浅议小型水库土石坝除险加固技术的应用分析

浅议小型水库土石坝除险加固技术的应用分析
1 梁平县，位于重庆市境北部，东邻万州区，南接忠县、垫江县，西、北与四川省达州市的大竹县、达县、开江县接界。总面积1890平方公里。已建成水利工程处数4295处，其中水库75座(中型水库3座，小（一）型水库22座，小（二）型水库50座)，山平塘4053口，引水堰72条，取水泵站80处，石河堰15处，蓄引提水总量13030万m?，设计灌溉面积38.17万亩，有效灌溉面积达31.98万亩，保证灌溉面积19.24万亩，旱涝保收灌溉面积18.11万亩，为全县100%的城镇、80%的工业和75%以上的农业提供了用水保障，为全县经济社会又好又快发展提供了强有力的水利支撑。


2 土石坝防渗
坝基防渗结构形式采用帷幕和排水结合或截水墙防渗； 坝体防渗结构形式在于选择好筑坝土料以及坝的防渗体结构形成，过渡区和排水反滤等，以防止渗流变形对坝的危害。病险水库渗流问题主要表现在土石坝坝体与坝基渗漏，针对该类问题，通常采取“上堵下排”加固措施，上堵就是沿坝轴线上游侧采取防渗措施，以增强坝体抗渗性能；下排就是做好下游坝脚的排水设施，防止土体颗粒被渗水带走。病险土石坝防渗处理分坝体防渗处理和坝基防渗处理，根据处理对象的具体情况，可选用高压喷射灌浆、劈裂灌浆、混凝土防渗墙、冲抓套井黏土回填防渗墙、土工膜、黏土斜墙防渗等措施。
（1） 高压喷射灌浆防渗。
利用钻机钻孔，将喷射管置于孔内（内含水管、水泥管和风管）， 由喷射出的高压射流冲切破坏土体，同时随喷射流导入水泥浆液与被冲切土体掺搅，喷嘴上提，浆液凝固，在地基中按设计的方向、深度、厚度及结构形式与地基结合成紧密的凝结体， 起到防渗作用。其主要优点是施工速度快，比混凝土防渗墙快10～30 倍。如三峡三期围堰防渗面积达2 万m?，仅用45 天就完成施工。20 世纪70 年代，由日本引进高压旋喷灌浆法，80 年代初国内将旋喷改为定向喷射灌浆，用于病险水库坝基防渗，取得了较好的效果，迅速得到了推广。进入80 年代后，在已有经验的基础上，继续深入地结合实际工程研究施工工艺、专用设备、喷射形式、设计计算及相应的技术参数。高喷灌浆最初主要用于黏土层和砂土层的防渗， 近年来在砂砾层中也有许多成功应用。目前分为旋喷、摆喷、定喷三种。采用高压喷射灌浆进行大坝防渗处理，成功例子很多，效果明显。但失败例子也不少，其原因是，不同地层条件，高喷技术参数选用具有较强的经验性，有时还需要通过灌浆试验确定。如在二长花岗岩砂性地区，若带水钻孔常有塌孔，往往高压灌浆不能完成设计长度，需要采用干钻钻孔，成孔效果好些。高喷灌浆适应性较广，优点突出，对细颗粒地层是比较适宜的， 对掺有大颗粒地层或是致密的黏性土层中，要求工艺就高，选取参数要试验，在砂卵石、块石地层中造孔难度也大， 需要采用冲击进钻及化学固壁材料。近年来在重庆水利工程土石坝除险加中，该项防渗技术得到广泛应用。
（2） 劈裂灌浆防渗。
20 世纪70 年代末，国内研究人员通过试验，在过去重力坝灌浆的基础上， 利用土石坝中最小主应力面和坝轴线方向一至的规律， 在土坝中采取劈裂灌浆，沿坝轴线布孔，使用一定压力，将坝体沿坝轴线小主应力面劈开，灌注泥浆，并使浆坝互压，最后形成（10～50）cm 厚的密实、竖直、连续泥墙，以达到防渗目的。同时，泥浆使坝体湿化，与浆脉连通的所有裂缝、洞穴等隐患均可被浆液充填密实，增加坝体的密实度。这项技术不仅起到防渗作用，也加固了坝体。其优点在于可以就地取材，施工简便，投资省、工效高、较快地得到推广。劈裂灌浆应用范围越来越广，过去规范规定坝高50 m 以下的均质坝和宽心墙坝，并要求在低水位进行；近年来，逐渐发展到超过50m 坝高，且高水位也可进行，还可以作劈裂堤坝基础灌浆，在窄心墙坝也可以进行。适用于坝身浸润线出溢点过高，有散浸现象，裂缝（不包括滑坡裂缝）及各种洞穴的坝体。灌浆材料主要有：水泥浆、黏土浆、水泥黏土浆、水泥水玻璃浆液、水泥砂浆、水玻璃类浆液等。一般多采用土料浆， 根据不同需要可掺入水泥、各种外加剂。对于粗砂及卵砾石坝基，因其土层结构性差，形不成连续劈裂，坝基不适合用劈裂灌浆技术处理。劈裂灌浆技术主要适合于处理存在压实质量差、有裂缝、洞穴、水平夹砂层等隐患的土坝及结构性较强的粉细砂及土砂夹层透水地基。重庆涪陵、巴南区等中小型水库中曾利用该技术进行坝体防渗加固， 取得的效果较好，满意度高。
（3） 混凝土防渗墙。
主要采用钻凿、锯槽、液压开槽机、射水及薄抓斗等工法， 在坝体或地基中建造槽形孔， 以泥浆固壁，然后采用直升导管，向槽孔内浇筑混凝土，形成连续的混凝土墙，以达到防渗目的。防渗墙施工可以适应各种不同材料的坝体和各种复杂地基， 墙的两端能与岸坡防渗设施或岸边基岩相连接， 墙的底部可嵌入弱风化基岩内一定深度， 彻底截断坝体及坝基的渗透水流。早期防渗墙主要采用乌卡斯钻机施工，成墙厚度（0.8～1.0）m，价格较贵。20 世纪80 年代后，出现了锯槽、液压开槽、射水及薄抓斗等多种成墙方法，墙体厚度也愈来愈薄，墙体深度也愈来愈大。如黄河小浪底右岸坝基防渗墙深度已达81.9 m。近年来推广使用振动沉模防渗板墙技术， 利用强力振动原理将空腹模板沉入土中，向空腹内注满浆液，边振动边拔模，浆液留于槽孔中形成单块板墙，将单板连接起来，即形成连续的防渗板墙帷幕，该项新技术主要用于砂、砂性土、粘性土、淤泥质土及砂砾石地层建造混凝土连续的防渗樯，造墙深度可达20 m 左右，厚度（8～25）cm，最厚可达30 cm，其不足之处是对卵石含量高的厚地层沉入困难， 不能沉入基岩和大块石中。目前国内大型病险土石坝防渗加固采用此法的工程较多，应该引起注意的是，防渗墙刚度远大于土石坝材料，因此，坝体防渗墙与坝基防渗墙有较大不同。坝基防渗墙受坝体自重和水荷载作用，坝体自重引起坝基变形对防渗墙受力有利， 水荷载引起坝基变形对防渗墙受力不利，有可能产生拉应力。由于坝体水平变形比坝基大得多， 坝体防渗墙更容易出现拉应力，甚至发生断裂。而且病险土石坝多数存在施工碾压密实度不够问题， 大坝受水荷载作用时变形更大，因此，应注意坝体防渗墙的受力分析，特别是深坝体防渗墙受力分析。平江县大型土石坝不多，所以在土石坝除险中较少采用该项技术。混凝土防渗墙适用性较广，如砂土、砂壤土、粉土、卵砾石土层等，实用性较强，但在造孔成墙技术对槽孔之间的接头和墙体下部开叉问题难以彻底解决。
（4） 冲抓套井黏土回填防渗墙。
利用冲抓式打井机具，在土石坝防渗漏范围的防渗体中造孔，用黏性土料分层回填夯实，形成一个连续的黏土防渗墙。同时，在回填夯击时，对井壁土层挤压，使其井孔周围土体密实，提高坝体质量，从而达到防渗加固的目的。20 世纪70 年代初，由浙江省温岭县在处理险坝中首创，近年来，这项防渗措施不断得到完善和发展，逐步推广。实践证明，它具有机械设备简单，施工方便、工艺易掌握、工程量小、工效高、造价低、防渗效果好等优点。中小型水库土石坝使用较多。但该项措施，仅适用于坝体渗漏处理，孔深一般不超过25 m。对处理坝基渗漏时，很难解决砂砾石和风化破碎岩石的清除， 尤其在水下更难以施工，在雨季施工也有一定困难。
由于机械性能的限制，此顶技术一般只适用于均质土坝和心墙坝，对于斜墙土坝之类，因与防渗体的衔接困难，只适用于斜墙局部高程的防渗加强。对于孔深以不超过40 m 为宜，此项技术受水库蓄水情况控制明显，在高水位情况下，因坝体受渗水影响面使造孔和回填困难，所以，只能在干库或孔内无水的情况下施工。
（5） 土工膜防渗。
土工膜以重量轻、运输量小、缩短工期、铺设方便、节省造价、防渗性能及适应坝体变形等优点，近年来广泛应用于土坝防渗加固， 已从低坝向高坝发展。土工膜防渗的主要问题是，受紫外线作用的老化问题， 实践证明埋在地下的土工膜基本不受紫外线的影响，我国规范规定仅50 m 高以下的大坝可使用土工膜防渗。鉴于坝体深混凝土防渗墙施工难度大和受力状态难以满足要求， 土工膜防渗又难以解决坝基渗漏问题，为此，不少工程设计出在上游坝坡中下部向下打混凝土防渗墙， 上部接土工膜斜墙到坝顶的联合防渗方案， 有效克服了上述两种防渗技术单独使用存在的不足。在小（ⅰ）型水库除险加固中丁溪水库采用土工膜，防渗效果明显。土工膜可用于水库库盘防渗、土石坝的直立防渗墙或倾斜防渗层。土工膜用于水利防渗工程，具有结构简单，施工方便，防渗效果好，节省工程造价，加快工期等显著优点， 但与混凝土、黏土等防渗材料相比，有容易破裂、脆裂、老化、化学腐蚀等弱点。
（6） 黏土斜墙防渗。
适用于均质土石坝，在黏土含量较丰富地区，对均质土质的坝体渗漏采用黏土斜墙防渗体能有效地控制渗漏。黏土斜墙防渗效果比不上前面所述技术方案，但它施工方便，简单，施工进程快，能达到土石坝渗流要求，只是需要黏土较多，运输量较大，是一项较成熟的土石坝防渗技术。
以上各种防渗技术，各有特点及适用条件，技术、工艺要求各有不同， 对于治理病险土石坝具体选用何种处理方案，必须综合考虑水库坝型、坝高、地质、施工等因素，查明病因和机理，然后提出可行治理技术方案，通过技术经济综合比较，择优选取，最终选定方案。