富水水库大坝防渗加固对策研究

熊海滨，彭文祥，周晓明

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，430010，武汉；2.国家大坝安全工程技术研究中心，430010，武汉；3.流域水安全保障湖北省重点实验室，430010，武汉）

渗漏是土石坝最为常见的病险情，其危害不容忽视。土石坝防渗加固措施可分为水平防渗和垂直防渗两大类，前者以水平铺盖为主，常与下游排水减压设施相结合，是控制渗流的一种经济有效的措施；后者有防渗墙、高压喷射灌浆、劈裂灌浆等方案，相比水平防渗措施更为常用。与一般水库大坝不同，湖北省富水水库大坝（以下简称富水大坝）的渗控体系较为复杂，主要由上游黏土铺盖、黏土心墙、坝基混凝土截渗墙和下游减压井组成，其坝基渗压水头与一般水库大坝的表现规律不同。目前富水大坝依然存在渗漏问题。例如，水库在库水位超过55 m 高水位运行时，下游减压井出水量大幅度增加，且经常淤堵导致局部失效，维护管理极其不便。此外，大坝下游坝脚大规模设置减压井渗控措施在已建成运行的大型水库中较为少见。

富水大坝渗控体系复杂，渗漏问题极具代表性，进行加固设计时，如何客观评价现状防渗体系中各渗控因子的安全性态、选择加固原有防渗体系还是重构防渗体系等一系列关键问题有待解决。本文在综合分析大坝地质勘察、设计、施工及渗流观测等资料的基础上，结合大坝渗流有限元计算成果，对富水大坝防渗加固对策进行了全面系统分析。研究成果可为富水大坝防渗加固方案的制定提供科学依据，其分析思路亦可供类似工程借鉴。

一、工程概况

富水水库工程位于湖北省通山县和阳新县内，于1958 年8 月正式动工兴建，1966 年3 月工程竣工并发挥效益。水库总库容16.21亿m3，是一座以防洪、发电为主，结合灌溉、航运等综合利用的大（1）型水库，水库保护下游65万人、35万亩（1亩=1/15 hm2）耕地，阳新县城，武九铁路，杭瑞和大广两条高速公路以及新长江干堤的防洪安全。坝后电站装机容量为2×20 MW，多年平均年发电量1.2亿 kWh。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、放空隧洞、发电输水管和电站等建筑物组成（图1）。

图1 富水水库枢纽俯瞰图

富水大坝为黏土心墙坝（典型剖面如图2），坝顶高程65.5 m，防浪墙顶高程66.7 m，坝轴线长941 m，顶宽6.5 m，最大坝高46.8 m。高程28.0 m以下为均质土坝，高程28.0 m以上为黏土心墙坝，黏土心墙顶高程65.0 m。上游侧坝壳料由黏土和壤土组成，心墙下游侧设有0.8 m厚的反滤层，下游坝侧坝壳料采用溢洪道开挖的页岩代料填筑，由碎石夹土和黏性土夹碎石组成。大坝上游坝坡坡比自上而下依次为1∶2.8、1∶3.0、1∶3.5；下游坝坡坡比自上而下依次为1∶2.25、1∶2.5、1∶3.0。

图2 富水大坝典型横剖面（桩号0+210断面）

二、存在问题

富水大坝运行至今，虽经多次除险加固，仍存在渗流安全问题，主要包括以下几方面：

1.大坝左右坝肩存在绕坝渗漏

左坝肩未进行清基，覆盖层的碎石夹土结构松散，透水性强，绕渗测压管的位势明显高于河床段。地勘成果表明基岩浅部岩石透水率为7.2～24.1 Lu。除险加固工程验收报告表明：左岸坝肩虽已进行帷幕灌浆加固，但透水率最大值达201.37 Lu，且存在透水率连续处于60~140 Lu的薄弱部位，存在渗流安全隐患。

右坝肩与溢洪道相接处地基由水云母页岩及泥质粉砂岩组成，地勘结果揭示该部位坝基岩体透水率大于10 Lu，超过规范的防渗标准要求。

2.大坝坝基清基不彻底，原截渗墙效果有限

建坝时除左右岸坡部分清至基岩外，绝大部分坝基未清除砂卵石层。砂卵石层透水性较强，室内试验渗透系数为5.1×10-3～3.2×10-2cm/s；基岩浅部透水率也都大于10 Lu，属中等透水性；防渗铺盖也因年代久远、施工质量等问题基本失去防渗作用，而下部基岩在浅部也因构造、风化等因素，透水率大于10 Lu，不满足规范要求。

2002年除险加固时对坝基砂卵石层采用混凝土截渗墙防渗加固处理，截渗墙上部嵌入上游黏土铺盖内4 m，下端伸入底部页岩1 m。截渗墙对截断坝基砂卵石透水层渗漏通道、减少大坝渗漏量、提高坝基渗透稳定性起到了重要作用，但仍存在以下问题：①截渗墙高度有限，上下端存在渗流通道，且与黏土心墙在空间上未紧密衔接，当坝前水位较高时，渗水可能越过截渗墙进入砂卵石层；②截渗墙仅深入基岩1 m，墙下坝基岩体风化明显且未进行帷幕灌浆防渗处理，基岩透水率仍大于10 Lu，不满足规范要求；③截渗墙施工时槽孔内墙顶以上部位采用壤土泥球封孔回填工艺，较难保证防渗体在垂直方向的有效封闭和连续。

3.减压排水设施存在安全隐患，维修养护难度大

减压井在多年运行过程中屡屡发生险情，如减压井管锈穿、廊道破损渗水、减压井淤堵等。尽管已对减压井进行维修加固处理，但问题仍未根除。随着运行时间加长，减压井老化淤堵问题愈加突出，需定期维护；减压井管理房为危房，地下廊道未设含沙量观测设施和照明设施，部分排水孔堵塞，减压井的维修养护存在难度。

综上，富水大坝建设时坝基未进行抽槽，坝基河床部分砂卵石层也未彻底清除，以致水库蓄水后坝后出现管涌现象，已采取上游铺盖、下游压重、坝后设减压井及坝基覆盖层增设混凝土截渗墙等多种处理措施，但作为防渗处理重要手段的减压井需定期维护；截渗墙效果单一，无法彻底解决大坝渗漏问题，需与其他渗流控制措施共同作用以维持大坝渗流稳定；大坝渗流安全监测及运行资料表明，高水位下大坝渗漏量明显增大，存在渗流安全隐患，需进行防渗加固。

三、坝体防渗加固方案研究

1.原渗控体系评价

富水大坝原渗控体系由黏土铺盖、黏土心墙、减压井、混凝土截渗墙组成。其中下游坝脚减压井运用后，起到了迅速削减坝后剩余水头、减小水力坡降的作用。监测资料分析表明截渗墙前后水位相差较大、相关性差，防渗效果显著；渗流计算亦表明截渗墙降低局部水头作用明显。但受限于施工工艺、经济水平等，组成大坝渗控体系的各分区及其之间的衔接仍存在安全隐患。

（1）黏土铺盖未按设计要求实施

原设计规定在河床部位铺盖200 m，上游台地离坝脚200 m内不准取土，或在砂石层上至少保留2～3 m的砂质黏土层作为天然铺盖。但实际采取了河床抽槽并铺盖140 m的措施；台地部分采用黏土水泥注浆，注浆过程中冒浆现象普遍，又未采用有效的处理办法，因而注浆质量低劣，未起到防渗效果。坝基老河床在施工过程中未完全按设计要求进行铺盖防渗处理，施工前未对发电输水管下方的大野沟进行处理。坝后管涌发生后，对这两个部位进行了深水抛土，其均匀性和质量难以保证。上游黏土铺盖渗透系数量级在10-5cm/s，铺盖厚度极不均匀，最小厚度不足1 m，最大厚度接近20 m。总之，黏土铺盖未按设计要求实施，均匀性差，局部位置防渗效果不理想。

（2）黏土心墙压实度不满足规范要求，底部存在渗流通道

黏土心墙土渗透系数量级为10-6cm/s，且总体较为均一，上部大于下部，这与土体深部因受自重影响更加密实有一定的关系。规范要求1 级坝的压实度应为98%～100%。试验结果表明，心墙压实度为89.6%～95.9%，未达到规范要求。大坝0+105 断面测压管水位与库水位相近，表明该部位心墙填筑质量较差。此外，黏土心墙底部未深入相对不透水层，存在渗漏通道，影响坝基渗透稳定。

（3）减压井淤塞老化严重，维护管理困难

减压井分3期建成，位于大坝下游坡脚老河床至左岸发电输水管处，长约300 m，减压井作为原渗控体系中的辅助性工程措施，早期对减少坝基渗透压力起着重要作用，但运行过程中由于设施老化严重频频出现险情。目前大多数减压井出现淤堵、反滤料未满足要求等问题，排水减压效果差。虽经多次更新改造和定期维护管理，高水头时其安全性仍不能完全保证，始终未能彻底解决大坝渗流安全问题。典型断面渗流计算结果表明（图3），当减压井发生淤堵、上游库水位较高时，大坝下游渗流出逸点均在坝脚排水棱体以上，大坝渗流性态不安全。

图3 富水大坝典型横剖面减压井淤堵工况渗流计算成果(桩号0+505断面）

（4）塑性混凝土截渗墙长度、高度有限，强度偏低，上下端均存在渗流通道

2002 年除险加固对坝基砂卵石层设置了混凝土截渗墙，墙体厚60 cm，采用的塑性混凝土28 天抗压强度2～5 MPa，强度偏低。上部嵌入上游黏土铺盖4 m，下端伸入底部页岩1 m；墙顶高程28.3 m，低于正常蓄水位57.0 m；下部未伸入弱透水岩体，且墙下基岩未进行帷幕灌浆防渗处理。地勘结果表明，墙下岩体透水率均大于10 Lu。截渗墙上下两端均存在渗漏通道，其中上端自截渗墙上方穿过粉质黏土层和粉质黏土铺盖，进入心墙下部的砂卵石层；下端自截渗墙下部穿过强风化岩体进入心墙下砂卵石层。此外，原设计在桩号0+100～0+941 段坝基采用混凝土截渗墙处理，其余段坝基采用帷幕灌浆。但由于发电输水管段截渗墙施工困难，实际实施的范围为桩号0+086～0+884，导致大坝两端防渗效果较原设计大大降低。据渗流监测资料，0+210 和0+700 断面在截渗墙前后测点水位均较高且基本相同，截渗效果不明显。另据高密度电法等值线图，坝基处的电阻率值很低，表明心墙轴线处坝基含水率较大。这均表明截渗墙无法彻底截断其上下端的渗流。

（5）混凝土截渗墙与黏土心墙、发电输水管空间上并未有效衔接，存在渗流隐患

渗流计算分析表明：截渗墙与黏土心墙之间粉质黏土层等势线密集（图4），最不利水位、设计洪水位、校核洪水位下坝基黏土铺盖层渗透比降分别达0.83、1.36、1.47以上，高水位下比降值已超过临界比降0.95。此外，监测资料显示，坝前水位超过55 m前后，大坝渗流量增幅明显。因此，混凝土截渗墙与黏土心墙、发电输水管空间衔接上存在薄弱环节，导致局部渗流比降、流量偏大，存在渗流安全隐患，危及大坝安全。

图4 富水大坝典型横剖面最不利水位工况渗流计算成果(桩号0+505断面）

2.加固对策分析

（1）原渗控体系加固设计

减压井加固设计：适当延伸并加密减压井，对桩号0+150～0+800 段增设减压井。参考现有减压井设置和实施情况，确定减压井井距为2.5～3 m，总钻孔253孔，口径146 mm，坝后减压井廊道地面高程28.00 m，平均每孔钻孔深13 m，总进尺3289 m，考虑到现有减压井部分完好，则总进尺约2789 m。

混凝土截渗墙加固设计：鉴于截渗墙上下两端均存在渗流通道，对截渗墙进行加长、加高处理，加固后的截渗墙桩号范围为0+000～0+900，长度为900 m，即将已实施的截渗墙沿轴线向左右端分别延伸86 m、16 m；墙顶高程为54.5 m，墙顶加高22～28 m，平均加高约为25 m。墙下帷幕灌浆处理，灌浆轴线与加固后的截渗墙中心线重合。帷幕灌浆防渗标准为透水率不大于5 Lu，底界深至基岩透水率5 Lu线以下5 m。

（2）加固对策综合分析

从可靠性看，原渗控体系发挥作用需依赖多种设施联合作用，尤其是减压井这种需长期维护而又易发生问题的设施。此外，塑性混凝土截渗墙的强度偏低，其抗溶蚀性不如普通混凝土，且耐久性难以保证。

从投资上看，减压井加固方案一次性投资较少，但运行维护费用高，长期来看投资并不低；原混凝土截渗墙高度有限，对其加固投资较大，一次性投资高，但运行维护费用低。

从加固效果看，减压井方案起着长期降低坝基渗透压力的重要作用，但易因老化、淤堵而失效。坝下游水位高于26 m时，减压井廊道将被淹没，渗水无法及时排出，起不到减压、降低浸润线的效果，且需花费大量人力物力。混凝土截渗墙加固方案则存在加高部位衔接、两侧延伸部位衔接及墙下帷幕灌浆施工难度大的问题，这均是影响截渗墙加固效果的关键因素。由于混凝土截渗墙位于坝体上游侧，对应的坝坡顶高程仅为55 m，即使加固后截渗墙质量得以保障，当水位高于55 m 后（富水水库正常蓄水位为57 m），仍无法有效截断高位渗透水流。

总体而言，渗控体系完善有原渗控体系加固和防渗体系重构两种思路，已有的加固措施都是原渗控体系的“修修补补”，更多地是以解决局部坝段或部位渗透破坏为目的，如减压井主要解决大坝下游左岸老河床渗流管涌险情，截渗墙以截断坝基砂卵石透水层为目的等。加之实施过程中铺盖、截渗墙等与原设计并不一致，导致这种由截渗墙、黏土心墙、粉质黏土铺盖组成的防渗体系在空间上的衔接不够紧密，尤其是截渗墙长度、高度有限，并未穿过发电输水管延伸至左坝肩，防渗体系不封闭。显然，加长、加密原减压井非长久之计；对原截渗墙进行补强加固，如截渗墙加高、加长及底部帷幕灌浆等，施工难度大，施工质量难以保障。因此，有必要重构防渗系统。考虑到除险加固工程不具备设置上游水平防渗铺盖的条件，加固方案应采用垂直防渗措施，以求彻底根治大坝渗流安全隐患。

3.加固方案设计

（1）加固方案的确定

土石坝坝体垂直防渗加固一般常采用防渗墙、高压喷射灌浆等方案。根据富水大坝存在的渗流安全问题，结合其结构特点，对新建混凝土防渗墙和高压喷射灌浆两种重建坝体防渗系统方案从施工技术、可靠性与耐久性、施工质量、工程量及投资等方面进行了比选。两种方案在技术上均可行，但混凝土防渗墙施工工艺更成熟，防渗可靠性更高，耐久性强，防渗处理更彻底，且投资较低，故作为推荐方案。

根据富水大坝坝体分区的实际情况，新建防渗墙轴线布置有两种方案，方案一为布置在黏土心墙下游侧的坝轴线附近，方案二为布置在黏土心墙轴线附近。对于方案一，防渗墙两侧的坝体厚度均较大，利于施工期的坝体稳定，但槽孔处的地层主要为页岩代料，透水率大，槽孔建造时易发生漏浆、塌孔，成槽难度大，且一旦漏浆将堵塞下游碎石夹土坝壳料孔隙，影响大坝下游坝壳料的透水性，不利于下游坝坡稳定；方案二防渗墙轴线位于黏土心墙轴线位置，上下游两侧均有黏土保护，有利于控制槽孔漏浆，塌孔风险更低，但上游坝体厚度偏薄，需采取降低施工平台高程或在施工期对上游采取临时培厚保护等措施，增强上游侧坝体的稳定性。

经综合比选，防渗墙轴线布置在原黏土心墙轴线位置，即混凝土防渗墙中心线与黏土心墙轴线重合，以降低施工期漏浆、塌孔风险，方便施工。桩号范围DB0-008.5 m～DB0+900 m，全长908.5 m，最大墙深49.70 m，墙厚0.8 m。为保证施工平台宽度，混凝土防渗墙施工前，将坝顶开挖至高程62.3 m，平台宽度18 m。防渗墙施工完成后，采用黏土及开挖料回填至坝顶。防渗墙顶高程62.3 m，顶部通过回填黏土与上游防浪墙相连，黏土上部铺20 cm厚水稳垫层并浇筑沥青混凝土路面，墙下坝基及两岸坝肩岩体采用帷幕灌浆进行防渗加固处理。防渗墙段坝基采用墙下帷幕灌浆，左右岸坝肩段采用地面钻孔灌浆。坝肩帷幕与防渗墙及墙下坝基帷幕灌浆连成整体，构成完整封闭的防渗系统。

（2）加固方案效果评价

重构后的封闭防渗体系主要由新建混凝土防渗墙、坝基坝肩帷幕灌浆组成。该防渗体系在湖北白莲河、广西澄碧河等大型水库除险加固工程中应用效果良好，且新建混凝土防渗墙可与原混凝土截渗墙形成双防渗墙组合，这种“前短后长”的布置形式能以深度较大的防渗墙削减水头，更有效降低渗漏量和抑制渗流出逸比降。根据渗流计算分析，新建混凝土防渗墙加固后，大坝断面浸润线显著降低，下游出逸点位于排水棱体顶高程以下且渗漏量大幅度减少；校核洪水位64.28 m时，桩号0+210断面渗漏量由加固前的每天0.97 m3/m下降并基本维持在每天0.36 m3/m左右（图5）。因此，新建防渗体系可彻底解决大坝渗流安全问题。

图5 富水大坝典型横剖面校核洪水位工况渗流计算成果(桩号0+210断面）

四、结 论

针对富水水库大坝坝体、坝基及坝肩存在的渗流安全隐患和问题，结合大坝地勘、设计、施工、渗流监测资料及渗流有限元计算结果，系统评价了大坝现状渗控体系各组成因子的渗控效果，分析论证了现有渗控体系加固的必要性。经加固方案比选，最终推荐采用新建混凝土防渗墙和坝基坝肩帷幕灌浆组合的大坝防渗加固方案。渗流计算分析结果表明，新建防渗体系的加固措施能显著降低富水大坝坝体浸润线高程，确保各工况下的下游出逸点高程在排水棱体顶面高程以下，并大幅度减少渗漏量，可彻底解决大坝存在的渗流安全隐患和问题。