陕北地区土坝防渗措施的探讨

2021-01-18张钧锋谢繁荣

陕西水利 2021年9期

张钧锋，谢繁荣

（1.陕西省宝鸡市渭河拦河闸工程管理中心,陕西宝鸡 721006；2.陕西省宝鸡市水利水电规划勘测设计院,陕西宝鸡 721000）

中国是世界上水库数量最多的国家。大坝安全直接决定水库正常运行。大坝渗透、变形稳定等结构性质量问题是关键。本文通过工程实例,分析对比提出陕北地区土坝坝体防渗措施的优选方案,劈裂灌浆技术及坝后建排水井。

劈裂灌浆技术通过浆、坝互压和湿陷,使坝体内部应力重分布,提高坝体变形稳定性、防渗透能力。其主要靠基本垂直土坝渗流方向沿坝轴线所形成的竖直连续的防渗泥墙,防渗泥墙经过反复多次的浆坝互压,渗透系数达到10-5cm/s~10-7cm/s。另外,压力泥浆通过挤压、充填、渗透、湿化固结对土体的压实在防渗墙两侧形成宽5 m左右的防渗带。泥墙和防渗带共同解决坝体防渗透问题。渗透、变形稳定是病险水库土坝安全的主要隐患。劈裂灌浆技术是解决土坝坝体渗透、变形稳定的最好措施。同时劈裂灌浆技术具有施工设备轻便,工艺比较简单,施工速度快,工期短,经济效益显著,施工质量有保证等优点。

1 基本情况

陕北地区延安市位于黄土高原丘陵沟壑区,榆林市位于黄土高原与毛乌素沙漠的接壤地带。20世纪70年代陕北地区为解决农田灌溉用水,治理水土流失,修建了百余座水库和水土保持的支沟骨干工程。大、中、小型水库近百座,水库大坝多为碾压均质土坝和水坠坝。

陕北地区土质多为重粉质黄土,作为坝体填筑土料,粉粒含量约为70%,粘粒含量不足10%。早年修建又系“三边”工程,碾压质量差,坝体土密度小,渗流性较大,下游坝坡易遭受水力破坏,蓄水后浸润线高,坝体土有的处于饱和状态,运行多年后坝顶出现纵、横裂缝,下游坡面出现渗漏、塌陷、“流泥”等现象,危机大坝安全。多年来,随着国家投资的不断增加,水库大坝的防渗加固工程也随之增多,特别是经过水库安全鉴定后,水库除险加固项目大部分都有大坝的防渗处理。有的大坝已先后灌浆两次,并未根除隐患,又进行第三次,甚至有三年一小灌,五年一大灌的说法。

2 存在问题

2.1 大坝浸润线高

陕北土坝多数建在相对不透水的土质河床上,黄土地基土坝的浸润线受相对不透水地基的顶托作用,正常挡水位相应的坝后渗水出逸点往往在1/2坝高处,坝体浸润线高,下游半个坝坡处于饱和状态,在渗透、冻融和重力作用下,下游坝坡出现滑坡、“流泥”（流土）等现象,危及大坝安全。

2.2 水库冬季蓄水位高

冬季蓄水位高。陕北属于干旱、半干旱大陆性季风气候区,降雨量的70%集中在夏末秋初,径流量的60%集中在夏秋两季,故水库多在秋冬季蓄水,来年用水。库水位高,浸润线也高。陕北延川县寒砂石水库2013 年7 月28 日库水位上升38.4 m,是建库以来最高水位,高水位运行到2014 年4 月15 日,库水位38.1 m时,下游反滤体5 处渗水浑浊,左段1 处流泥水,流量约0.6 L/s,坝顶同时出现5 条垂直坝轴线的横缝,防浪墙也出现水平和垂直裂缝。

2.3 大坝筑坝土料渗透性强

筑坝土料渗透性强。大坝坝体筑坝土料中粘粒含量太少,土料中粘粒含量不到10%,土料中粉粒含量约占70%,加之碾压不实,坝体土密度小,渗透性强,渗流流速和渗流量大,故下游坝坡易于遭受水力破坏。

2.4 大坝坝下游排水不畅

坝下游排水不畅。有些土坝下游没有设排水通道,有的淤积严重,反滤体不能排水,坝体土含水量增多,坝体土处于饱和状态,是“流泥”前兆。陕北延川县寒砂石水库下游导渗渠被淤,坝脚水位长期保持在坝高3.8 m~4.26 m,坝高30 m以下坝体土处于饱和状态。

3 土坝坝体防渗措施

3.1 充填灌浆

充填灌浆是利用浆液自重,将浆液注入坝体隐患处,以堵塞洞穴和裂缝,适用于处理坝体内已有裂缝、洞穴等明确的局部隐患。压力充填灌浆是提高浆液的孔口压力注入坝体,增加单孔灌浆量,扩大充填的效果。虽然也能劈裂坝体,形成浆脉,但没有劈裂灌浆独有的功能,即“少灌多复”和“浆坝互压”,达不到劈裂灌浆的防渗效果。例如延安某水库大坝坝体防渗处理措施采用压力充填灌浆技术,灌浆前坝体土干密度均值1.55 g/cm3,灌浆后坝体土干密度均值为1.66 g/cm3,水平渗透系数灌浆前0.347×10-4cm/s,灌浆后0.219×10-4cm/s。延安某水库土坝坝轴线上大坝坝体防渗处理措施采用压力充填灌浆技术,灌浆前坝体土干密度均值1.43 g/cm3,灌浆后坝体土干密度均值1.56 g/cm3,水平渗透系数灌浆前均值0.578×10-4cm/s,灌浆后均值0.088×10-4cm/s。工程实例证明采用压力充填灌浆技术土坝坝体防渗效果不明显。

3.2 土坝中建砼防渗墙

近年来陕北地区引进高压旋喷、摆喷技术和射水法造墙工艺,在土坝中建砼防渗墙。高压旋喷、摆喷主要用于砂卵石地层的防渗,射水法造墙主要适用于大江大河堤防地基和管涌的防渗处理。在土坝或砂坝中建砼防渗墙,墙体为刚性,坝体为弹塑性,两者软硬不适应,会出现墙土裂开现象,且造墙难度大,墙体可靠性差,该技术设备庞大复杂,施工速度慢,造价高,是其他灌浆技术的数倍。造砼防渗墙,其深度受到限制,坝越高难度越大,失误机率更高。对大量中、小型水库大坝坝体不适应。

3.3 劈裂灌浆

堤坝劈裂灌浆技术是20 世纪70 年代末为处理病险堤坝,我国独创的一项新技术。该技术的基本工艺是沿坝轴线布置灌浆孔,灌入压力泥浆,通过灌浆压力劈开坝体,由防渗泥浆沿坝轴线构筑垂直连续的防渗帷幕,厚度5 cm~20 cm,解决坝体的变形稳定问题。通过“少灌多复”（单孔灌5 次以上）,浆坝互压（每次间歇5 天以上）和析水湿陷固结,使灌浆轴线两侧3 m左右坝体土的变形稳定得到解决。由于压力浆液具有劈裂、穿透、充填、渗透等作用,凡是横穿坝体的洞穴、裂缝、松土层等均被堵塞,充填渗透挤压密实,形成以主浆脉为主体,宽约5 m左右的防渗带,解决了土坝坝体的渗漏问题,大坝安全运行有了保障。劈裂灌浆技术是土坝坝体防渗措施首选。

1988 年7 月,延安地区安塞县境内的王瑶水库（大二型）,由山东省水科所担任技术总负责,指导山东牟平县工程灌浆公司和延安地区地下水工作队共同完成了大坝的劈裂灌浆防渗处理,历时3 个月,灌浆效果通过探井检查,浆体干容重达1.6 g/cm3~1.7 g/cm3,水平渗透系数达10-6cm/s~10-7cm/s,防渗性能好。这是一次很成功的劈裂灌浆实例,2003 年洛川县拓家河水库土坝也曾劈裂灌浆取得较好的效果。

陕北延川县寒砂石水库位于陕西省延安市延川县永坪镇清涧河二级支流丰柏胜沟口的寒砂石村,距永坪镇7.5 km,水库建于20 世纪70 年代,均质土坝,坝高43 m,坝顶长305.4 m,是一座以供水为主兼顾防汛功能的中型水库,承担下游永坪镇居民和永坪炼油厂生产和生活用水,年供水量超过60 万m3。大坝分别在1986 年进行充填灌浆和2006 年灌浆加固两次防渗处理。

陕北延川县寒砂石水库2013 年7 月28 日库水位上升38.4 m,达到正常蓄水位,是建库以来最高水位,高水位运行,到2014 年4 月库水位38.1 m,防汛巡查时发现坝顶有5 条垂直坝轴线的横缝,缝宽2 cm,长6.3 m,在橫缝开裂部位防浪墙体也出现水平和垂直裂缝,大坝下游坝脚多处渗水浑浊,集中有3 个渗漏点,流量约36 m3/min,背水坡坝高21.4 m,发现一个面积8 m3,深约1 m的塌坑。大坝出现险情,经多方案比较,选用劈裂灌浆技术。通过灌入较多数量的粘土,少灌多复,浆坝互压,在坝体内形成宽约8 cm~14 cm的连续竖直的泥墙,并压密两侧土体,提高其干密度,形成宽约3 m~5 m的防水带,提高了大坝坝体防渗能力。同时,坝后建一排水井。坝下游30 m~40 m,开挖一口径3 m的大口沉井,井深到基岩（约5 m）,每小时出水量约30 m3~50 m3。通过大口井抽水,促进坝体排水,减少坝体含水量,降低浸润线,加固坝体。施工完成后,经检测,坝体防渗透效果非常好。