安徽省小型土石坝常用坝体防渗技术探讨

2021-06-21李宝春路伟亭

安徽建筑 2021年6期

李宝春，路伟亭

（1.安徽省水利部淮委水利科学研究院，安徽合肥 230088；2.安徽省水利水资源重点实验室，安徽蚌埠 233000）

1 概述

新中国成立以来，安徽省持续开展大规模水利建设，基本建成防洪、除涝、灌溉等工程体系，为省内除水害兴水利发挥了巨大的作用。截至2020年10月，全省在册小型水库共计5916座。其中均质土坝4641座，粘土心墙坝588座，粘土斜墙坝159座，占水库数量的91.08%，详见图1。

图1 安徽省小型水库分布图

安徽省的水库绝大多数建于20世纪50-70年代，受当时社会、经济、技术条件的制约，设计标准低、施工质量差。清基不彻底、填筑质量差、存在坝体坝基渗漏或接触渗漏等问题是土石坝的主要病险特征。本文对安徽省不同区域的100座小型水库土石坝进行统计发现，加固前江南的土石坝中56%存在不同程度坝体渗漏现象，而37%的江淮之间的土石坝同样存在坝体渗漏。除此之外，部分土石坝存在坝基渗漏、坝肩渗漏和涵洞接触渗漏等病险，还有部分存在渗流比降不满足规范要求的现象。研究表明，由于渗流渗透破坏而造成土石坝事故的，约占全部事故的30%～40%。因此土石坝防渗设计应引起足够重视。

本文对安徽省内小型水库除险加固工程防渗措施进行了统计，如图2所示，样本中29%的水库采用的高压喷射灌浆的防渗措施，22%的水库采用的复合土工膜的方式。土石坝防渗处理在土石坝除险加固投资占较大比例。按照技术可行、经济合理、技术可行、施工便利的原则，选用最适宜的防渗措施是水库除险加固工程设计中的主要问题之一。本文对安徽省内常用的高压喷射灌浆、复合土工膜、多头小直径、塑性混凝土、粘土斜墙、冲抓套井粘土井柱等六种防渗措施的优缺点进行分析，旨在更好地指导水库除险加固中防渗方案的选取。

图2 土石坝防渗措施统计图

2 防渗措施探讨

2.1 高压喷射灌浆

高压喷射是利用高压水气喷射切割破坏地层结构形成缝槽，将土和水泥浆液搅拌，充填该缝槽，浆液凝固后形成防渗板墙的防渗方法。高压喷射灌浆分为定喷、旋喷和摆喷。定喷和小角度摆喷适用于粉土和砂土地层；大角度摆喷和旋喷适用于各种地层；深度小于20m的卵碎砾石地层，可采用摆喷；深度20～30m时，可采用单排或双排旋喷；深度大于30m时，一般采用两排或三排旋喷。

通过高压水气喷射作用强制性破坏原土层结构，不存在静压注浆的可灌性问题。只要高压射流能破坏的细砂层、极细砂层、粘土层等均可处理，对块、卵石层的较大孔隙及集中渗漏的空间用地层颗粒或级配料予以充填封堵。

高压喷射灌浆对施工场地要求不高，能在钻孔内的任何高度，采用不同喷射形式，按要求喷射成不同形状的凝结体，并可穿过坝体、涵洞等对其下方的隐患进行处理。对高喷形成板墙的物理力学指标还可通过浆液配比进行调整。

高喷灌浆适应性较广，优点突出，对细颗粒地层是比较适宜的。对掺有大颗粒地层或致密的粘土层中，要求工艺高，需试验进行参数选取。在砂卵石、块石地层中，由于造孔难度大，需采用冲击进钻及固壁。由于其适用于的土层广泛，施工前应对工程地质和水文地质进行深入了解，控制施工质量。

与深层搅拌桩比较，高压喷射灌浆成型强度较低，但适用地质条件广。

2.2 复合土工膜

复合土工膜广泛应用于土石坝的防渗措施中。土工膜应用于土石坝中变形能力强，防渗性能好。土工膜具有很好的拉伸性能，能很好地适应土石坝不同工况下的变形。防渗土工膜渗透系数一般1e-14cm/s，只要保证土工膜不破损，且与结构的连接以及自身的焊接质量可靠，其防渗效果是可以保证的。同时土工膜用于土石坝防渗节省工程投资，且工期短。土工膜防渗层造价仅为混凝土防渗层的1/2.5～1/3，且具有施工设备投入少、施工速度快的优点。

土工膜应用于土石坝防渗工程也存在一些缺点，主要有以下方面：

土工膜为高分子材料，长期暴露在紫外线、空气等环境中，特别是水位变化区，容易老化破坏，失去防渗性能。土工膜幅宽一般为8m，应用于土石坝防渗接缝多；且与周边建筑物连接结构复杂。土工膜与周边建筑物或防渗结构的连接部位，以及接缝焊接部位是防渗体的薄弱环节，也是施工工艺较为复杂的部位，必须严格按照要求施工，以保证施工质量。土工膜为高分子聚合物，目前水库防渗用的土工膜厚度以1～3mm为主。土工膜在施工过程中易遭受人为破坏，正常运行中抵抗外力损伤的性能较差。而外力损伤对土工膜防渗性能的影响非常显著。

2.3 多头小直径深层搅拌桩

多头小直径深层搅拌桩是利用水泥作为固化剂，通过深层搅拌机械，把水泥浆喷入地层中，使土体与水泥浆强制搅拌，利用水泥浆和土体之间产生的一系列物理化学反应，使水泥土硬结成连续防渗墙体。

多头小直径深层搅拌桩适用于砂性土、粘性土、粉土、人工填土、淤质土、粒径小于50mm的砂质层，甚至有土体架空或有孔洞时也可应用，具有工艺简单、施工速度快、成本低等特点，形成的水泥土防渗墙体具有整体性、均匀性、强度性及抗渗性等特点。

多头小直径深层搅拌桩易受地层适应性及施工深度的限制。当遇到砂质土、含砾地层、人工回填土及碎石土等地层或施工深度大于22 m时，深层搅拌法施工技术往往难以进行。当搅拌桩施工过程中遇到块石，会有无法钻进的情况。

2.4 塑性混凝土

塑性混凝土防渗墙在配合比中加入了粘土和膨润土，具有良好的力学特性，得到了广泛的发展和应用。该方法适用于各种不同材料的坝体和各种复杂地基，墙的两端能与岸坡防渗设施或岸边基岩相连接，墙的底部可嵌入弱风化基岩内一定深度，彻底截断坝体及坝基的渗透水流。成墙方法有锯槽、液压开槽、射水及薄抓斗等多种。

值得注意的是，塑性混凝土防渗墙刚度远大于土石坝材料。由于坝体水平变形比坝基大得多，坝体防渗墙更容易出现拉应力，甚至发生断裂。而且病险土石坝多数存在施工碾压密实度不够问题，大坝受水荷载作用时变形更大。采用刚性防渗结构很难适应大的变形，可能会产生裂缝，破坏防渗结构。因此，应注意坝体防渗墙的受力分析，特别是深坝体防渗墙受力分析。

2.5 粘土斜墙

粘土斜墙是将粘土铺盖作为防渗体的做法。粘土斜墙具有一定的适应地基变形能力；一般可就地取材，很多工程区合理运距范围内就有符合质量和储量要求的粘土料，防渗材料容易取得；粘土经碾压压实后渗透系数可达1e-6cm/s，在粘土质量及压实度得到保证的前提下，土质防渗体可满足对水库渗漏量控制的要求。与其他防渗方式相比，粘土斜墙具有较明显的价格优势，节省工程投资。施工简便，具有成熟的施工经验和设备。

在以下条件下，粘土铺盖防渗方案不宜采用：

防渗水头较高，工程区合理运距范围内缺少符合设计要求的土料，或者开挖粘土料会对环境造成较大不利影响；地基覆盖层具有高沉陷性、易管涌性、强流失性，或相对于铺盖具有强流失性或属或架空层；两岸透水性强，或粘土铺盖与库周岩壁不易连接。