吉河水库大坝坝体及坝基防渗处理措施的探讨

周锦华，徐建华，石 佳，朱 丹，夏辉耀

(1.湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉 430070；2.湖北省水利水电科技推广中心，湖北 武汉 430070)

水库大坝的防渗处理一直都是水库新建、扩容、除险加固的重中之重，良好的水库防渗处理将减小工程隐患的发生，节省运行成本，提高工程的效益。大坝防渗的目的不光在于提高工程效益，更为重要的是加强水库对水资源的调节能力，确保供水、防洪的安全。随着科技的发展，防渗材料的应用、特殊地基处理等得到快速发展，但总体来说，垂直防渗和水平防渗仍是水库大坝防渗处理的2种重要手段[1]。

如图1所示，吉河水库位于湖北省枣阳市鹿头镇张庄村，距城区19.5 km，拦截滚河支流沙河，承雨面积105 km2。水库总库容6 028万m3，是1座以灌溉为主，兼有防洪、供水等综合效益的中型水利工程。大坝为均质土坝，最大坝高24.5 m，坝长4 550 m，坝顶宽3.93～6.63 m，坝顶高程146.3～146.9 m(黄海高程)。上游坝坡为干砌块石护坡，坡比自上而下依次为1∶2.5、1∶2.75，下游坝坡为草皮护坡，坡比自上而下依次为1∶2.5、1∶2.75、1∶2.35；老河床部分设有反滤坝。

图1 吉河水库地理位置图

坝区范围属丘陵垄岗地貌。筑坝段河谷走向SW210°，大坝左右两岸低丘顶部高程在150.0～155.0 m；上下游河床高程在130.0～134.0 m之间。从原始地貌看，下游段河谷宽广，曾经历几次河流变迁，现河床宽300～500 m。坝区范围地层较为复杂，从老至新其岩性依次为白垩——第三系(K—E)泥岩、砂质泥岩、砂砾岩等，第四系中更新统冲洪积(Q2al+pl)粗砾砂含卵石，第四系上更新统冲洪积(Q3al+pl)粉质粘土，第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)细砂之中砂，第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)粉质粘土，第四系人工堆积物(Q4s)。

坝体主要由低液限粘土组成，钻孔资料显示，粘粒含量一般16%～37.5%，平均为23.8%，塑性指数平均值为15.5，钻孔试验资料显示，指标上满足规范对均质土坝坝体填筑料的要求，但实际运行中坝体下游坝坡局部存在散浸现象。坝基由以下岩层组成。

1)第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)粉质粘土：该层主要分布在左右两坝端，分布范围较大，层厚变化大(0.0～7.8 m)。该层为良好的隔水层，渗透性小，强度较高，不会对坝体渗漏及稳定留下隐患。

2)第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)细～中砂：黄色，局部夹有薄层粉质粘土，最大层厚7.7 m，是坝基渗漏的主要岩土层之一。

3)第四系上更新统冲洪积(Q3al+pl)粉质粘土：浅黄～褐黄色，含铁锰结核及灰白色高岭土，局部夹少量卵石，该层主要分布在右坝段，层薄且不稳定，最大层厚1.9 m。

4)第四系中更新统冲洪积(Q2al+pl)粗砾砂含卵石：褐黄色夹灰白色，以砾砂为主，含有少量粘性土与细砂颗粒，最大层厚为6.80 m。在整个坝段分布稳定，层厚，渗透性极强，是坝基的主要透水层，也是坝基渗漏与坝体稳定的最大隐患。

5)坝基岩体为白垩——第三系(K—E)泥岩、砂质泥岩、砂砾岩等，渗透性总体较小，属弱透水介质，满足规范要求。

1 坝体及坝基地质问题及渗漏分析

根据勘察资料，坝体主要由低液限粘土组成，坝基均不同程度存在有细～中砂、粗砾砂层。

坝体：桩号0+350～3+160段坝体局部下游坝坡存在散浸现象，主要是受当时条件限制，施工质量不稳定，局部碾压不均匀，密实度不够，形成渗漏通道，同时也曾发现白蚁，导致局部坝段下游坡存在散浸现象。

坝基：桩号0+000～0+250为右坝段范围，由于坝基粗砾砂上部有几米以上的粉质粘土覆盖，在空间分布上起到一定的隔水作用，其坝后的渗漏量相对有限。

桩号0+250～0+550段为现代主河床范围，大坝在施工时进行了清基，坝体直接筑于泥岩、砂质泥岩上，不存在渗漏隐患，现场钻探显示其坝体及坝基的接合面良好。

桩号0+550～1+900及2+500～3+600段恰好位于二条古河道范围内，坝体直接筑于细～中砂层上，该层具中～强透水性，而大坝下游排水沟外侧的很大部分农田常年有水，出现管涌现象，显然是高水位的库水通过坝体及坝基不断向地下水补给造成的坝后地下水位升高，而坝脚至排水沟间的水则全通过排水沟进行了导渗。另外，坝脚局部地段的地表土呈沼泽状，低洼处水草丛生，充分说明该段的坝体及坝基渗漏十分严重，存在渗透破坏的潜在隐患。

桩号为1+900～3+000、3+900～4+550这两段，上覆粉质粘土较厚，在平面上呈现一定的规模，具有良好的隔水效果，相应其坝体及坝基发生渗透破坏的可能性要小一些。

总体来看，大坝运行30余年，坝后渗漏严重，渗漏主要来自于坝基，部分源于坝体。目前距坝脚后30 m处的导渗沟，常年结集的明流渗漏量约在0.15～0.5 m3/s，水库蓄水量大量损失的同时，大坝还长期存在安全隐患。

2 坝体及坝基截渗方案选择

大坝坝线长，坝基的工程地质条件复杂多变，施工条件差，坝基清基不彻底，坝体填筑质量不高，导致大坝在竣工后出现多次大的渗漏险情，且水量损失巨大。对于坝体而言，实际运行中，局部坝段坝体下游坝坡存在散浸现象，尤其以0+350～3+160段较为明显。坝基广泛存在细～中砂与粗砾砂，这两套地层具有中～强渗透特性，其渗透级数在10-3 cm/s以上，且厚度较大，已大大超出了现行规范对坝基岩土体的防渗要求，坝体及坝基在一定程度上存在有渗透变形问题。

大坝桩号0+000～0+200，3+650～4+550段，坝体及坝基上覆粉质粘土厚6～9 m，在平面上呈现一定的规模，形成天然铺盖，具有良好的隔水效果。桩号0+000以外坝体及坝基上亦覆较厚粉质粘土，对坝体及坝基防渗有利。故大坝体及坝基础处理桩号为0+200～3+650。大坝坝体及坝基截渗处理方案可选择水平防渗和垂直防渗方案[2-6]。

2.1 方案一：水平防渗

水平防渗采用在大坝上游设置防渗铺盖以增长渗径，降低坝体及坝基渗透比降，控制渗漏量在允许范围，防渗铺盖厚1～2.5 m，宽度50～100 m。经计算，需清淤172 500 m3，回填土方607 200 m3，投资2 074万元。

防渗铺盖可利用天然土层，施工相对简单，不需要特殊的施工机械，但必须放空水库，才能彻底进行。但由于本项目为加固项目，水库长期蓄水后，总会有些淤积，上游库水难以排干，给铺盖施工带来困难。且地层复杂，地层纵、横、深不均匀，地基中细～中砂渗透系数为3×10-3cm/s，粗砾砂含卵石渗透系数为1×10-2cm/s，渗透系数太大，坝体及坝基渗流已不符合达西定律，而类似于管道的压力流，渗径已不起作用。

2.2 方案二：垂直防渗

1)槽孔混凝土防渗墙。槽孔混凝土防渗墙有效截断坝体及坝基渗透水流，减小渗流坡降、出逸坡降和渗流量。采用槽孔混凝土防渗墙厚0.30 m，墙底入基岩1.0m。轴线布置在大坝中心线，采用泥浆固壁，薄型抓斗成槽。共需成墙97 594 m2，其中坝体47 641 m2，坝基49 953 m2，投资2 456万元。

槽孔混凝土防渗墙是利用专用的造槽机械设备营造槽孔，并泥浆固壁，用导管在注满泥浆的槽孔中浇注混凝土并置换出泥浆，筑成墙体，以达到透水体防渗加固的目的，适用于粘性土、砂层和砂砾石层，是透水体防渗处理的一种有效措施。施工不受库水位影响，成墙工效较高，施工方法成熟，但施工临建工程量较大，工艺环节较多，要求有较高的技术能力、管理水平和丰富的施工经验。成墙厚度均匀连续，耐久性好，防渗效率高，检测手段简单直观，工程质量易于控制和保证。

2)高压喷射灌浆法。高压喷射灌浆法是利用射流作用切割掺搅地层，改变原地层的结构和组成，同时灌入水泥浆或复合浆形成凝结体，借以达到加固地基和防渗的目的。

在高压喷射灌浆施工方法中，有旋喷、摆喷和定喷三种方法，旋喷喷射时，喷嘴一边提升一边旋转，形成柱桩凝结体；摆喷喷射时，喷嘴一边提升一边摆动，形成亚铃状凝结体；定喷喷射时，喷嘴一边提升一边喷射，喷射方向始终固定不变，形成板状凝结体。

定喷是喷射流固定在一个方向喷射，能量集中，自上而下强行切割地层形成一条沟槽，较大颗粒被射流挤压冲击在沟槽周边，沟槽内被浆液或浆液与土中的细颗粒所充填，因而形成质地均匀的板体。旋喷是喷射流沿着自下而上和旋转的复合作用切割地层，在切割掺搅、升扬置换、充填挤压、渗透凝结，位移袱裹作用的同时，还有旋转离心力和重力作用，柱状凝结体横断面上土粒是按质量大小排列的，小的在中间，大颗粒多集中在外侧，进而形成了浆液主体层、搅拌混合层、挤压和渗透层(无粘性土)，其性能中间与外围有所差异，摆喷的凝结体则介于定喷与旋喷之间。本次设计选用旋喷方法。

本工程拟采用三管喷射旋喷方法成墙，混凝土防渗墙的允许水力坡降为80，最大承受水压为22.8 m(按正常蓄水位计算)，则要求的成墙有效厚度为0.291 m；按单排孔布置，孔距1.0 m，成墙有效厚度为0.30 m；防渗墙中心线与原均质坝中心线同轴；墙顶伸入坝体按3.0 m计，墙底入基岩深度按1.0 m计，坝体及坝基灌浆成墙，墙顶至坝顶泥球封孔。

本工程共需高压旋喷灌浆孔进尺99 916 m，灌浆67 220 m。

坝体及坝基高喷灌浆与槽孔混凝土`防渗墙比较详见表1。大坝渗流计算采用有限元二维稳定渗流计算方法，计算软件选用北京理正软件设计研究所研究开发的《理正岩土计算5.11版》计算。基岩渗流按多孔介质，土层渗透性按各向同性考虑。大坝断面外轮廓以实测最大坝高断面为准，坝基形状及边界以地质钻探资料为准。计算渗流工况见表2，大坝各图层渗透系数见表3。吉河水库大坝最大横断面图见图2，大坝现状渗流流网图见图3，按照两种方案进行设计，其渗流流网图见图4、图5。

表1 坝体及坝基高喷灌浆与槽孔砼防渗墙比较表

表2 大坝渗流计算工况

表3 计算采用的大坝各土层渗透系数表

图2 吉河水库大坝现状最大断面横断面图

图3 吉河水库大坝现状稳定渗流等势线图

图4 吉河水库大坝设水平铺盖稳定渗流等势线图

图5 吉河水库大坝设垂直防渗稳定渗流等势线图

经比较，水平防渗虽然施工简单，投资较省，但考虑到防渗铺盖需空库，施工时段较长，且地层复杂，地层纵、横、深不均匀，地基中细～中砂渗透系数为3×10-3cm/s，粗砾砂含卵石渗透系数为1×10-2cm/s，渗透系数太大，坝体及坝基渗流已不符合达西定律，而类似于管道的压力流，渗径已不起作用。

经计算，大坝现状渗透坡降0.25，渗流量2.54 m3/d，采用水平防渗后渗透坡降为0.17，渗流量为1.23 m3/d；采用垂直防渗后渗透坡降为0.01、0.09 m3/d。根据计算结果分析，只有做垂直防渗才能有效的截断坝体及坝基渗透水流，防止渗透破坏。

因此采用垂直防渗方案优于水平防渗方案，而垂直防渗方案中，槽孔混凝土防渗墙方案又优于高压喷射灌浆方案，综合考虑推荐采用槽孔混凝土防渗墙处理坝体及坝基渗漏问题。

根据吉河水库的实际工程条件，从适用条件、防渗效果、施工条件、成墙效果和对环境的影响及工程投资等方面综合比较，坝体及坝基垂直防渗采用槽孔混凝土防渗墙是合理的，亦是可行的。

3 实施、成效及建议

该工程按照垂直防渗的槽孔混凝土防渗墙方案实施，渗墙轴线总体布置在大坝中心线。防渗墙施工平台宽度为9.0～10.0 m，由于现状坝顶宽度为4～5 m，不满足施工平台宽度要求，结合防浪墙设计坝顶开挖至高程146.06 m，局部加宽，保证平台宽度9.0 m，墙顶高程同平台高程146.06 m。

防渗墙设计强度C5、墙体渗透系数小于10-6cm/s，抗渗标号不小于P8，混凝土抗压强度不低于10 MPa。混凝土配合比根据现场试验确定，每平方米防渗墙用料为：水泥375 kg，中粗砂580 kg，卵石1 075 kg，水灰比0.65,混凝土坍落度控制在18～22 cm，扩散度控制在36～40 cm。

抓斗成墙法配套起重施工机械为40 t级。

防渗墙导向槽深1.5 m，槽净宽0.5 m，采用泥浆固壁，且保持浆面不得低于导墙顶10 cm。薄型抓斗成槽，分两序槽孔施工，槽孔长度一序槽8 m，二序槽6 m。防渗墙施工工艺为：修筑导墙和施工平台划分槽段→抓取一期槽孔→下设接头管→浇筑混凝土→抓取二期槽孔→浇筑混凝土。墙段连接采用接头管法施工，即在一序槽孔浇筑前，于槽孔两段下设φ300 mm钢管。在混凝土浇筑过程中，每2 h活动一次接头管，混凝土凝结10 h后拔出接头管。二期槽孔挖好后，用钢丝钻头刷洗两端的一期槽混凝土及泥皮，保证两期槽段混凝土结合紧密。

本工程防渗墙经过近半年的施工，顺利完成。工程于2010年9月主体工程验收，运行记录显示，渗流量减少了70%～80%，坝体及坝基未见渗透现象，加固前坝脚局部地段呈沼泽状的地表土干燥固结。各种现象表明本工程的渗控措施是合理的，同时也是经济的。

实际施工过程需注意以下2点：

1)液压抓斗施工时，遇到细砂、粉细砂层需严格控制泥浆比重，否则容易出现“缩孔”、“吸斗”现象，导致成孔宽度缩窄，斗头无法拔出；

2)液压抓斗对于弱风化岩石效果不佳，甚至无法施工，对于中等风化以及强风化均可施工，但效率降低，必要时可配合冲击钻施工。

4 结 语

吉河水库坝体局部存在渗漏现象，坝基范围极大部分均分布有较厚的细～中砂与粗砾砂，属中～强渗透性，不仅渗漏量大，且存在渗透变形破坏问题，对大坝的稳定不利，需进行防渗处理。经比较，水平防渗虽然施工简单，投资较省，但施工需空库，施工时段较长，且地层复杂，地层纵、横、深不均匀，渗透系数太大，而垂直防渗能有效的截断坝体及坝基渗透水流，防止渗透破坏，施工技术和质量也能满足工程需要，综合考虑推荐采用槽孔混凝土防渗墙处理坝体及坝基渗漏问题。实际实施后，效果显著，既减少了渗漏量，减少了经济损失，又排除了大坝存在多年的险情。

总之，水库大坝除险加固中，防渗加固是非常重要的环节，在大坝建设中具有长期性和直接性特点，直接危及到水库大坝的安全与功能的发挥，根据大坝的土体性质，做好防渗加固处理措施，是确保水库大坝安全运行的必要条件。