综合防渗技术在小型水库除险加固工程中的应用

吴胡强

(安徽水安建设集团股份有限公司，安徽 合肥 230601)

1 工程概况

某山区水库工程为区域内重要的水源地，水库容量库容达到2730万m3，集水面积为15.94 km2，河流长度2350 m，河流坡降为8.7%，正常水位为53.7 m，灌溉面积40 hm2，属于中等水库，主坝坝顶高程192.00 m，最大坝高为29 m，坝底部厚度为56 m，坝顶部厚度为10 m。水库大坝工程修建于20世纪60年代，经过长期运行，再加上库区长期以来改造建设投入力度不大，致使大坝工程建构筑物出现老化失修和破损现象，多次发生渗漏现象，坝体工程处于带病运行状态，严重影响了水库防洪灌溉效益的发挥[1-3]。坝体填筑材料为粉质黏土，基本物理力学性质如表1所示。

表1 水库坝体填筑材料基本物理力学参数

对坝体内的填筑材料取样进行颗粒分析，以计算坝体的渗流破坏类型。试样共取得5个，编号为ZGST1-1～ZGST1-5，取样点沿着坝体纵向均匀布置，均位于坝体中心、大坝路面以下3 m位置。筛分表明ZGST1-1试样的不均匀系数Cu为7.4，wd<60 mm(为土体粒径<60 mm孔径的土体质量占比，后同)为7.4%，wd<10 mm为1.0%，wd<70 mm为10.0%，界限粒径df为0.033，黏粒含量Pc为41.7%，经判别，取样点的渗透变形和破坏类别为流土破坏；ZGST1-2试样的不均匀系数Cu为8.0，wd<60 mm为8.0%，wd<10 mm为1.0%，wd<70 mm为12.0%，界限粒径df为0.035，黏粒含量Pc为39.1%，经判别，取样点的渗透变形和破坏类别为流土破坏；ZGST1-3试样的不均匀系数Cu为7.8，wd<60 mm为7.8%，wd<10 mm为1.0%，wd<70 mm为12.0%，界限粒径df为0.035，黏粒含量Pc为39.1%，经判别，取样点的渗透变形和破坏类别为流土破坏；ZGST1-4试样的不均匀系数Cu为8.0，wd<60 mm为8.0%，wd<10 mm为1.0%，wd<70 mm为11%，界限粒径df为0.033，黏粒含量Pc为43.8%，经判别，取样点的渗透变形和破坏类别为流土破坏；ZGST1-5试样的不均匀系数Cu为7.9，wd<60 mm为7.9%，wd<10 mm为1.0%，wd<70 mm为11.0%，界限粒径df为0.033，黏粒含量Pc为29.6%，经判别，取样点的渗透变形和破坏类别为流土破坏[4]。

2 小型水库综合除险加固技术

2.1 灌浆帷幕除险加固技术

从经济角度和技术可行性角度出发，对水库采用20 m的“帷幕灌浆防渗墙+土工膜技术”的综合除险加固。为了保证防渗效果，同时达到提高坝体稳定性的目的，帷幕灌浆防渗墙按照钻孔与测斜、冲洗与压水、制备浆液、灌浆施工顺序进行。

在钻孔与测斜施工中，首先在坝体上按照图纸要求位置布孔，采取小口径回转式钻机进行钻进，钻入预定深度后对钻孔的垂直度进行测量，验收合格后方可进入下一步工序，钻孔的垂直度可采用分段测量的方式进行，钻孔偏斜率和偏斜角计算方法如式(1)～式(2)所示，计算原理如图1所示。

图1 钻孔测斜计算原理

(1)

θ=arctanδ

(2)

式中；δ为钻孔偏斜率；l为测量分段长度，m；θ为钻孔偏斜角，(°)；α为钻孔偏斜方位角，(°)。

在冲洗与压水施工中，对孔内进行冲洗达到30 min以上，且压水水压达到1 MPa，才认定孔内质量满足注浆灌浆要求；在制备浆液过程中，采用集中制浆法进行供浆，浆液的各项指标应满足规范相应要求，比如浓度、细度等；在灌浆施工中，应控制灌浆压力和灌浆段长度，在灌浆完成后，采取1∶2的浓浆液将孔内的稀浆液置换出，并对整体灌浆过程进行记录。

2.2 土工膜防渗技术

土工膜是以合成树脂为集料，加入了抗氧剂、色母等辅料的人工合成材料，具有耐久性好、成本低廉、渗透性低、抗拉强度高、无毒性、防霜防冻等优点，广泛应用于坝体的防渗、围堰防渗和堤坝防渗中。本研究中采用土工膜进行库底的防渗，其防渗结构从上至下分别为间距150 mm×150 mm沙袋、500 g/m2规格的土工布、厚度1.5 mm的HDPE土工膜、500 g/m2规格的土工布、土工席垫、60 mm厚垫层料、150 mm厚过滤料和库底回填石渣。

3 综合除险加固技术的防渗效果评价

除了在库底铺设土工膜，在迎水侧坡脚、坡顶左侧、坡顶中部和坡顶右侧沿坝体纵向(左岸为坐标原点)布置帷幕灌浆排列，分别编号为钻孔A列、钻孔B列、钻孔C列和钻孔D列。对帷幕灌浆量的大小进行测试，结果如图2所示。从图2中可以看出，不同的帷幕灌浆排列，其灌浆量曲线表现出不同的变化。迎水侧坡脚灌浆量(钻孔A列)在坝长100 m范围内变化剧烈，最大灌浆量达到34.99 m3，靠近右岸时，灌浆量相对较小，平均灌浆量约11.60 m3；坡顶左侧灌浆量(钻孔B列)在坝长范围内变化剧烈，灌浆量变化范围为5～25 m3；坡顶中部的灌浆量(钻孔C列)在坡长范围内的变化较为平缓，灌浆量变化范围为11.99～17.61 m3，平均值为16.17 m3；坡顶右侧坡脚灌浆量(钻孔D列)在坡长范围内的变化起伏不大，灌浆量变化范围为10.00～12.94 m3。

图2 不同帷幕灌浆排列灌浆量曲线

为了评价灌浆帷幕的注浆效果，沿着坝长方向按30 m间隔布置5个横断面(以左岸为坐标原点)监测坝顶的沉降量，分别为坝长30 m位置、坝长60 m位置、坝长90 m位置、坝长120 m位置和坝长150 m位置，监测时间长度为帷幕灌浆完成后360 d，结果如图3和表2所示。从图3中可以看出，不同坝长位置的沉降变化规律较为一致，均在帷幕灌浆施工后初期，呈现较快的非线性增长，而随着监测时间的增长，沉降量逐渐趋于稳定，各个断面坡顶沉降趋于稳定的时间大致相同，为帷幕灌浆施工后180 d，但各个断面坡顶的最终沉降量并不一致，坝长30 m位置、坝长60 m位置、坝长90 m位置、坝长120 m位置和坝长150 m位置的最终沉降量分别为8.25 mm、10.77 mm、10.80 mm、14.97 mm和13.50 mm，表现为靠左岸坝顶沉降相对较小，靠右岸坝顶沉降相对较大的规律。

图3 不同监测断面坡顶沉降曲线

表2 5个不同监测断面坡顶沉降现场实测结果

为了验证“帷幕灌浆防渗墙+土工膜技术”综合除险加固效果，对水库坝体加固前后不同水位的渗流量、出逸坡降和出逸流速进行测试，结果如图4所示。

(a)渗流量变化

从图4(a)中可以看出，相比于水库坝体加固前，加固后不同水位的坝体渗流量出现不同程度的下降，下降幅度变化范围为70%～77%。死水位(166.9 m)的渗流量降幅最大，从加固前渗流量0.15×10-4m3/s降低到加固后的0.034×10-4m3/s，降幅为77%，正常蓄水位(175.0 m)和校核洪水位(177.8 m)的渗流量降幅相近，降幅约为70%。

从图4(b)中可以看出，相比于水库坝体加固前，加固后不同水位的坝体出逸坡降出现不同程度的下降，下降幅度变化范围为60%～71%。死水位(166.9 m)的出逸坡降降幅最大，从加固前出逸坡降0.014降低到加固后的0.014，降幅为71%，设计洪水位(175.0 m)的出逸坡降降幅最小，降幅约为60%。

从图4(c)中可以看出，相比于水库坝体加固前，加固后不同水位的坝体出逸流速出现不同程度的下降，下降幅度变化范围为80%～89%。死水位(166.9 m)的出逸流速降幅最大，从加固前出逸坡降0.097×10-6m/s降低到加固后的0.010×10-6m/s，降幅为89%，校核洪水位(177.8 m)的出逸流速降幅次之，降幅约为88%，正常蓄水位(175.0 m)的出逸流速降幅最小，降幅约为80%。

综合以上分析表明，采用“帷幕灌浆防渗墙+土工膜技术”综合除险加固技术使得病险水库的出逸坡降、出逸流速和渗流量都大幅度降低，加固防渗效果明显。

4 结 论

以某山区小型水库工程坝体防渗除险加固为研究对象，采用“帷幕灌浆+土工膜”的综合除险加固技术，分析加固效果，得到以下结论：

(1)迎水侧坡脚、坡顶左侧、坡顶中部和坡顶右侧沿坝体纵向布置帷幕灌浆排列的注浆量呈现显著的不同，总体而言，迎水侧坡脚侧灌浆量最大。

(2)不同坝长位置的沉降变化规律较为一致，均在帷幕灌浆施工后初期，呈现较快的非线性增长，而随着监测时间的增长，沉降量逐渐趋于稳定，但各个断面坡顶的最终沉降量并不一致。

(3)采用“帷幕灌浆防渗墙+土工膜技术”综合除险加固技术使得病险水库的出逸坡降、出逸流速和渗流量呈现不同程度的降低，不同水位条件下渗流量降幅70%～77%、出逸坡降降幅60%～71%、出逸流速降幅80%～89%，表明综合除险加固起到了加固防渗效果。