爆破堆石壩除險(xiǎn)加固防滲處理設(shè)計(jì)

謝慶明，李照，彭清華

（云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650021）

爆破堆石壩除險(xiǎn)加固防滲處理設(shè)計(jì)

謝慶明，李照，彭清華

（云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650021）

受地形地質(zhì)條件限制，我國于20世紀(jì)六七十年代在國內(nèi)采用定向爆破筑壩技術(shù)修筑了一批爆破堆石壩，由于爆破筑壩堆石體組成的復(fù)雜性，其滲漏非常嚴(yán)重，不能很好地發(fā)揮水庫功能。結(jié)合云南省武定縣在20世紀(jì)70年代修建的己衣水庫定向爆破堆石壩存在的滲漏問題，詳細(xì)介紹了該水庫除險(xiǎn)加固防滲處理的設(shè)計(jì)方案要點(diǎn)，可供從事水利工程設(shè)計(jì)的技術(shù)人員參考借鑒。

爆破堆石壩；防滲方案比較；處理效果

1 工程概況

己衣水庫位于云南省武定縣己衣鄉(xiāng)，地處長江流域的金沙江南岸一級(jí)支流己衣大河的法保峽谷。水庫除險(xiǎn)加固后，樞紐工程由碾壓堆石加高壩體、新建泄洪隧洞、改建輸水隧洞進(jìn)口豎井組成；水庫壩址以上徑流面積100 km2，總庫容1 260.2萬m3，最大壩高85.2m，壩頂長140m，是一座以灌溉為主結(jié)合人畜飲水的省屬重點(diǎn)中型水利工程。

2 庫區(qū)工程地質(zhì)條件[1，2]

2.1 壩址區(qū)工程地質(zhì)

壩址區(qū)為典型的深切河谷地貌，呈V形，兩岸均為懸崖絕壁，基巖裸露，為二道水組薄-中層狀白云巖夾硅質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r及頁巖，強(qiáng)-弱風(fēng)化；除主、副爆區(qū)兩側(cè)發(fā)育危巖外，未見其他不良物理地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育。

樞紐區(qū)內(nèi)斷層地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，僅發(fā)現(xiàn)1條F4斷層。該斷層出露于壩軸線左岸偏上游約50m處，兩側(cè)為陡崖，性質(zhì)為逆斷層，巖性為糜棱巖、斷層角礫巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，弱透水性；斷層影響帶寬約2m，節(jié)理裂隙發(fā)育一般，巖體較完整。

壩基砂卵礫石層厚約3～5m，結(jié)構(gòu)松散。但其位于爆破堆石壩體之下，受爆破堆石壩體反壓，且透水性遠(yuǎn)小于爆破堆石壩體，故砂卵礫石表層可能存在接觸性沖刷破壞，但不存在抗滑穩(wěn)定問題，壩體壓縮變形性較小，兩岸主、副爆區(qū)的危巖及岸坡屬穩(wěn)定性差-不穩(wěn)定。

2.2 壩體工程地質(zhì)

大壩于1978年5月26日采用定向爆破成壩，爆破前兩岸地形坡度均大于62°，爆破后地形變緩，上下游壩坡約為1∶2.5，爆破堆石壩體馬鞍點(diǎn)高度74m，平均高度83m。主、副爆區(qū)漏斗堆積物為塊石、碎石夾少量壤土及滾石，一般塊徑30～50 cm，最大達(dá)5m以上，爆破堆石壩體架空現(xiàn)象十分明顯；左岸主爆破堆石壩體兩側(cè)已經(jīng)形成沖溝，除局部會(huì)產(chǎn)生滾石外，爆破堆石壩體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；右岸副爆破堆石壩體表層的壤土含量約40%，結(jié)構(gòu)松散，在雨水的沖刷作用下易產(chǎn)生坍滑，岸坡穩(wěn)定性差。

根據(jù)1995年完成的《己衣水庫定向爆破壩壩體探井原型觀測(cè)研究》成果，爆破堆石壩體的不均勻系數(shù)Cu=7～1 500；一般干密度γd=1.7～2.65 g/cm3，平均為2.17 g/cm3；一般孔隙率n=6%～40%。由于不同部位存在著顆粒組成和結(jié)構(gòu)上的差異，塊石架空現(xiàn)象明顯，有形成滲透的良好通道。在做原型觀測(cè)過程中，實(shí)測(cè)壩體滲透系數(shù)3.0×10-3～7.2× 10-1cm/s，說明爆破堆石壩體的滲透極強(qiáng)，并具有明顯的差異性。同時(shí)，從建于下游的量水堰滲流觀測(cè)及1991、1993年兩次高水頭滲流原型觀測(cè)試驗(yàn)看來，大壩在死水位以下滲漏量較小，隨著水頭增加其滲漏量明顯增加，并經(jīng)兩次高水頭（66.55、68.54 m）蓄水考驗(yàn)，測(cè)得滲漏量分別為2.24和3.23m3/s，說明爆破堆石壩體在短期水流作用下其抗?jié)B性能基本穩(wěn)定，但在長期高水頭作用下其抗?jié)B穩(wěn)定會(huì)存在一定問題。為了發(fā)揮水庫的灌溉效益并滿足蓄水要求，必須對(duì)爆破堆石壩體及基礎(chǔ)作防滲處理及整形加固處理，只有這樣才能滿足工程正常運(yùn)行要求。

圖1 斜墻防滲比較方案

3 防滲處理設(shè)計(jì)

己衣水庫除險(xiǎn)加固重點(diǎn)是對(duì)壩體防滲進(jìn)行處理，防滲處理涉及到大壩軸線選擇，根據(jù)壩址所處的地形、地貌及爆破堆石壩體現(xiàn)狀以及大壩防滲結(jié)構(gòu)的不同型式，結(jié)合爆破堆石壩體形態(tài)，本著安全、可行、盡可能減少工程量的原則，設(shè)計(jì)考慮3條壩軸線防滲方案[3]：①新壩軸線位于原爆破設(shè)計(jì)壩軸線位置，大壩防滲上游坡采用斜墻防滲，簡稱“斜墻防滲方案”；②新壩軸線與爆破設(shè)計(jì)壩軸線重合，在原壩頂及上下游壩坡進(jìn)行加高培厚和整形處理，大壩防滲在壩軸線位置采用垂直帷幕灌漿防滲，簡稱“垂直防滲方案”；③新壩軸線布置在原爆破設(shè)計(jì)壩軸線的下游82m位置，結(jié)合當(dāng)時(shí)國內(nèi)防滲墻施工深度要求，在下游壩坡原爆破堆石壩體內(nèi)造孔46m深的混凝土防滲墻，簡稱“防滲墻防滲方案”。

3.1 斜墻防滲方案

斜墻防滲方案大壩結(jié)構(gòu)布置，如圖1所示。針對(duì)斜墻方案可供選擇的有黏土斜墻、鋼筋混凝土面板斜墻、瀝青混凝土面板斜墻和復(fù)核土工膜斜墻防滲方案，它們的共同點(diǎn)都是在爆破堆石壩體上游面采用斜墻防滲，壩基及兩岸繞壩滲漏采用水泥漿液帷幕灌漿防滲，而壩前庫內(nèi)泥砂淤積較深已達(dá)1 984.08 m高程位置（近40 m深），經(jīng)勘探分析壩前淤積層結(jié)構(gòu)為湖積層，為典型的多元結(jié)構(gòu)地層，并含大量的有機(jī)物（主要為腐植物）和不規(guī)則狀氣孔，為中等-高壓縮性土，屬弱-強(qiáng)透水性，存在滲漏、滲透變形和壓縮變形問題，靠近上游壩坡的淤積物還可能被庫水擊穿。所以，壩前淤積物不能直接作為上游天然水平防滲鋪蓋，需對(duì)上游壩基進(jìn)行垂直防滲。在對(duì)上游庫區(qū)淤積高程以下爆破堆石壩體進(jìn)行防滲處理時(shí)，由于庫區(qū)淤積層不能作為水平鋪蓋防滲，還需對(duì)爆破堆石壩體部分進(jìn)行垂直防滲，一種方案是對(duì)壩前淤泥層進(jìn)行大開挖，另一種方案是在斜墻底部基礎(chǔ)爆破堆石壩體中進(jìn)行造孔混凝土防滲墻或帷幕灌漿施工，但其上游周邊防滲岸墩線需布置在爆破堆石壩體上，最大爆破堆石壩體深達(dá)30m，其穩(wěn)定性較差，對(duì)上游周邊防滲穩(wěn)定造成較大的隱患；同時(shí)，上游壩腳造孔混凝土防滲墻施工平臺(tái)滿足不了施工導(dǎo)流度汛高程要求，而且整個(gè)防滲體包括上游壩腳的混凝土防滲墻、岸墩線施工、壩基帷幕灌漿、固結(jié)灌漿以及壩面斜墻等各種防滲結(jié)構(gòu)，施工工藝較為復(fù)雜，給施工導(dǎo)流、施工難度、施工安全帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 垂直防滲方案

垂直防滲方案大壩結(jié)構(gòu)布置，如圖2所示。擬在壩軸線位置進(jìn)行帷幕灌漿形成壩體、壩基防滲帷幕，結(jié)合兩壩肩帷幕灌漿防滲，形成整體灌漿防滲體系。沿壩軸線布置3排灌漿孔，孔、排距均采用2.0m，上下游排采用低水灰比的膏狀穩(wěn)定水泥漿液灌注，可以起到灌注大孔隙、封堵大通道、節(jié)約灌漿材料和灌漿時(shí)間的作用；中間排則采用流動(dòng)性好的穩(wěn)定性漿液灌漿，以便對(duì)較細(xì)的裂隙進(jìn)行灌注并在有效范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。上下游排孔深入基巖0.5m，中間排孔深入至基巖相對(duì)不透水層5m。兩壩肩沿壩軸線開挖灌漿平洞進(jìn)行帷幕灌漿，帷幕灌漿布置單排孔，孔距2.0 m，灌漿深入基巖相對(duì)不透水層（基巖單位吸水率ω值小于或等于5 Lu）5m，帷幕灌漿最大灌漿深度為103m。

圖2 垂直防滲比較方案

圖3 混凝土防滲墻推薦方案

3.3 混凝土防滲墻防滲方案

防滲墻防滲方案大壩結(jié)構(gòu)布置，如圖3所示。根據(jù)2001年9月21日水利部江河水利水電咨詢中心文件《關(guān)于印發(fā)云南省武定縣己衣水庫除險(xiǎn)加固工程技術(shù)咨詢意見》（水咨設(shè)〔2001〕13號(hào)），專家組認(rèn)為“防滲加固處理壩軸線向下游方向移動(dòng)，在爆破堆石壩體中混凝土防滲墻的高度不宜超過30m”。大壩加固設(shè)計(jì)壩軸線位于原爆破堆石壩體上，距原爆破壩軸線下游82m，防滲軸線在新壩軸線上游側(cè)，距新壩軸線0.5 m。為滿足在爆破堆石壩體中造孔澆筑46m深混凝土防滲墻的施工要求，在下游原爆破堆石壩體上新壩軸線位置開挖至高程1 980m處形成一個(gè)寬度大于15m的施工平臺(tái)，造孔混凝土防滲墻厚0.8m，深入基巖1.0m左右，其次在新加高碾壓爆破堆石壩體部分采用現(xiàn)澆混凝土防滲墻防滲，壩體二維應(yīng)力-變形計(jì)算結(jié)果表明，防滲墻墻體中間部位大部分區(qū)域拉應(yīng)力較小或無拉應(yīng)力，為便于安全，在明澆混凝土防滲墻根部與造孔混凝土防滲墻頂結(jié)合部位設(shè)置銅片止水，并在其明澆混凝土防滲墻上游面增設(shè)1層復(fù)合土工膜聯(lián)合防滲，造孔及現(xiàn)澆混凝土防滲墻面積為7 800 m2。防滲墻下壩基防滲帷幕用預(yù)埋管灌漿處理，先進(jìn)行造孔混凝土防滲墻施工，澆筑至1980m高程時(shí)，再對(duì)混凝土防滲墻預(yù)埋灌漿管進(jìn)行墻下壩基灌漿施工，兩岸壩基帷幕灌漿在壩體填筑到壩頂高程時(shí)施工。在壩頂左右壩肩繞壩滲漏采用2.5m×4m的灌漿平洞進(jìn)行帷幕灌漿處理，并同壩體防滲體相接，形成整體防滲體系。防滲帷幕處理最大灌漿深度92m，為單排孔布置，孔距1.5m，灌漿底界深入基巖相對(duì)不透水層（基巖單位吸水率ω值小于或等于5 Lu）內(nèi)5m，兩壩肩防滲邊界處理原則是由正常蓄水位延伸至與地下水水位相交位置或者是與壩基相對(duì)隔水層相交位置。由于兩岸地下水水位較低，正常蓄水位與地下水水位不能相交。左岸邊界與岸坡交界向下游偏轉(zhuǎn)11°延長27m（與壩基相對(duì)隔水層相交），右岸邊界由于壩基相對(duì)隔水層較遠(yuǎn)，結(jié)合壩體繞壩滲漏和岸坡陡巖地質(zhì)情況分析，在滿足滲流穩(wěn)定時(shí)，防滲邊界向下游偏轉(zhuǎn)28°延長70m，將輸水隧洞包含在防滲處理范圍內(nèi)，整條防滲軸線長230.75m。

3.4 防滲方案選擇

對(duì)上述3個(gè)方案進(jìn)行投資估算，結(jié)果見表1。

表1 大壩防滲方案投資估算

經(jīng)綜合比較，認(rèn)為“斜墻防滲方案”雖然投資最少，但其上游周邊防滲岸墩線需布置在爆破堆石壩體上，最大爆破堆石壩體深達(dá)30m，穩(wěn)定性較差，上游壩腳造孔混凝土防滲墻施工平臺(tái)滿足不了施工度汛高程要求，而且整個(gè)防滲體包括上游壩腳的混凝土防滲墻、岸墩線施工、壩基帷幕灌漿、岸墩固結(jié)灌漿以及壩體上游斜墻等各種防滲結(jié)構(gòu)，施工工藝較為復(fù)雜；同時(shí)，壩頂兩岸壩肩正對(duì)主副爆破漏斗區(qū)，兩岸爆破松動(dòng)巖體影響范圍較大，防滲處理難度較大，不作推薦。

原爆破壩軸線帷幕灌漿防滲方案“垂直防滲方案”，雖投資適中，但據(jù)原型觀測(cè)資料顯示，爆破堆石壩體內(nèi)部顆粒組成極不均勻，一般粒徑30～50 cm，最大達(dá)5m以上，不均勻系數(shù)Cu值在7～1 500變化，平均孔隙率為32%，最大達(dá)40%。其難點(diǎn)在于上、下游排灌漿孔灌注低水灰比的膏狀濃漿堵漏，其難度較大，施工質(zhì)量及工程量難以控制，對(duì)造價(jià)影響較大；同時(shí)，3排帷幕灌漿孔灌漿最大深度達(dá)103m，在爆破堆石壩體中灌漿鉆孔容易卡鉆、掉鉆、塌孔，施工處理難度較大，根據(jù)規(guī)范規(guī)定的造孔孔斜要求，成幕較為困難，不確定因素難以把握，其防滲結(jié)構(gòu)可靠度較低，不作推薦。

原爆破壩軸線下游82m處的“混凝土防滲墻方案”投資雖較高，需在爆破堆石壩體中造孔46m深的混凝土防滲墻。此方案壩體采用混凝土防滲墻及壩基帷幕灌漿兩種防滲結(jié)構(gòu)型式，施工工藝并不復(fù)雜。2000年前后云南白龍河水庫除險(xiǎn)加固工程已在爆破堆石壩中成功做到45m深的混凝土防滲墻（其中混凝土防滲墻穿過爆破堆石壩體平均深度15m），防滲效果較好，該工程給己衣水庫的壩體防滲墻施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。混凝土防滲墻能夠徹底可靠地對(duì)壩體滲漏進(jìn)行處理，該方案雖投資較高，但安全可靠、比較穩(wěn)妥，施工時(shí)要加強(qiáng)混凝土防滲墻造孔孔斜控制力度，嚴(yán)格控制混凝土防滲墻的垂直度。

綜上所述，選用混凝土防滲墻防滲方案，防滲壩軸線布置在原爆破設(shè)計(jì)壩軸線下游82m位置，可以避開左右主副爆破區(qū)的影響，同時(shí)滿足在爆破堆石壩體中造孔混凝土防滲墻施工深度要求。現(xiàn)澆混凝土防滲墻高度35m，設(shè)計(jì)墻體指標(biāo)為了上下墻（造孔段與現(xiàn)澆段）體變形協(xié)調(diào)一致，根據(jù)工程類比，采用垂直等厚0.8m布置，混凝土抗壓強(qiáng)度大于10 MPa，混凝土彈性模量12 000～20 000MPa，抗?jié)B強(qiáng)度大于W10。由于新加高碾壓爆破堆石壩體部分防滲墻為現(xiàn)澆混凝土，國內(nèi)未見有類似工程實(shí)例，為安全考慮，在現(xiàn)澆部分墻體前增設(shè)1層復(fù)合土工膜作為聯(lián)合防滲，墻體兩側(cè)各設(shè)50 cm厚漿砌石作為現(xiàn)澆混凝土防滲墻施工胎膜；為便于墻體與壩體爆破堆石協(xié)調(diào)變形，在砌石體與爆破堆石壩體之間設(shè)2.0m厚的砂石混合過渡層，基礎(chǔ)及兩岸延長段采用帷幕灌漿單排孔，孔距1.5 m，形成整體防滲系統(tǒng)。

4 結(jié)語

己衣水庫按照設(shè)計(jì)推薦的混凝土防滲墻方案于2007年9月開始施工，2008年8月完成防滲墻施工，2011年8月完成樞紐工程除險(xiǎn)加固施工，經(jīng)試蓄水運(yùn)行一年，2012年12月通過了上級(jí)主管部門的樞紐工程安全竣工驗(yàn)收，總體工程質(zhì)量被評(píng)為合格，同意竣工驗(yàn)收[4]。

2013年汛期庫水位在2 011.58m，已超過正常蓄水位（2 010.92m）0.66 cm，下游壩腳三角量水堰（僅測(cè)壩體滲漏）測(cè)得壩體本身滲漏量為30.0 L/s，與庫水位在正常蓄水位下理論計(jì)算滲漏量基本一致；另外在其下游約80m處的河床梯形量水堰觀測(cè)得到壩體、輸水隧洞閘門、豎井、洞身及兩岸繞壩滲漏總量為0.12 m3/s，較大壩防滲處理前相同水位下滲漏3.23m3/s大為減少，防滲處理效果較為明顯。并且，經(jīng)觀測(cè)1年多來，在相同蓄水位下其下游壩腳三角量水堰滲漏量變化不大，說明本次樞紐工程除險(xiǎn)加固防滲處理達(dá)到了預(yù)期目的，防滲方案選擇恰當(dāng)，施工方法合理。

[1]陶忠平.爆破堆石壩堆石體主要工程地質(zhì)研究[J].人民長江，2005，（9）.

[2]云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.己衣水庫定向爆破壩壩體探井原形觀測(cè)研究[R].昆明：云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，1995.

[3]云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.云南省武定縣己衣水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].昆明：云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2005.

[4]云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.云南省武定縣己衣水庫除險(xiǎn)加固工程竣工資料設(shè)計(jì)工作報(bào)告[R].昆明：云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2012.

Design of Reinforcing the Blasting RockfillDam to Avoid the Seepage

XIEQing-ming，LIZhao，PENGQing-hua
（Yunan Provincial Investigation，Design and Research InstituteofWater Conservancy and Electric Power，Kunming 650021，China.）

In the 1960s and 1970s，a number of Blasting Rockfill dams were built，with the direct blasting technology based on the condition of geography.Due to the complexity of the composition，the leakage is a very serious problem.The dams cannot reservewater.The details of Jiyi reservoir and theways of reinforcing the Blasting Rockfill Dam to avoid the seepageare discussed，which can provide someusefulwaysofavoiding the Seepage tootherengineers.

blasting Rockfill Dam；comparewith schemesofavoiding the seepage；treatmenteffect

TV641.4；TV222

B

1004-7328（2014）06-0020-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.06.007

2014-09-09

謝慶明（1964-），男，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。