新疆平原水库坝基防渗型式初探

李江峰，戚印鑫，李 娟

(新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049)

自2000年以来，中央病险水库治理专项资金拨付，拉开了新疆水库除险加固工程建设的序幕。一大批早年建设的水库，经过水库大坝安全评价程序后，多被评价为三类病险水库，水库除险加固工程前期设计和施工建设迫在眉睫。

通过对多座水库的筛选调查，选择位于南北疆的9座平原水库进行分析，得出这些病险水库主要存在坝高不足、坝体防渗护坡不完善或损坏、坝基未防渗等病险问题。尤其是坝基未防渗、渗漏严重，存在严重安全隐患。

坝基渗漏又称坝下渗漏，是指由于大坝坝基的地质条件较差，施工过程中清基不彻底，未清至新鲜岩层，或者根本未作防渗处理，导致在水库蓄水后在上下游水头差的作用下沿坝基松散覆盖层透水层、坝基岩石的孔隙、裂隙、溶洞、断层而引起的渗漏。坝基渗漏降低了水库的效益，调节水量减少，综合功能降低，生态环境受损，经济效益低下、社会效益缺失、生态效益锐减；增大了对坝底的渗透水压力，引起坝基岩土潜蚀，导致坝基失稳[1]。

水库渗漏产生的原因是多种多样的[2]，坝基防渗与否还直接影响水库渗流安全。很多水库进行坝基处理后表明坝基防渗处理效果明显[3]。本文针对新疆平原水库的坝基防渗型式展开探讨。

1 水库概况

9座水库均为引水注入式平原水库，大坝为碾压式均质土坝，总库容1万～100万m3，坝高5.1～14.0m，规模介于小(1)型、中型、大(2)型之间，对应的工程等别分别为Ⅳ等、Ⅲ等、Ⅱ等，最高特征水位多为正常蓄水位，只有2座水库为校核洪水位。9座水库分别位于南疆的喀什地区、和田地区和巴音郭楞蒙古自治州，以及北疆的塔城地区和乌鲁木齐市，建成年份1942—1991年不等，多数为大跃进时代建成的水库，至今已运行29～78年之久，水库坝基均为深厚覆盖层地基。平原水库特性统计见表1。

2 坝基地层及防渗现状

通过调查了解到，这9座水库坝基地层年代由最远的早古生代志留系-晚古生代泥盆系-中生代侏罗系逐渐过渡到新生代第三系、第四系，地震烈度分区为Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度区，坝基土层渗透系数为n×10-6～n×10-2cm/s。9座水库在早年建设过程中大多属于三边工程(边勘察、边设计、边施工)，受当时的施工建设水平、资金所限，均未对坝基进行防渗处理，为了防止坝基渗透变形和地震液化，个别水库在坝后施压盖重并布置了排水设施，都未从根本上解决坝基的渗漏问题，形成了很大的安全隐患，致使这些水库自建成以来就带病运行，达不到原设计运行要求，无法正常发挥水库的调蓄功能。

表1 平原水库特性统计表

3 除险加固设计坝基防渗型式

统计分析发现，9座水库除险加固设计方案，有3座未采取坝基防渗处理措施，但是设置了坝后盖重和排水或只设置了坝后排水，以达到坝基渗透稳定和防止坝基地震液化为设计标准；其余6座分别采取了深层搅拌桩防渗墙、防渗槽铺设复合土工膜防渗、薄混凝土防渗墙、垂直铺设塑膜防渗、水平铺设复合土工膜防渗、土坝劈裂灌浆防渗等坝基防渗型式，以达到延长渗径和坝基渗透稳定、防止坝基地震液化的设计标准。这些水库均已完成除险加固工程，能够满足正常运行要求，坝基渗透稳定，坝基渗漏明显减少。

4 坝基防渗型式分析

4.1 未采取坝基防渗措施

3座未采取坝基防渗处理措施的水库，最大坝高6.3～7.0m，坝前最大水深4.63～5.33m，计算出坝基实际水力坡降小于允许比降，坝后施压盖重宽度11.5～25m、厚度0.5～1.0m，并结合坝后排水的设置，达到了坝基渗透稳定的目的，起到了防止坝基液化的作用。

4.2 采取坝基防渗措施

从防渗措施的部位来看，6座水库分别采取了垂直防渗措施和水平防渗措施或两者结合方式，也就是说6座水库采取的都是水平延长渗径或垂直悬挂式延长渗径防渗措施；从防渗材料上看，6座水库分别采取了搅拌桩墙、混凝土墙、复合土工膜、塑料薄膜和劈裂灌浆防渗或某两种材料结合防渗；从防渗工程型式上看，6座水库分别采取了深层搅拌桩防渗墙、混凝土防渗墙、复合土工膜铺盖、垂直铺塑和水泥灌浆。如图1所示。

4.3 坝基防渗措施对比

究竟何种情况下采用哪一种坝基防渗型式，下面就结合9座平原水库坝基防渗型式的适用性进行理论对比分析研究。

(1)就防渗措施的部位而言，水平防渗措施适用于坝高较低，水头较低，坝基地层较为均一，坝基土质为细粒组、渗透系数偏小，坝前地形起伏不大、较为平坦，坝前有足够的水平位置铺设水平设施的平原水库，根据安全要求，铺盖长度大于或等于5倍坝前水头即可，根据经济效益要求，铺盖长度小于或等于30倍坝前水头即可[4]；垂直防渗措施适用于坝身较高，水头较高，坝基地层分层较多，坝基土质多样、渗透系数偏大，坝前地形有一定起伏、变化明显，坝前工作面较窄的平原水库，垂直防渗措施主要有垂直铺塑、深层搅拌桩、混凝土防渗墙、高压喷射灌浆防渗墙、振动切槽防渗板墙等[5]。

(2)就防渗材料而言，主要有水泥、水泥土、混凝土、复合土工膜和塑料薄瞙。水泥这种材料应用于灌浆、深层搅拌桩和混凝土防渗墙型式，复合土工膜适用于水平铺盖，塑料薄瞙适用于垂直铺塑。其中的土工合成材料如复合土工膜、塑料薄膜的渗透系数为10-11～10-13，若处理好接头部位，其防渗效果可谓最佳；深层搅拌桩防渗墙、混凝土防渗墙、灌浆泥墙渗透系数为10-6～10-8，防渗效果也能很好地满足工程要求，而且接头部位易于处理。

因灌浆材料不同，灌浆还可细分为黏土灌浆或水泥黏土浆灌浆、水泥灌浆或水泥砂浆灌浆、化学灌浆等。

图1 6种坝基防渗型式横剖面图(高程单位：m，其余尺寸单位：mm)

(3)就防渗型式的适用性而言，深层搅拌桩水泥土防渗墙适用于淤泥、黏土、砂土、粉质粘土等多种软质土层，防渗深度6～22m之间；防渗槽铺设复合土工膜适用于防渗深度浅、3m以内即能满足水库大坝渗透稳定的情况；混凝土防渗墙适用于松散透水地基、较高水头的情况，厚度为400mm及以下的薄墙、深度不大于40m，厚度为600～800mm、深度不大于80m，或厚度为1000～1200mm、深度不大于100m的较深、厚墙体；垂直铺塑适用于软土地基，不用打造施工平台，简单易行，深度一般为6～10m，最深可达16m；水平铺膜适用于软质土地基、较低水头的情况，水平铺设长度一般为作用水头的5～6倍；土坝灌浆一般有劈裂灌浆和充填灌浆2种型式，适用于高度70m及以下的均质土坝、土质心墙坝、土堤及其浅层软土地基。

(4)还有一种坝基防渗组合型式，也可称之为联合型式。在洛浦县哈拉快力水库除险加固工程坝基防渗设计中，由于东西两部分坝段的坝基地质结构不同，分别采用了薄混凝土防渗墙和垂直铺塑膜的组合型式，两种防渗型式的连接方法很好地解决了坝基防渗问题[6]。在该水库坝基土层中，有2/3的坝段由细颗粒粉砂层组成，1/3的坝段由粗颗粒砂砾石层构成，该两种土层分界位置约在0+500桩号。坝基防渗设计中0+500桩号以东对应于粗颗粒砂砾石层采用的是薄混凝土防渗墙型式(刚性防渗体)，0+500桩号以西对应于细颗粒粉砂层采用的是垂直铺塑防渗型式(柔性防渗体)。为了做好两种防渗型式的连接，设计采用了15m长的嵌合连接段，其主要设计要点就是采用薄壁(0.3m厚)抓斗机在泥浆护壁条件下挖(抓)出符合防渗深度和清孔后满足浇筑要求的一个长达15m的槽段，然后垂直铺塑机由西向东缓慢开槽铺膜进入挖(抓)出的15m槽段，使得塑膜仍位于防渗轴线上，再分别从塑膜的上下游两侧各沉入1组(共6组间距2.5m)导管，浇筑混凝土将塑膜嵌合于其中，再做好头部密闭处理，从而形成完整严密的刚柔结合的坝基防渗体。如图2所示。

水库蓄水以后，恢复了设计库容，连续多年调节水量超出设计值5%～10%，坝后渗水大幅减少，一改除险加固之前的沼泽、盐碱地为排渗有序、平坦整齐的浅草滩，新增1.3万亩灌溉草场，年增供水量400万m3，产生了巨大的经济效益、综合性社会效益和显著的生态效益，运行应用效果良好。

坝基防渗特性见表2。

4.4 其他常用的坝基防渗措施与特点

4.4.1因成墙设备而异的防渗墙及其特点

(1)双轮铣水泥土搅拌墙(SMC)是一种新型等厚度水泥土搅拌墙施工技术，将双轮铣槽机作为专用的防渗墙施工设备，该工艺以其成槽施工效率高、孔型规则、安全环保、适应地层地质范围广等优点而被普遍采用[7]，该技术在基坑工程止水围护结构和水利工程防渗墙等工程有广阔应用前景。该工法是利用动力驱动装置，施加驱动力，使得两个铣轮相对相向旋转，向下切削搅拌土体，此时，注浆系统也通过注浆孔注入浆液。与土在原地搅拌混合，形成水泥土地下连续墙[8]。目前，国外主要有钻杆式和悬索式两种施工机械，钻杆式施工机械最深可达40m，成墙厚度可达500～1200mm，单幅墙体宽度可达2200～2800mm。SMC工法水泥土搅拌墙芯样的无侧限抗压强度在0.5MPa以上，渗透系数均小于10-6cm/s，成墙效果优于三轴水泥土搅拌墙工法和TRD工法[9]。该技术是一项值得推广的水库大坝防渗墙施工工艺[10]。

(2)与双轮铣槽机造墙形式相似的还有一种隼式防渗墙形式，隼式防渗墙成墙工艺克服了传统双轮铣防渗墙工艺的缺点，提供了一种能制造多个防渗墙段相互隼式接合形成隼式接合防渗墙体的设备。隼式防渗墙工艺最适用于松散透水地层，粒径小于50mm的砾石、砂及软土质地层。每次成墙长度约2.80m，深度可达50m，成墙宽度根据工程需求及设计决定，可在30～60cm之间进行调整，正常情况每天可制造地下混凝土墙200m2或地下水泥土墙 300m2，墙体的垂直度不大于1/300，所形成墙体的透渗系数不大于10-7cm/s[11]。

图2 刚性与柔性防渗体系连接平面图(单位：mm)

表2 坝基防渗特性表

4.4.2水泥土浆体成墙方式及其特点

(1)自凝灰浆是由水泥、膨润土为主要原料并加入缓凝剂、分散剂配制而成，在抓斗等设备抽挖槽孔过程中，将灰浆注入槽中，一方面起固壁作用，同时与地层中的砂土不断混合，自行凝结成防渗墙体的新工艺材料。自凝灰浆防渗墙技术，以其施工速度快、造价低、防渗效果好等优点为欧美、亚洲各国广泛采用[12]。长江三峡三期围堰防渗施工中，首次采用这项技术并获得成功。该成墙工艺设计墙厚80cm，设计强度R28≥0.5MPa，渗透系数K≤i×10-6cm/s，破坏比降J>40，弹性模量E为120～240MPa。

(2)还有一种防渗型式是防渗墙与灌浆兼而有之，但从施工工艺来讲，应当属于灌浆防渗型式。它是采用高压旋喷灌浆的方式，在坝基地层中形成一定厚度和强度的水泥土防渗墙体。高压旋喷灌浆施工技术在工程中的实际应用表明，其对坝体坝基的防渗堵漏有着明显的效果，具有较好的安全性和耐久性。高压旋喷注浆法主要用于软弱土层的加固工程当中，其主要特点如下：适用范围广，解决静压注浆不能注入细颗粒土层的加固问题。可用于新建工程，也可用于工程修复。用于不停止生产的建筑物加固更为优越。旋喷施工可以不破坏原有的建筑物，只在地面钻一个直径为76～200mm 的钻孔即可旋喷成0.4～4m的固结体。固结体形状可以控制，强度高。固结体可灵活布置，可单桩或密集桩承载。噪音小，无污染。

4.4.3其他防渗形式的特点

垂直防渗墙作为一种坝基防渗形式，在水库大坝工程中用途很广泛。有研究发现，若只满足坝基的渗透稳定，防渗墙的深度只需要3～4倍的上游水头即可满足要求；但是渗流量较大，当防渗墙的深度达到11～13倍的坝前水头时，单宽渗流量曲线均开始趋于平缓，此时再增加防渗墙的深度，对于减少坝基渗流量基本上已经失去意义[13]。增加防渗墙厚度会增加防渗效果，但防渗墙厚度增加1倍，才消减10%水头，这同时也说明，靠增加防渗墙厚度来提高防渗效果是不经济的[14]。

无限深透水坝基采用土工膜水平铺盖防渗时，水平铺盖存在有效长度，该长度大约为坝前水头的22～30倍，当铺盖达到此长度后，坝基的渗流量就会趋于稳定，再延长铺盖在控渗方面效果不明显；此外，满足渗透坡降的所需水平铺盖长度大约只需 3～6倍的坝前水头甚至更短，说明渗透坡降与渗流量相比较，对水平铺盖长度的要求较低。当无限深透水坝基采用不透水的垂直防渗墙控渗时，垂直防渗墙同样存在一个有效深度，该深度大约是坝前水头的11～15倍左右。当防渗墙深度达到此深度后，防渗墙控渗效果将趋于稳定，没有必要再延长尺寸；同样发现，坝基的渗透坡降对防渗墙深度的要求相比渗流量所要求的深度要小。垂直防渗体的防渗效果大约是水平防渗体的1.5～3.5倍[15]。

武清[16]等借鉴下坂地水库及斯木塔斯水电站等其它类似工程建设经验，对古河槽内深厚大孔隙卵砾石地层，采用防渗效果好的全封闭式槽孔混凝土防渗墙防渗方案。并且提出对于墙深小于60m的墙下底部基岩则结合帷幕灌浆处理，灌浆的深度按基岩透水率5Lu线控制；对于墙深大于60m的超深防渗墙，其入岩深度按基岩强风化层厚度2m控制，不再进行帷幕灌浆处理。郝永志[17]在大石门水利工程深厚砂砾石覆盖层防渗处理设计中指出，垂直防渗是深厚覆盖层防渗处理的一种行之有效的处理方式，常采用混凝土防渗墙、帷幕灌浆和悬挂式混凝土防渗墙下接砂砾石帷幕灌浆(上墙下幕形式)。

就防渗墙而言，由国外引进的超薄防渗墙工艺能满足墙厚7.5～15.0cm、墙深20m以内的各种防渗墙。还可以由两种或两种以上不同材料、不同型式联合组成的防渗方案。但不论采用何种方式、何种材料进行坝基防渗，对于该类平原水库而言，在有条件的情况下需要采取合适的坝基防渗型式。只要采取了符合坝基地质条件要求、并且能够达到坝基渗透稳定，在地震情况下坝基不发生破坏，同时能够有效减少坝基渗漏，能够达到效率优先、经济优化、多快好省的施工建设，最具适用性的坝基防渗型式，就能够发挥出水库工程的应有效用、达到预期效益。

5 结语

随着社会和科技的快速发展，水库坝基防渗新技术、新工艺、新材料会不断出现，但是本文列示的几种坝基防渗型式，仍是今后平原水库除险加固工程建设可供比选的有效类型，尤其对于坝基地层存在两种或两种以上结构型式的连接，推荐采用刚性与柔性结合的坝基防渗型式；不仅要达到水库坝基渗透稳定的要求，还要满足最小渗漏量和水库安全运行的要求；要根据水库的地质情况以及工程特性进行甄别选用，能够采用先进有效适用的坝基防渗型式才是本文探讨与推广的积极意义。