小型水库大坝除险加固技术方案

苗得雨

（青岛西海岸新区城市管理局（水务局），山东 青岛 266431）

0 引言

水库大坝是水利工程建设中的重要内容，为社会生产生活提供重要保障。在我国发展建设初期，建设了众多小型水库大坝，为推进社会经济发展与人们生活质量提升做出重要贡献[1]。然而，目前很多水库大坝经过几十年的使用，其安全性发生了一定变化，在工程质量、防洪安全、渗流安全、结构安全等方面与当前工程规范要求不相符，出现较大的安全隐患。因此，加强水库大坝除险加固措施是非常必要的。某水库大坝是一座小型水库，主要负责周边地区防洪、灌溉，由于水库建设时间较长，通过对水库大坝安全评判，发现大坝局部存在渗漏隐患，需要及时进行防渗加固。根据水库大坝实际情况，合理选择水库大坝除险加固技术方案，为水库运行稳定提供保障。

1 工程概况

某水库为一座小（二）型水库，水库工程动工建设于1966年，1967年正式投入使用。现状大坝高程为525.4m，防浪墙顶高程526.5m。20年一遇设计洪水位510.1m，200年一遇校核洪水位510.8m，死水位500m。总库容12.14万m3，有效库容8.2万m3。大坝为黏土心墙土石混合坝，大坝最高处坝高为32.7m，坝顶长宽分别为52.5m、59.5m。上游坝坡分两级，自上而下坝坡比为1∶2.67、1∶2.5，下游坝坡分五级，自上而下坝坡比分别为1∶1.68、1∶3.82、1∶1.41、1∶ 2.42、1∶ 0.62。

水库运行已经超过50年，存在较为显著的工程老化问题，渗漏严重，上级主管部门对其除险加固高度重视，工程已进行安全鉴定，并被认定为三类坝。大坝主要存在问题有：上下游坝坡面不平整，坝体渗水；防渗区土料密实度不足，压实不均匀，难以满足要求；大坝迎水坡、背水坡局部均有杂草生长，影响坝体稳定性。

水库大坝坝基主要为全风化花岗岩、强风化花岗岩、弱风化花岗岩，勘探期间，钻孔深入坝基弱风化花岗岩中，通过对岩体进行压水实验，结果显示单位吸收率小于5Lu，弱风化花岗岩坝基具有弱透水性。对强风化花岗岩进行注水实验，透水系数为0.0411cm2/s～0.0672cm2/s，平均值K为0.0523cm2/s，小于0.01cm2/s。强风化花岗岩坝基具有中透水性。

2 大坝防渗加固设计

2.1 大坝渗流分析

通过坝体填土试验确定大坝渗流系数，试验结果现实大坝填土水平渗透系数范围在2.12×10-5cm/s～7.25×10-5cm/s，垂直渗透系数范围在 1.62×10-5cm/s～ 4.81×10-5cm/s。计算大坝渗流量选择渗流系数为最大值平均值，K=5.84×10-5cm/s，水位聚降浸润线时选择渗透系数为最小值平均值，K=3.89×10-5cm/s，坝基渗透系数选择K=5.21×10-5cm/s。采用岩土计算软件《渗流分析计算》，对有渗流现象的最大坝高断面进行计算，计算结果为不同工况坝体单宽渗流量分别为工况S1q=1.15e-4m3/s·m、S2q=1.42-4m3/s·m、S3q=1.62e-4m3/s·m（e为孔隙比），出逸点以及出逸坡降均超出了答应范畴，因此需要对大坝进行防渗加固施工。

2.2 大坝防渗加固设计方案

综合考虑该工程中实际存在的渗流安全隐患、日常运行检查中发现的额渗流问题以及经过渗流分析明确的大坝渗流问题，共提出3种大坝防渗加固设计方案，分别为第一种，单管高压旋喷防渗墙技术。该技术方案具有良好的防渗效果，但工程造价相对较高[2]；第二种，翻砌迎水坡并铺设600g/m2的复合土工膜。该技术方案防渗效果相对较低，由于在铺设复合土工膜过程中，施工环境中的石块、重物等容易直接刺破复合土工膜，并且土工膜存在接缝，如果不能做好接缝处理也会影响防渗效果[3]；第三种，大坝上游面混凝土面板防渗处理。该技术方案防渗效果比较不理想，混凝土面板属于刚性体，容易有裂缝等问题产生，难以保证良好的防渗效果[4]。

该工程中，为确保达到良好的防渗效果，彻底解决水库大坝渗漏问题，在综合考虑经济、技术以及防渗效果等各方面影响因素后，最终确定选择单管高压旋喷造防渗墙技术方案，实现坝体防身效果最大化，确保施工质量。

3 大坝防渗加固单管高压旋喷造防渗墙技术方案实施

该工程单管高压旋喷防渗墙设计方案中，施工设计参数具体为桩径（d）为0.6m，桩距为0.5m，设计项高程▽6.23m，设计墙底高程▽-3.78m，墙深10m，墙体渗透系数K不超过1×10-6cm/s，桩身强度≧1.5MPa。在堤基础内侧进行钻孔灌注桩施工，施工完成后，桩间实施高压旋喷法进行施工，造φ0.6m防渗墙。综合考虑施工进度及施工成本等因素，确定安排1套设备进行单管高压旋喷砼防渗墙施工，施工工作面由一侧向另一侧展开。

3.1 施工机械设备选择

选择单管高压旋喷机械设备，根据桩长度为10m，喷浆压力大于25MPa，输浆量大于70L/min的要求，以及在污泥以及污泥质土壤中，喷管的提升速度不应当小于0.1m/min，砂层速度为0.15m/s，旋转速度为20rpm，最终确定高压旋喷机械设备如下。1）高压泵：选择SNC-H300型珠江车，泵压范围在 20MPa～30MPa，流量范围 40 L/min～80 L/min。2）钻机：选择100型旋转钻进，其钻杆速度最高为50r/min，提升速度最大为7200mm/min，可以根据工程条件进行适应性变化。3）浆液搅拌机：选用200 双筒立式搅拌机。4）旋喷管：由单层注浆管、单管导流器、单管双控喷头构成。单层注浆管中钻杆选用外径为φ50mm的地质钻杆，每根钻杆长度约在2m，连接螺纹处进行密封处理；单管喷头选用平头双孔喷头，底部镶嵌硬质合金。5）高压管路：采用钢丝缠绕液压胶管，其工作压力需高于喷射泵压力，根据流量，确定内径为d=19mm。6）液体流量计：采用电磁式流量计，量程为 10L/min～20L/min。

3.2 单管高压旋喷桩施工

3.2.1 施工流程

单管高压旋喷桩施工首先要进行测量放线，具体施工流程如图1所示。

图1 单管高压旋喷桩施工流程图

3.2.2 施工方法

根据单管高压旋喷桩施工流程，其施工的具体方法如下。1）施工前，需要先对施工场地进行平整，合理设置排浆沟等，并按照施工设计图纸测量放出各桩的中心位置，并用套板或撒石灰的方式标记出桩位。2）先进行孔位布点，然后根据孔位进行孔口管的埋设，从而避免钻进和旋喷过程中孔口发生塌陷。孔口管可以进行循环使用。3）钻机就位：在安放钻机时注意下垫上一层木板，从而确保钻机放置保持在水平位置，钻杆保持垂直，钻杆倾斜度应当小于1.5%。4）钻孔：采用旋转振动钻机钻孔，确保孔位偏差不超过50mm。钻孔施工中，还需用泥浆泵及及时注入泥浆护壁，防止塌孔情况发生。5）接注浆管：钻孔到设计孔深之后，检查各部位密封圈状态，确定其处于封闭的状态，检查各管安装正常后，放入钢珠，使喷口成水平状态，接好注浆喉头，连接上高压注浆机。6）旋喷：在正式喷射作业前先进行试喷，经过现场试验确定满足设计要求的技术参数，具体技术参数如下：喷浆压力≥25MPa，水灰比1∶1，旋喷管提升速度0.1m/min～0.15m/min，旋转速度20rpm。首先，桩底旋喷1min后，再进行边提升、边旋喷操作。在喷射过程中，达到预定喷射压力以及喷浆量之后才能逐步提升注浆管；喷射中如果发生故障问题，则需要立即停止提升和旋喷，防止桩体中断，并立即进行故障的检查排除；如果发生浆液喷射不足的倾向，对桩体设计直径产生影响时，则需要进行复喷。在该工程中，由于桩径较大，施工拟选用提高喷射压力、泵量和降低注浆管提升速度的方法，使喷浆量满足桩体尺寸要求，达到设计标准。其次，注意高压喷管旋转的灵活性，并且在高压作用下有良好的密封性。喷射注浆管提升高度超出设计高程0.5m时，用注浆泵连续注浆，等到水泥浆从孔口返出，则停止注浆，并将注浆泵吸水管转移到清水箱中，抽吸清水将注浆泵和注浆管中的水泥浆顶出来，然后停泵。最后，在旋喷中注意观察是否存在冒浆的情况，如出现则立即进行妥善处理，清理掉沉淀的泥渣，并进行详细记录[5]。7）注浆管卸下之后，则应当立即用清水进行冲洗，使管路各个通道清洁干净，同时拧上堵头。注浆泵、注浆管路、浆液搅拌机等设备均用清水冲洗，高压泵管路也要送水冲洗。

3.3 施工质量控制与防渗加固效果分析

3.3.1 施工质量控制措施

首先，在施工过程中，严格按照工程设计参数施工，同时加强材料用量的施工控制。如实做好包括孔深、喷射压力、提升速度等各项参数的详细记录；所有进场水泥都需要按照规范进行检测；严格控制水灰比。其次，施工中，如果出现特殊情况，须立即采取相应措施，并查明问题出现原因。最后，严格按照要求，在大坝防渗加固施工完成后4周对施工成果进行质量检验。

3.3.2 大坝防渗加固效果分析

大坝防渗加固施工完成后，对大坝渗流稳定情况进行复合，共选择6种不同计算工况计算，具体如表1所示。

表1 计算工况及对应水位表

大坝防渗加固施工后，在大坝稳定渗流工况下，大坝设计洪水位浸润线、正常蓄水位降至死水位浸润线位置高度均在高程之下，出逸点位于棱体处。渗流计算成果图如图2所示。

图2 大坝加固后渗流计算成果图

大坝加固后，计算最大坝高断面渗流量、背水坡最大断面渗流量，结果显示单宽流量均不超过0.03cm2/s，坝体最大水力比降最高为0.311，满足大坝渗流稳定性要求。计算结果如表2、表3所示。

3.3.3 渗流安全评价

式中：[J允]—出逸坡降允许坝体最大水力比降下限值。Cs—土颗粒的比重，该工程计算中该值为2.68。n—空隙率，该工程计算值为0.43。K—安全系数，选取值范围为1.5～2。

通过上述公式计算，可以得出[J允]范围在0.489～0.652，根据表2和表3的计算成果可以，水库不同计算工况下，单宽流量较小，理论计算所得出的坝体最大水利比降均低于出逸坡降允许坝体最大水力比降下限值。结果表明，防渗加固后大坝渗流稳定满足设计要求。

表2 大坝加固后最大坝高断面渗流计算成果表

表3 大坝加固后背水坡最大断面渗流计算成果表

4 结语

水库大坝除险加固工程是保证其稳定运行的重要内容。其中，大坝防渗加固是水库大坝除险加固施工的重点。目前，在大坝防渗加固施工中，有较多的施工设计方案，具体选用要根据工程实际情况，确定最佳设计方案。在该工程中，由于是小型水坝，大坝防渗加固工程量相对较小，对防渗加固效果要求较高，因此选用单管高压旋喷造防渗墙的施工技术具有显著优势。该工程施工结果证明，通过采用单管高压旋喷造防渗墙技术方案进行施工，能够获得良好的防渗加固效果，水库大坝防渗加固工程取得了明显的成效，工程质量得到保证，可以为类似工程的技术方案提供参考。