能有效充填于岩石中裂隙之内，从而达到防渗目的，使该水库发挥更大的效益.

(3)塌坑产生的主要原因是坝基浅层岩石存在溶蚀现象造成.通过对坝基岩石灌浆补强后能较好充填岩石中的裂隙、溶槽等，从而避免塌坑的再次产生，并对塌坑周边坝体进行充填灌浆加固处理.

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ResearchofReinforcementandAnti-seepageTreatmentforHomogeoursEarthDamofYangwanqiaoReservoir

ZHANG Yuan-kun1, LU Li-xia2, YANG Lan3

(1.Guizhou Zhongcheng Tianhe Water Conservancy Engineering Co., Ltd., Guiyang 550003, China; 2.Bijie Survey and Design Institute, Bijie 551700, China; 3. College of Water and Electricity, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

The problems, such as leakage at dam body, dam foundation and abutment, collapse at dam body and other places have existed in Yangwanqiao Reservoir caused by geological defects at the dam site and low construction quality and technology. After the dam quality evaluation and the leakage test of borehole water injection, combined with the geological and hydrological conditions of the reservoir engineering, the integrated anti-seepage program with cement-soil mixing pile impervious wall + curtain grouting + dam collapse and surrounding filling grouting in dam collapse and surrounding has been adopted. After dam reinforcement treatments, the reservoir operating indicators are good, which can meet the regulatory requirements without any water seepage point. The special operating conditions tests under high water level or large flow water storage during flood season prove that the dam leakage problems have been successfully processed.

dam leakage; geological conditions; cement soil mixing pile; curtain seepage

2017-06-19

国家科技支撑计划项目(2016SL32719)；陕西省水利厅科研项目(SX20150822)

张远坤(1985-)，男，贵州黔西人，工程师，研究方向为水利水电工程地质勘察设计工作.

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.05.012

TV543+.8

A

1008-536X(2017)05-0050-05