山丘区土石坝渗漏原因分析及防渗设计

崔 阳，苏 丹，费晓磊，高 坤，翁明皓，祁卫军

(1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001；2.浦口区水务局，江苏 南京 210000)

1 工程概况

某水库为南京市山丘区小(2)型水库，属于万寿河流域。水库总库容约10.40万m3，最大坝高7.0m，主要功能为防洪、灌溉，防洪保护面积0.70km2，保护人口约200人，保护自然村1个，保护耕地约20hm2，设计灌溉面积20hm2。大坝为土石坝，填筑土为夹少量未风化砾石的杂填土和素填土。坡面多处存在坍塌，背水坡面存在渗漏点，坝脚常年潮湿，存在渗水迹象。现状坝基和右侧坝肩，广泛分布强风化泥灰岩层。

根据大坝安全鉴定结论，其中大坝渗流安全评为C级，不满足规范要求。经专家论证，该水库大坝评定为三类坝，并已进行除险加固设计。

2 大坝渗漏原因分析

该水库已运行55年。经现场检查，现状背水坡无排水设施，坡面有较多雨水冲沟，背水坡坡面存在渗漏点，其中，部分渗漏点已形成渗流冲沟。此外，坝脚处常年潮湿，坝基有渗水迹象。分析原因，主要有2点[1]。

(1)根据地勘成果，坝身填土主要为①1层杂填土、①2层素填土。其中，①1层由黏性土、红砖、碎石及其他杂物组成，夹少量未风化的砾石，密实度较差，透水性相对较强；①2以可塑状黏性土为主，均匀性差，强度不均，现状无防渗体。坝身填土多为中等透水性，在高水位工况，坝身易形成渗漏通道。

(2)现状深层坝基和右侧坝肩，广泛分布强风化泥灰岩层。根据野外压水试验数据，该强分化层透水率25.2～33.0Lu，透水性较强，岩层亦存在较大渗漏隐患，可能形成绕坝渗流。各主要土层的渗透性参数见表1。

表1 各主要土层的渗透性参数及评价

3 大坝现状渗流稳定分析

坝体渗流计算采用二维稳定渗流有限元法，对于稳定渗流，符合达西定律的非均各向异性二维渗流场，水头势函数满足微分方程：

(1)

式中，φ=φ(x，y)—待求水头势函数，m；x，y—平面坐标，m；kx，ky—x，y轴方向的渗透系数，m/s。

将渗流场用有限元离散，假定单元渗流场的水头函数势φ为多项式，由微分方程及边界条件确定问题的变分形式，可得出线性方程组：

[H]{φ}={F}

(2)

式中，[H]—渗透矩阵，m2/s；{φ}—渗流场水头，m；{F}—节点渗流量，m3/s。

求解方程组(2)，可得到节点水头，据此求得单元的水力坡降、流速等。

选取典型大坝断面对现状大坝渗流稳定进行计算，几种工况下的背水坡渗透比降，均大于允许坡降，不满足规范要求。此外，几种工况下的大坝渗流量相对较大，现状大坝渗流计算成果，见表2。

表2 大坝现状渗流计算成果表

4 坝体防渗设计

经过技术专家评审，此次水库大坝防渗处理包括坝身防渗和坝基防渗处理两部分。结合该水库大坝地质条件，对坝身防渗方式进行了比选，最终选定坝身采用高压旋喷灌浆，坝基采用帷幕灌浆[2]，2种防渗方式相结合，在坝体形成连续、完整的垂直防渗帷幕系统。

4.1 坝身防渗方案比选

根据坝身出险的土质及既往的工程经验，工程可供选择的处理方式有3种：多头小直径深层搅拌桩防渗墙、高压旋喷注浆防渗墙、充填灌浆。

(1)多头小直径深层搅拌桩防渗墙。多头小直径深层搅拌桩，是目前坝身防渗处理加固设计中常用的一种方式，水泥类浆液与原土通过叶片强制搅拌形成防渗墙体。该方式防渗效果好，持续时间长，施工进度快和质量不受地下水位影响，但对施工场地有较严格的要求。

(2)高压旋喷注浆防渗墙。高压旋喷桩是以高压旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合，形成连续搭接的水泥加固体。施工占地少、振动小、噪音较低，但成本较高，对于那些特殊的不能使喷出浆液凝固的土质不宜采用。

(3)充填灌浆。充填灌浆是利用浆液压力将浆液注入坝身隐患处以堵塞洞穴或裂缝。为提高灌浆效果，一般在注浆孔口施加一定的压力，常用于坝身加固工程。但与(1)(2)相比，(3)的防渗效果还有一定差距。

根据地勘，坝身可能发生的渗漏层主要为①2层素填土，坝身土夹少量未风化的砾石，密实度较差，透水性相对较强。考虑到坝基下部广泛分布4-2强风化泥灰岩层，防渗墙需深入岩层。与多头小直径深层搅拌桩相比，高压旋喷桩施工桩端与岩基的结合效果较好，可达到较好的防渗效果。综合考虑，本次设计采用高压旋喷桩进行坝身防渗处理。

4.2 坝身防渗设计

桩号CS0+000～CS0+200段坝身采用高压旋喷灌浆[3]处理，成墙厚度不小于0.3m。高压旋喷桩单排布置，孔距0.5m，墙体渗透系数小于1×10-6cm/s，R28=3～10MPa，允许渗透比降J>80，有效墙厚不小于0.3m。高压旋喷布孔平面如图1所示。

图1 高压旋喷布孔平面图(单位：mm)

工程高压旋喷灌浆施工工艺参数要求：

(1)浆压力为0.2～1.0MPa，进浆量为60～80L/min；

(2)水泥采用普通硅酸盐42.5号水泥，水泥浆液密度为1.5～1.7g/cm3，回浆密度不小于1.2g/cm3；

(3)压缩气压力为0.6～0.8MPa，气流量为0.8～1.2m3/min；压缩水压力35～40MPa，水流量为70～80L/min；

(4)旋喷提升速度10cm/min，转动速度8～10r/min，旋角不小于30。。

4.3 坝基防渗设计

帷幕注浆是用液压或气压，将能凝固的浆液按设计的浓度，通过特设的注浆钻孔，压送到规定的岩土层，填补岩土体的裂缝或孔隙，可改善注浆对象的物理力学性质。

工程坝基下部和右侧坝肩，广泛分布4-2强风化泥灰岩层，透水率为25.2～33.0Lu，透水性较强。本次设计，在CS0+000～CS0+240段坝基及右坝肩采用帷幕灌浆处理，帷幕灌浆顶部深入粉质黏土层1.5m，底部深入4-3弱风化泥灰岩层约1.0m。采用双排、梅花形布置[4]，排间距2.50m，孔间距1.50m。帷幕灌浆布置与高压旋喷防渗墙相对位置关系如图2所示。

图2 帷幕灌浆与高压旋喷防渗墙平面布置图(单位：mm)

工程帷幕灌浆施工工艺参数要求[5-6]：

(1)帷幕灌浆孔进入粉质黏土层不小于1.50m；灌浆采用自下而上分段灌浆法。

(2)注浆的水泥采用强度等级42.5的普通硅酸盐水泥，水泥浆液的水灰比取1.0，每延米桩长水泥用量300kg。

(3)帷幕灌浆压力为0.5～2.0MPa，并应通过灌浆试验确定最终采用压力值；防渗帷幕透水率不得大于5Lu。

4.4 计算结果

依据SL 189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》的规定，根据地质报告和有关规范计算出坝身浸润线、渗流等水头线，然后计算出大坝渗流量，最后确定下游渗流出逸段的出逸比降和出逸高程，并分析坝基及坝后渗流出逸段的渗透稳定性。防渗处理后的大坝典型断面如图3所示。

图3 防渗处理典型断面图

经渗流稳定计算，大坝在正常工况、设计工况及骤降工况逸出段，比降均小于坝坡允许水力比降，坝身防渗性满足规范要求。此外，在3种工况下，渗流量比大坝防渗处理之前减少显著。大坝防渗处理后渗流计算结果，见表3。

表3 大坝防渗处理后渗流计算成果表

5 结语

研究采用的大坝防渗处理方式，为解决山丘区土石坝渗漏问题提供了思路。其中，高压旋喷灌浆与素填土、粉质黏土等多种土层结合效果较好。作业过程中，施工桩端可深入岩基，在坝身形成连续、完整的防渗墙，有效防止坝身渗漏；而帷幕灌浆对于岩基的渗漏处理效果较好，可有效减小渗流量和降低渗透压力。2种防渗处理方式的结合，可在大坝形成连续的垂直防渗帷幕系统，有效解决山丘区土石坝可能存在的坝身渗漏和坝基岩层渗漏问题。文章仅对坝身防渗方式进行了比选，但未对帷幕灌浆孔间距及高压旋喷防渗墙布置方式等可能影响防渗效果的其他因素进行详细研究，未来，可就此进行深入探究，检验研究成果的普适性。