綜合防滲技術(shù)在小型水庫除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

吳胡強(qiáng)

(安徽水安建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601)

1 工程概況

某山區(qū)水庫工程為區(qū)域內(nèi)重要的水源地，水庫容量庫容達(dá)到2730萬m3，集水面積為15.94 km2，河流長(zhǎng)度2350 m，河流坡降為8.7%，正常水位為53.7 m，灌溉面積40 hm2，屬于中等水庫，主壩壩頂高程192.00 m，最大壩高為29 m，壩底部厚度為56 m，壩頂部厚度為10 m。水庫大壩工程修建于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行，再加上庫區(qū)長(zhǎng)期以來改造建設(shè)投入力度不大，致使大壩工程建構(gòu)筑物出現(xiàn)老化失修和破損現(xiàn)象，多次發(fā)生滲漏現(xiàn)象，壩體工程處于帶病運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)重影響了水庫防洪灌溉效益的發(fā)揮[1-3]。壩體填筑材料為粉質(zhì)黏土，基本物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 水庫壩體填筑材料基本物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)壩體內(nèi)的填筑材料取樣進(jìn)行顆粒分析，以計(jì)算壩體的滲流破壞類型。試樣共取得5個(gè)，編號(hào)為ZGST1-1～ZGST1-5，取樣點(diǎn)沿著壩體縱向均勻布置，均位于壩體中心、大壩路面以下3 m位置。篩分表明ZGST1-1試樣的不均勻系數(shù)Cu為7.4，wd<60 mm(為土體粒徑<60 mm孔徑的土體質(zhì)量占比，后同)為7.4%，wd<10 mm為1.0%，wd<70 mm為10.0%，界限粒徑df為0.033，黏粒含量Pc為41.7%，經(jīng)判別，取樣點(diǎn)的滲透變形和破壞類別為流土破壞；ZGST1-2試樣的不均勻系數(shù)Cu為8.0，wd<60 mm為8.0%，wd<10 mm為1.0%，wd<70 mm為12.0%，界限粒徑df為0.035，黏粒含量Pc為39.1%，經(jīng)判別，取樣點(diǎn)的滲透變形和破壞類別為流土破壞；ZGST1-3試樣的不均勻系數(shù)Cu為7.8，wd<60 mm為7.8%，wd<10 mm為1.0%，wd<70 mm為12.0%，界限粒徑df為0.035，黏粒含量Pc為39.1%，經(jīng)判別，取樣點(diǎn)的滲透變形和破壞類別為流土破壞；ZGST1-4試樣的不均勻系數(shù)Cu為8.0，wd<60 mm為8.0%，wd<10 mm為1.0%，wd<70 mm為11%，界限粒徑df為0.033，黏粒含量Pc為43.8%，經(jīng)判別，取樣點(diǎn)的滲透變形和破壞類別為流土破壞；ZGST1-5試樣的不均勻系數(shù)Cu為7.9，wd<60 mm為7.9%，wd<10 mm為1.0%，wd<70 mm為11.0%，界限粒徑df為0.033，黏粒含量Pc為29.6%，經(jīng)判別，取樣點(diǎn)的滲透變形和破壞類別為流土破壞[4]。

2 小型水庫綜合除險(xiǎn)加固技術(shù)

2.1 灌漿帷幕除險(xiǎn)加固技術(shù)

從經(jīng)濟(jì)角度和技術(shù)可行性角度出發(fā)，對(duì)水庫采用20 m的“帷幕灌漿防滲墻+土工膜技術(shù)”的綜合除險(xiǎn)加固。為了保證防滲效果，同時(shí)達(dá)到提高壩體穩(wěn)定性的目的，帷幕灌漿防滲墻按照鉆孔與測(cè)斜、沖洗與壓水、制備漿液、灌漿施工順序進(jìn)行。

在鉆孔與測(cè)斜施工中，首先在壩體上按照?qǐng)D紙要求位置布孔，采取小口徑回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆入預(yù)定深度后對(duì)鉆孔的垂直度進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)收合格后方可進(jìn)入下一步工序，鉆孔的垂直度可采用分段測(cè)量的方式進(jìn)行，鉆孔偏斜率和偏斜角計(jì)算方法如式(1)～式(2)所示，計(jì)算原理如圖1所示。

圖1 鉆孔測(cè)斜計(jì)算原理

(1)

θ=arctanδ

(2)

式中；δ為鉆孔偏斜率；l為測(cè)量分段長(zhǎng)度，m；θ為鉆孔偏斜角，(°)；α為鉆孔偏斜方位角，(°)。

在沖洗與壓水施工中，對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行沖洗達(dá)到30 min以上，且壓水水壓達(dá)到1 MPa，才認(rèn)定孔內(nèi)質(zhì)量滿足注漿灌漿要求；在制備漿液過程中，采用集中制漿法進(jìn)行供漿，漿液的各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)滿足規(guī)范相應(yīng)要求，比如濃度、細(xì)度等；在灌漿施工中，應(yīng)控制灌漿壓力和灌漿段長(zhǎng)度，在灌漿完成后，采取1∶2的濃漿液將孔內(nèi)的稀漿液置換出，并對(duì)整體灌漿過程進(jìn)行記錄。

2.2 土工膜防滲技術(shù)

土工膜是以合成樹脂為集料，加入了抗氧劑、色母等輔料的人工合成材料，具有耐久性好、成本低廉、滲透性低、抗拉強(qiáng)度高、無毒性、防霜防凍等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于壩體的防滲、圍堰防滲和堤壩防滲中。本研究中采用土工膜進(jìn)行庫底的防滲，其防滲結(jié)構(gòu)從上至下分別為間距150 mm×150 mm沙袋、500 g/m2規(guī)格的土工布、厚度1.5 mm的HDPE土工膜、500 g/m2規(guī)格的土工布、土工席墊、60 mm厚墊層料、150 mm厚過濾料和庫底回填石渣。

3 綜合除險(xiǎn)加固技術(shù)的防滲效果評(píng)價(jià)

除了在庫底鋪設(shè)土工膜，在迎水側(cè)坡腳、坡頂左側(cè)、坡頂中部和坡頂右側(cè)沿壩體縱向(左岸為坐標(biāo)原點(diǎn))布置帷幕灌漿排列，分別編號(hào)為鉆孔A列、鉆孔B列、鉆孔C列和鉆孔D列。對(duì)帷幕灌漿量的大小進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，不同的帷幕灌漿排列，其灌漿量曲線表現(xiàn)出不同的變化。迎水側(cè)坡腳灌漿量(鉆孔A列)在壩長(zhǎng)100 m范圍內(nèi)變化劇烈，最大灌漿量達(dá)到34.99 m3，靠近右岸時(shí)，灌漿量相對(duì)較小，平均灌漿量約11.60 m3；坡頂左側(cè)灌漿量(鉆孔B列)在壩長(zhǎng)范圍內(nèi)變化劇烈，灌漿量變化范圍為5～25 m3；坡頂中部的灌漿量(鉆孔C列)在坡長(zhǎng)范圍內(nèi)的變化較為平緩，灌漿量變化范圍為11.99～17.61 m3，平均值為16.17 m3；坡頂右側(cè)坡腳灌漿量(鉆孔D列)在坡長(zhǎng)范圍內(nèi)的變化起伏不大，灌漿量變化范圍為10.00～12.94 m3。

圖2 不同帷幕灌漿排列灌漿量曲線

為了評(píng)價(jià)灌漿帷幕的注漿效果，沿著壩長(zhǎng)方向按30 m間隔布置5個(gè)橫斷面(以左岸為坐標(biāo)原點(diǎn))監(jiān)測(cè)壩頂?shù)某两盗?，分別為壩長(zhǎng)30 m位置、壩長(zhǎng)60 m位置、壩長(zhǎng)90 m位置、壩長(zhǎng)120 m位置和壩長(zhǎng)150 m位置，監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度為帷幕灌漿完成后360 d，結(jié)果如圖3和表2所示。從圖3中可以看出，不同壩長(zhǎng)位置的沉降變化規(guī)律較為一致，均在帷幕灌漿施工后初期，呈現(xiàn)較快的非線性增長(zhǎng)，而隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增長(zhǎng)，沉降量逐漸趨于穩(wěn)定，各個(gè)斷面坡頂沉降趨于穩(wěn)定的時(shí)間大致相同，為帷幕灌漿施工后180 d，但各個(gè)斷面坡頂?shù)淖罱K沉降量并不一致，壩長(zhǎng)30 m位置、壩長(zhǎng)60 m位置、壩長(zhǎng)90 m位置、壩長(zhǎng)120 m位置和壩長(zhǎng)150 m位置的最終沉降量分別為8.25 mm、10.77 mm、10.80 mm、14.97 mm和13.50 mm，表現(xiàn)為靠左岸壩頂沉降相對(duì)較小，靠右岸壩頂沉降相對(duì)較大的規(guī)律。

圖3 不同監(jiān)測(cè)斷面坡頂沉降曲線

表2 5個(gè)不同監(jiān)測(cè)斷面坡頂沉降現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證“帷幕灌漿防滲墻+土工膜技術(shù)”綜合除險(xiǎn)加固效果，對(duì)水庫壩體加固前后不同水位的滲流量、出逸坡降和出逸流速進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。

(a)滲流量變化

從圖4(a)中可以看出，相比于水庫壩體加固前，加固后不同水位的壩體滲流量出現(xiàn)不同程度的下降，下降幅度變化范圍為70%～77%。死水位(166.9 m)的滲流量降幅最大，從加固前滲流量0.15×10-4m3/s降低到加固后的0.034×10-4m3/s，降幅為77%，正常蓄水位(175.0 m)和校核洪水位(177.8 m)的滲流量降幅相近，降幅約為70%。

從圖4(b)中可以看出，相比于水庫壩體加固前，加固后不同水位的壩體出逸坡降出現(xiàn)不同程度的下降，下降幅度變化范圍為60%～71%。死水位(166.9 m)的出逸坡降降幅最大，從加固前出逸坡降0.014降低到加固后的0.014，降幅為71%，設(shè)計(jì)洪水位(175.0 m)的出逸坡降降幅最小，降幅約為60%。

從圖4(c)中可以看出，相比于水庫壩體加固前，加固后不同水位的壩體出逸流速出現(xiàn)不同程度的下降，下降幅度變化范圍為80%～89%。死水位(166.9 m)的出逸流速降幅最大，從加固前出逸坡降0.097×10-6m/s降低到加固后的0.010×10-6m/s，降幅為89%，校核洪水位(177.8 m)的出逸流速降幅次之，降幅約為88%，正常蓄水位(175.0 m)的出逸流速降幅最小，降幅約為80%。

綜合以上分析表明，采用“帷幕灌漿防滲墻+土工膜技術(shù)”綜合除險(xiǎn)加固技術(shù)使得病險(xiǎn)水庫的出逸坡降、出逸流速和滲流量都大幅度降低，加固防滲效果明顯。

4 結(jié) 論

以某山區(qū)小型水庫工程壩體防滲除險(xiǎn)加固為研究對(duì)象，采用“帷幕灌漿+土工膜”的綜合除險(xiǎn)加固技術(shù)，分析加固效果，得到以下結(jié)論：

(1)迎水側(cè)坡腳、坡頂左側(cè)、坡頂中部和坡頂右側(cè)沿壩體縱向布置帷幕灌漿排列的注漿量呈現(xiàn)顯著的不同，總體而言，迎水側(cè)坡腳側(cè)灌漿量最大。

(2)不同壩長(zhǎng)位置的沉降變化規(guī)律較為一致，均在帷幕灌漿施工后初期，呈現(xiàn)較快的非線性增長(zhǎng)，而隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增長(zhǎng)，沉降量逐漸趨于穩(wěn)定，但各個(gè)斷面坡頂?shù)淖罱K沉降量并不一致。

(3)采用“帷幕灌漿防滲墻+土工膜技術(shù)”綜合除險(xiǎn)加固技術(shù)使得病險(xiǎn)水庫的出逸坡降、出逸流速和滲流量呈現(xiàn)不同程度的降低，不同水位條件下滲流量降幅70%～77%、出逸坡降降幅60%～71%、出逸流速降幅80%～89%，表明綜合除險(xiǎn)加固起到了加固防滲效果。