浅谈广东省惠来县船桥水库工程大坝防渗加固设

　　1 水库工程概况

　　船桥水库位于广东省惠来县中部大南山系南麓，罗溪支流石榴潭水库上游的林樟河，距惠城镇21km，是一宗以灌溉为主，结合防洪、发电的中型水库工程，设计灌溉耕地面积1.1万亩，现状灌溉农田面积4000亩，捍卫下游1.2万多人口生命财产安全。船桥水库坝址以上集雨面积11.05km2，河流长度6.5km，河流平均坡降0.07825。水库正常蓄水位312.0m，相应库容1327万m3;设计洪水位312.88m，相应库容1399万m3;校核洪水位315.08m，相应库容1591万m3。水库工程主要由大坝、溢洪道、输水隧洞和坝后电站厂房以及引水渠等工程组成。

　　2 水库大坝现状及工程地质条件

　　a)水库大坝现状

　　现状土坝全长600m，由400m(0+000～0+400)长主坝和200m(0+500～0+600)长副坝衔接成一体，为一座均质土坝。大坝迎水坡坡比分三级，自上而下分别为1:2.532、1:2.722、1:2.737;背水坡坡比分为三级(包括反滤体)从上到下分别为1：2.209、1:2.347、1:1.40。主坝主河床反滤体为“照谷社”干砌石推石体，高26.5m。

　　大坝稳定渗流期各工况渗流量较大，大坝在低水位情况下，坝体和坝脚多处漏水，在高水位下，渗漏更严重;基础处理方面，除上游坡部分基础外，主坝中心原山沟河谷底部的含卵石中粗砂层为强透水层，筑坝时未作处理，同时上游基础未做截水墙，下游排水棱体设计欠完善，副坝坝坡无排水棱体，因此坝体存在渗流稳定安全问题。

　　b)大坝工程地质条件

　　1)坝基、坝肩

　　坝区出露的地层岩性主要为燕山期花岗岩(γ53(2))、第四系残坡积层、和第四系冲积层，描述如下：

　　燕山期花岗岩γ53(2)：岩性为浅灰白色、浅肉红色，风化后呈浅灰黄色、浅灰白色，粗粒黑云母花岗岩或粗粒二云母花岗岩。除主河床处无全强风化岩分布外，其余部位均有全强风化层，其中左岸全风化层厚约10.5m，强风化厚约7m;副坝段全风化厚4.5m～12.6m，强风化厚0～2.2m;其余部位全风化厚1m～1.5m，强风化厚约1m。

　　‚第四系残坡积层：岩性为浅灰黄色的砂砾质粘土，厚度一般2.5m～6.0m，主要分布于主坝段除河床部位坝基。

　　ƒ第四系冲积层：岩性为砂砾卵石，厚约0.8m，中等～强透水性，分布于主坝段河床部位。

　　2)坝体

　　坝体填筑土以全风化花岗岩为主。由于粗粒黑云母花岗岩风化土石英颗粒含量多，且颗粒较粗，粘、粉粒含量较少，风化土渗透系数偏大，K=2.9～3.6×10-4cm/s，加之施工方法欠妥，坝体填筑土密实度差，多呈松散，局部呈稍密状态，坝体质量较差;水库运行后，主坝体在高水位压力作用下，水位蓄水至306m高程时，坝坡后坡脚于290m高程出现多处较大流量的渗漏现象，坝后量水堰量的渗漏量最大24.2L/s，坝后电站厂房河谷地段坝后脚长年见漏水现象。输水隧洞与填筑土接触部位亦有不同程度渗漏现象，致使水库不能高水位运行。由于水库蓄水有较大影响，电站发电时间很不正常，一般年发电时间4～5个月，严重影响水库正常效益的发挥。

　　3)坝脚排水棱体及褥垫

　　坝坡脚原设有贴坡式反滤体以及“谷照社”排水棱体，但部分淤塞，局部沉降崩塌。

　　3 大坝防渗加固设计

　　a)防渗方案的拟定

　　由于船桥水库大坝坝体、坝基存在渗漏问题，原设计均质坝达不到设计规范要求。坝体填土质量较差，均匀性差，干密度偏低，压实度达不到《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)要求，坝体的渗透性不均匀，局部渗透性较强，原坝基也未进行防渗处理。因此，有必要对大坝及坝基进行防渗加固。本次除险加固拟采用垂直防渗方式进行加固。

　　基于右坝肩和副坝挡水水头低，坝后地面高程较高，大坝重点防渗范围为0+030~0+380段，其余段改为劈裂灌浆或高压定喷灌浆。本次除险加固在对大坝防渗加固方案进行论证时以大坝重点防渗段为重点，并以高压喷射灌浆和塑性混凝土防渗墙为基本方案进行技术经济比较。

　　1)高压喷射灌浆

　　高压喷射灌浆技术是通过在地层中的钻孔内下入喷射管，用高速射流(水、水泥浆液或空气)直接冲击、切割、破坏原土层材料，扰动的土石料与同时灌注的水泥浆或其它浆液发生充分的掺搅混合，至凝结硬化，从而构成坚固的凝结体，成为结构较密实、强度较高、有足够防渗性能的构筑物，藉以达到加固地基和防渗的目的。

　　高压喷射灌浆分定喷、摆喷和旋喷三种，定喷适应于粉土、砂土;摆喷、旋喷适应于粉土、砂土、砾土和卵(碎)石地层。为保证防渗墙体厚度和可靠连接，本工程采用旋喷防渗墙形式进行方案比较。高压喷射灌浆有如下特点：

　　可灌性好，只要高压射流能破坏的地层如细砂、砂砾石等均可处理;

　　‚连接可靠，高压喷射防渗墙自身及与周边建筑物的连接可靠;

　　ƒ施工质量不容易控制，对施工队伍要求较高，且深入坝基岩层时效果较差。

　　④高压喷射灌浆防渗墙渗透系数为10-5～10-7cm/s，允许渗透比降值60。

　　2)塑性混凝土防渗墙

　　塑性混凝土防渗墙通常是使用机械在地基中挖槽(造孔)，在挖槽过程中使用泥浆护壁，以防止地层坍塌，然后在槽孔泥浆下浇筑混凝土，形成的地下防渗结构物。

　　塑性混凝土防渗墙广泛应用于大坝防渗加固，这种防渗加固技术具有以下特点:

　　适用性广，适用于各种地质条件，如砂土、沙壤土、粉土以及直径小于10mm的卵砾石土层;可深入坝基基岩，最大深度可达100m左右;

　　‚安全、可靠，由于槽孔接头的施工技术有了很大进步，防渗墙渗透系数可达到10-7cm/s以下，允许渗透比降值达60~100。

　　3)方案设计

　　高压旋喷灌浆+帷幕灌浆方案(方案1)

　　该方案在坝顶坝轴线进行高压旋喷灌浆，旋喷孔穿过坝基覆盖层至强风化层1.0m。高压旋喷灌浆轴线长350m，最大孔深50m，要求允许比降[J]≥60。对于孔深小于15m土坝段，其高压旋喷灌浆拟采用单排布孔，孔距1.0m，墙体有效厚度0.6m;对于孔深大于15m的土坝段，其高压旋喷灌浆拟采用双排布孔，孔距1.0m，排距0.75m，墙体有效厚度0.8m。

　　考虑到土坝坝基强风化岩层透水性较大，对重点防渗土坝段拟进行帷幕灌浆处理，帷幕深至弱风化层以下5m。帷幕灌浆中心线与高压旋喷灌浆中心线重合，总长350m，采用单排布孔，孔距2.0m。施工时先进行坝基帷幕灌浆，再进行上部坝体高喷灌浆，进行坝基帷幕灌浆在坝体中的钻孔部分可利用于坝体高喷灌浆。

　　该方案工程直接投资1039.2万元。

　　‚塑性混凝土防渗墙+帷幕灌浆方案(方案2)

　　塑性混凝土防渗墙布置在坝轴线处，亦为大坝防渗重点段，总长350m，最大孔深50m，墙厚0.6m，抗渗等级W6，允许比降[J]≥60～80。防渗墙穿过坝体和坝基覆盖层，并嵌入岩层1m。

　　坝基帷幕灌浆的设计同方案1，帷幕灌浆沿防渗墙布置，施工时先施工坝体混凝土防渗墙，再进行坝基帷幕灌浆。

　　该方案工程直接投资753.5万元。

　　4)方案比选

　　工艺的实用性：两种工艺都能满足防渗要求，但高压旋喷较难深入坝基岩层，在解决坝基渗漏方面不及砼防渗墙。

　　‚防渗可靠性与耐久性：砼防渗墙可造成塑性结构，能适应高水位条件下坝体变形，不致断裂漏水;而高压旋喷墙为刚性结构，在高水位坝体变形时，容易断裂漏水，因此，混凝土防渗墙的防渗可靠性与耐久性明显高于高喷板墙。

　　ƒ工程投资方面：塑性混凝土防渗墙方案的工程直接投资比高喷方案低。

　　④施工方面：在施工工期上，高喷防渗墙的施工工艺相对简单，周期较短，防渗墙的施工工艺相对复杂，工期较长。

　　b)大坝防渗加固设计

　　本工程大坝防渗系统沿坝轴线设置。大坝防渗系统有两部分组成，重点防渗范围0+030~0+380段，其防渗措施拟采用塑性混凝土防渗墙+帷幕灌浆方案;其余段防渗拟采用劈裂灌浆方案。

　　1)塑性混凝土防渗墙设计

　　塑性混凝土防渗墙总长350m，最大孔深50m，墙厚0.6m，抗渗等级W6，考虑坝体填筑密实度较差，未受过高水位运行条件考验，当发生高水位时防渗墙可能发生较大变形。为防止防渗墙断裂漏水，拟在砼防渗墙当中加膨润土、粘土等，造成塑形砼防渗墙，以适应坝体在高水位时的变形。

　　按常规经验防渗墙厚度计算

　　式中：d——防渗墙厚度(m);h-墙体最大作用水头;

　　[J]——墙体允许渗透比降，考虑施工和混凝土老化等综合因素取[J]=60～80。

　　经计算，混凝土防渗墙墙体最大作用水头约为42m，取[J]=70，墙厚为60cm，为保证防渗墙的施工质量，参照其它工程经验，混凝土防渗墙厚度取60 cm。

　　‚防渗墙的使用年限分析

　　土石坝混凝土防渗墙承受的渗透比降较大，其使用的耐久性主要受渗流溶蚀作用控制。混凝土防渗墙使用年限可按下面经验公式计算：式中：L——渗径，即墙厚(m)，L= 0.6m;

　　J——通过墙的渗流水力坡降;

　　k——墙的渗透系数(m/年)，k=0.0315 m/年(1.0×10-7 cm/s);

　　c——混凝土单位水泥用量(kg/m3),取c=242 kg/m3;

　　a——使用混凝土强度降低50%时渗过混凝土水的体积，以每kg水泥为单位(m3/kg)，一般情况a=1.5～1.8，取a=1.6。

　　通过计算，设计工况防渗墙的渗流水力坡降为J=70，混凝土防渗墙使用年限T=105年。根据《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》(GB50199-94)，3级雍水建筑物结构的设计基准期应采用50年，可见大坝采用60cm厚的混凝土防渗墙能满足50年设计基准期的要求。

　　ƒ防渗加固设计参数

　　防渗墙混凝土设计参数为：28天抗压强度不小于4MPa，弹性模量800～1000MPa，抗渗等级W6，允许渗透比降[J]为60～80。

　　帷幕灌浆设计参数：帷幕灌浆中心线与混凝土防渗墙中心线重合，总长350m，采用单排布孔，孔距2.0m。帷幕灌浆深至弱风化层以下5m。

　　2)劈裂灌浆设计

　　劈裂灌浆采用单排布孔，终孔距3.0m，第一工序孔距6.0m，第二工序孔于第一工序孔中间布设;灌浆深度为进入残积土层5m。

　　劈裂灌浆使用的粘土泥浆的密度为1.3～1.6g/cm3，浆液水泥含量15%;灌浆孔口压力暂定为0.15～0.5MPa，孔深的取高值，最大允许灌浆压力于现场试验确定;幕墙厚度：于坝顶至坝体素填土下限厚度0.05m～0.2m。

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文章名称： 浅谈广东省惠来县船桥水库工程大坝防渗加固设

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