某水库土石坝渗漏问题研究

温豪增

(广东宇源水利发展有限公司，广东 梅州 514000)

据统计，广东省300多座大中型水库中有220余座划分为病险水库，大多为土石坝工程。超过60%为二类坝，其余40%为三类坝。相关统计显示，在广东省通过相关安全评估被确定为病险水库中的二、三级的六十余座大中型水库土石坝工程中，存在一定渗漏问题的竟有56个，出现有坝坡稳定性问题的有30余个，而需要坝体加高的仅12个，当前广东省大中型水库土石坝工程的危岩坝存在的最大的共性问题是渗漏问题[1]。

广东清远某水库土石坝主要有以下问题：大坝防渗体的防渗能力达不到防渗要求，防渗体压实度不够，虽然，主坝段坝下基岩完整性好，但是副坝坝下基岩节理裂隙较发育。大坝组成分为土砂壳分区坝、壤土心墙砂壳坝。根据安全评估，以上的问题的存在会导致其因为坝后浸润线比较高而发生不利，渗漏量在坝体会比较大。本文研究和总结了广东的主要中大型土石坝水库的渗漏问题识别方法和常用治理措施，以清远某水库的防渗加固设计为例，提出对典型土石坝的渗流治理方案，为类似工程条件的土石坝防渗工程提供参考依据。

1 土石坝渗透常用识别和控制方法

目前，主要有两种经验判断危险性渗漏的方法和多种物探的方法应用在广东的大中型水库土石坝工程的运营管理中,一是通过渗出水的温度、色泽、水量的变化判断发生渗漏的部位。二是探测是否发生渗漏，还有多种物探的方法，如：基于电场判断的直接电阻率法、自然电场法，基于电磁的探测技术的瞬变电磁法、地质雷达法，综合起来的高密度电法等。

1.1 经验法来判断渗漏

接触面在坝体和坝基的位置,则非常有可能发生管涌、渗透变形或接触冲刷。在输水涵管的周边发生渗漏,则非常可能发生渗透变形、接触冲刷或管涌。渗漏如果发生在横向裂缝或者水平裂缝,有可能发生渗透变形或管漏。如果排水体的反滤层上部出现渗漏，则可能出现一种或多种具有危害性质的渗漏。

温度：可以根据渗水温度与季节的差异判断，水体从库中底层渗出的温度与气候相反，冬暖夏凉，山坡渗出的水体冬冷夏热。颜色：正常情况下，渗水会比较清澈；若渗水的水质透明度低、含沙量较大、水质浑浊，则渗漏情况不佳。水量：正常情况下，渗漏量会比较小；在水位保持稳定情况下，渗漏量随时间增长而增大,或者渗漏量一直较大，有害渗漏可能大。

1.2 综合物探的方法判断

高密度电法是一种观测点密度非常高的方法，是将电剖面方法与电测深方法的组合，可以同时探测发生在垂直和水平方向上的电性变化。当供电电极C1、C2之间的距离增大时，高密度电法的探测深度也随之增大；相应地，C1、C2之间的电极距也会随着隔离系数n的增大而逐次增大，能够反映地底深部介质的效果也会逐渐加强。通常把高密度电法的测量结果表示成一种倒三角形的二维断面的电性分布。

瞬变电磁法从原理本质来看就是电磁感应。发射一脉冲磁场向地下，通过使用不接地的发射线圈，分析地下构造基于观测分析二次磁场情况。当产生的二次磁场越强，涡流场越强时，说明含水率越大。

振动波法探测技术是制造弹性波通过激发震源在地面实现的，用检波器来接收。其对地下隐患探测是通过分析接收波的特征来实现的。对埋深较大且有一定规模的隐患会有较好的探测效果。

1.3 土石坝渗流控制常用技术措施

抑制土石坝渗流的措施原则上是控制渗流梯度不超过容许梯度，加大渗流的直径，增强土石坝渗流的稳定性，适时结合排水措施，降低大坝下游基建的剩余水头，促进排水。

(1)黏性土覆盖坝基。若不渗透层处于坝基中的深度较深或者在坝基中发生比较严重的渗透，可以覆盖黏土覆盖物，防止继续渗透。

(2)土工膜防渗土。基础在可渗透情况下在其上建设土石坝的一种比较常见的形式是用斜心墙覆盖物。主要是使用主膜的复合土工膜，当需要覆不渗透材料时，可用复合土工膜用作芯墙的。

(3)防渗帷幕。帷幕灌浆通常是指将不可渗透的帷幕用作于防渗处理在坝基岩石基础上,可以使用化学灌浆或水泥灌浆。

(4)土壤不渗透体。在土石坝规划设计过程应用最多的防渗结构是防渗土。确定合理的倾斜壁和岩心的厚度能够满足对渗透率的控制要求是设计的核心任务。坝体岩心墙材料允许的水力梯度和设计扬程是确定防渗体厚度的前提。

2 清远某土石坝渗漏的情况

2.1 清远土石坝渗流情况调查

通过地质调查结合综合物探的方法，对清远该土石坝渗流问题进行调查，发现西副坝下的结晶灰岩的岩溶发育情况较多，严重透水情况严重，直接与防渗体接触的为含白云质灰岩、结晶灰岩韵律，岩溶及层理较发育。大坝基岩完整性和节理裂隙呈主河槽向两侧逐渐变发育的趋势，透水率也随之增大。大坝防渗体防渗能力不足。

2.2 清远土石坝的渗流控制原则

控制渗流的有效方法是“前堵、中截、后排”。坝基是“前沿、中裁、后压”。坝下基岩节理裂隙及岩溶发育的问题，使得部分处的坝后基岩有渗漏情况出现，在2005年后对渗漏范围的基岩段进行了帷幕灌浆的治理措施，目前大多处的灌浆防渗效果仍然较好满足工程渗透稳定性要求，此次不再对坝下基岩进行防渗加固处理。坝下部分地带的强透水性层位置较深，与防渗体接触的基岩破碎面已进行了接触带灌浆。从渗透稳定的角度来看，产生基岩面接触带冲刷破坏的可能性较小。因此此次只对不满足规范要求的大坝防渗体进行防渗加固。土石坝坝基和大坝两岸的基础在渗流体积、渗透率、渗流梯度和渗流直径必须在可接受的范围内[2-4]。

3 清远土石坝渗漏分析

3.1 防渗加固方案选择

以大坝的加固除险的需求和大坝现状来看，大坝防渗加固宜采用垂直截渗措施。垂直截止措施可选塑性混凝土防渗墙。坝基垂直截渗主要有复合土体、置换固化、土工合成、成墙、灌浆等方法按防渗体的结构型式及材料来划分。主坝从防渗槽底到大坝坝顶的最大高度约40.0 m。

3.2 加固轴线选型

现状大坝由20世纪60～80年代分三期建成，后期建设的主要是对上部接斜墙做防渗体，砂壳补坡在坝后，大坝的现状防渗体偏上游约15 m，也是因为大坝的多期加高导致。

根据现有坝型情况，选择上游坝肩作为加固轴线：

将防渗墙从坝顶贯穿到基岩，轴线设置于上游坝肩处。防渗墙体从下到上依次穿过基岩、坝基砾质粗砂、壤土心墙、壤土斜墙、下游坝壳、黏土质砾质粗砂，把墙体深入基岩中半米。由于大坝的坝高不同，设置副坝段的坝墙厚度为0.4 m，主坝段墙体厚度为0.6 m，选择此截渗轴线的主要优点：上部护坡不用拆掉，方便操作并且施工技术不高，施工影响范围不会太大，并且加固措施简单，防渗效果好。

位于上部的大坝防渗体仅需要抵挡在设计洪水位以上的洪水，设计的最高所需的挡水水头约4 m。根据上部防渗体的位置，结合大坝防渗体的挡水要求，拟定了黏土斜墙方案，优点为施工技术难度不高，防渗效果明显。缺点为现有土壤不满足防渗要求，所需土方工程量大，施工工期长。轴线处的防渗加固布置效果见图1。

图1 轴线1上游坝肩处

3.3 防渗墙加固设计

3.3.1 防渗墙厚度设计

防渗墙墙体应满足抗渗性、耐久性、 计算防渗墙厚度见式(1)：

T=Hmax/J允许

(1)

式中：Hmax为最大水头差作用在防渗墙上的,m；J为防渗墙允许渗透比降，取75。

经计算0+360～1+450段和0-035～0+360段及1+450～1+600段最小墙体厚度分别为0.53 m 及0.34 m。

综合考虑施工的打孔深度、打孔斜率防渗墙的经济厚度、国内外的施工经验等方面考虑，大坝桩号0+360～1+450段墙厚采用0.58 m,桩号0-035～0+360段及1+450～1+600段采用墙厚0.5 m。防渗墙打入基岩0.5 m。

3.3.2 防渗墙高度设计

塑性混凝土防渗墙需要承担大坝上部的斜墙的防渗功能和先前心墙防渗能力不够的问题，在对大坝进行防渗加固后。设计演算调洪，在设计水库为100年一遇设计洪水位为180.55 m，按校核洪水位一万年一遇的洪水位为193.54 m。所以其加固后的防渗墙顶部的高程不应该低于这个高程即193.54 m。按照校核洪水位即万年一遇时其波浪爬高高度为0.79 m，现有的防浪墙底部高程186.45 m。必须要将为使防渗体同防浪墙之间进行紧密连接，使用高塑性黏土回填于防渗墙与防浪墙之间，防浪墙基础与防渗墙基础间高差不小于0.50 m，防渗墙基础高。所以设计防渗墙顶高程是186.95 m。

3.3.3 加固后渗流分析

按设计防渗加固，大坝坝体渗流状况和渗漏量有了明细的改善提升，说明设计防渗加固的效果非常明显。

主坝段：坝后的浸润线在计算工况下下降到了砂层，而且坝后坡出逸比、防渗墙、降齿墙都有了明显的降低并且满足土体的防渗要求；渗漏量上比较加固前大坝的渗漏量减少57%，水头的消减程度大于70%，取得了明显的截渗效果，浸润线在坝后也显著降低。

东、西副坝：大坝浸润线明显降低，防渗效果明显，渗漏量也减小，随水位上升防渗墙的截渗效果也明显提高；坝后的坡出逸比降、心墙、防渗墙明显降低并且都能够满足设计的；副坝坝后无防护且增加了反滤保护措施。

4 结 论

(1)梳理了广东省现有的土石坝工程现状，渗漏特点，探测方法和加固手段。“上堵下排”为主要有效的防渗控制原则。

(2)防渗轴线选定为上游坝肩前，采用了黏土斜墙+塑性混凝土防渗墙的防渗加固方案。

(3)优化了防渗墙厚度和高度，分析计算评估了加固后的防渗效果，为类似工程提供参考。