病险水库土坝防渗加固设计探讨

摘要：由于使用年限的增加，一些水库所暴露出来的安全隐患日益突出，特别是渗漏问题，对水库的安全运行危害较大。本文结合水库工程实例，对水库坝体和坝基的渗漏问题进行了详细分析，采用复合土工膜、混凝土截水墙、帷幕灌浆的加固方案进行防渗加固处理。经观测，加固后浸润线明显降低，防渗效果显著，具有一定的参考价值。

关键词：均质土坝；渗漏；复合土工膜；帷幕灌浆；防渗设计；浸润线

据有关资料记载，我国已建水库大坝中约有一半以上为均质土坝。该坝型具有体型和坝料填筑简单等优点。但我国的大多数均质土坝兴建于20世纪50～70年代，由于受当时条件的限制，普遍存在填筑压实度差、土质混杂、防渗性能差、坝基清基不彻底等缺陷造成大坝渗漏、坝体浸润线偏高和坝坡不稳定等问题，因此，必须进行防渗加固后才能保证安全运行。本文将结合某病险水库防渗加固设计工程进行详细的研究，为此类工程提供参考。

1 概述

某水库自建成蓄水以来，一直存在坝基和坝体渗漏的问题。20世纪60年代曾在上游坝脚挖槽回填粘土作截水墙，但渗漏仍很严重，水库长期处于低水位运行，从未溢洪。蓄水时，下游坝坡98.0m高程以下有5条渗漏带，每条漏水带宽10～30m，坡脚干砌石缝中普遍有水渗出，较大的漏水点（泉眼）有4个。渗漏带和泉眼主要分布在大坝以东，以西较少，分布较散。大坝未建渗漏观测设施，无法准确测出渗漏量。1

经过水文观测，当库水位100.72m时，l#堰漏水流量为46L/s，2#堰为15.6L/s，估计总的渗漏流量为160L/s左右；库水位下降至100.59m时，1#堰漏水流量为34L/s，2#堰仍为15.6L/s，估计总的渗漏流量为130L/s左右。

本次工程设计的目的是对坝身和坝基进行防渗堵漏及加高大坝，除险加固后，坝顶高程为106.2m，坝顶宽4.8m。

2 渗漏原因分析

坝体填筑土为黄褐色碎石粘土，碎石含量15%～25%，钻探发现坝体在坝轴线的浸润线高程为98.5m，土的状态在浸润线以上为坚硬～硬塑状，占55%，以下呈可塑土，占45%。土的干容重为13.57kN/m3，孔隙比为0.998，渗透系数为1.695×10-5cm/s，土的密实差，这是造成坝身渗漏的主要原因。

填筑土以下为第四系残坡积层，成份以粘土为主，局部含碎石及铁锰结核，上部为耕植土，系坝基清基所残留，厚度0.5～4.5m，硬塑土占43%，可塑～软塑土占57%，土的干容重为13.66kN/m3，孔隙比为1.01，渗透系数为2.16×10-5cm/s。其下为黄褐色粘土，结构密实，呈坚硬～硬塑状，干容重12.57kN/m3，孔隙比平均值为0.94，渗透系数为4.28×10-8cm/s，是良好的隔水层。因此，清基残留的耕植土层是坝基土体渗漏的主要层位。

坝下基岩为白云质灰岩及泥质灰岩，岩石较破碎，岩溶裂隙发育，单位吸水量为0.496L/min・m・m，相对抗水线较深，建坝时未进行坝基处理，这是造成坝基严重渗漏的主要原因。3防渗堵漏设计

3.1 基础防渗

3.1.1 混凝土截水墙

混凝土截水墙布置在大坝内坡脚，一直延伸到两边库岸相对不透水土层，C15混凝土墙厚1.2m，墙底超过坝基残留的耕植土层以下1m，墙顶稍高出原地面，兼作护坡砌体的阻滑墙，最大墙高为3m，每15m长分一道沉降缝，缝内设止水。

3.1.2 帷幕灌浆

在混凝土截水墙顶上布单排帷幕灌浆孔，孔距2m，孔径90mm，帷幕底部超过基岩相对抗水线（叫=0.05L/min・m・m）以下3m，采用循环式自上而下分段灌浆法灌浆，每一灌浆长度为5m，灌浆压力由现场试验确定。灌注5.2MPa新鲜普通硅酸盐纯水泥浆，遇溶洞吃浆量大时考虑掺黄砂，最大掺量不超过200%。

3.2 坝身防渗设计

3.2.1 复合土工膜

土坝加固防渗处理一般选用复合土工膜。复合土工膜由土工膜与针刺无纺土工织物加热压合或用胶粘剂粘合而成。土工膜起防渗作用，土工织物起排水和保护土工膜等作用。常用的复合土工膜为：聚乙烯（PE）膜，聚酯（涤纶）长丝土工布，分为一布一膜和二布一膜两种。

对于中低土坝防渗，选择复合土工膜的规格（膜厚和布重）时，主要考虑因素是：土工膜上面保护层的材料和施工难易程度，以及土工膜与坝面接触面的排水问题。该水库属低坝，坝身采用二布一膜的复合土工膜防渗，规格为200g/0.2/200g，幅宽5m，每卷长60m。

3.2.2 复合土工膜防渗设计

复合土工膜底边嵌入昆凝土截水墙内（嵌入长度≥0.8m），上边铺到高出校核洪水位0.5m，上边和左、右边埋人锚固槽内，两边的锚固槽要开挖到库岸的不透水土层内至少0.5m，梯形断面，底宽0.6m，深度由现场确定，上边的锚固槽亦是梯形断面，底宽0.6m，深0.8m（见图2），复合土工膜贴着槽边铺设，回填30cm粘土夯实，再将外边折回，然后回填粘土分层夯实。在上边锚固槽和截水墙之间设二道防滑槽，斜距7m，防滑槽底宽0.4m，深0.6m，槽内回填粘土分层夯实。

本工程共铺设复合土工膜1.86万m2，由于坝较长，虽设有二道防滑槽，但每区块还有6000m2左右，为预防万一局部发生保护层滑坡或其它破坏事故而影响整体，每隔100m设一条垂直分隔带，其结构同上边锚固槽。

复合土工膜上面的保护层垫层为粒径小于2cm的碎石，厚度15cm，垫层上面为厚10cm边长30cm的正六角形C15混凝土预制块护坡，干砌，水泥砂浆勾平缝压实抹光，正常蓄水位以下，每块混凝土预制块留l～2cm长的缝不勾缝，用于排水。

为了防止土工膜与坝面接触面存在的滞留水，在水库水位降落时，反压土工膜，使土工膜鼓起以致连同护坡脱坡滑落，采用“逆止阀”将滞留水排出。“逆止阀”的结构是在土工膜上开一直径20cm的孔，焊结一块直径约30cm的土工织物，挖一个直径0.5m，深1.5m的井，内填细砂，井底埋一块直径40cm有孔混凝土板，混凝土板上系尼龙绳数条，向上通过土工织物与铝盖板连系。土工织物至铝盖板间尼龙绳长15cm，安装时铝盖板盖在土工织物上，蓄水时不会漏水，当底部水压力高于上部水压力时，铝盖板被顶开，由土工织物排水。底部水压力消散后，铝盖板自动盖下去。“逆止阀”布置在靠近混凝土截水墙处，每隔40m设一个。纵向挖一条20cm宽、20cm深的沟，沟内填细砂，作为排水盲沟将每个“逆止阀”连接起来。

由于复合土工膜的土工织物与坝面接触面粘土之间的摩擦系数较小，存在危险的滑动面，抗滑稳定按下式计算：

式中：K―抗滑稳定安全系数；

f―土工织物与坝面粘土接触面间的摩擦系数；

α―坝坡坡角（°）。

经计算得K=1.27，安全。

3.2.3复合土工膜防渗施工

（1）坝面清理

坝坡面作为复合土工膜的基础支持层，其平整度对复合土工膜的抗损率有较大影响，应先将坝坡按设计要求修整，挖好锚固槽和防滑槽，清除一切树根杂草、石头和杂物，夯实坝面，保证平整。

（2）铺设

在铺设前检查并确认基础支持层已具备铺设复合土工膜的条件。本工程采用的复合土工膜幅宽为5m，长60m。铺设自下而上，根据该坝长而低的特点，采取横铺，减少接缝。铺设宜在干燥暖和天气下进行，工作人员应穿软底鞋，不能穿钉鞋、高跟鞋及硬底鞋在膜上踩踏。每一区铺好后应及时覆盖保护层，以免受阳光照而老化，或被雨淋弄脏接头影响接缝。铺设完毕、未覆盖保护层前，应将膜的边角处每隔5m放一个20kg重的砂袋压住，以防风吹掀动，同时检查有无破损，如有要进行补强处理。嵌入混凝土截水墙的复合土工膜，要嵌得牢固，外露部分若不能及时铺设时要卷好并作好保护措施。

复合土工膜铺设时，不能拉得过紧，要预留出温度变化引起的伸缩变形量，膜应自然松驰与支持层贴实，不宜折褶、悬空；膜块间形成的结点，应为T字型，不得作成十字形。

（3）接缝

接缝施工是复合土工膜防渗成败的关键。接缝采用自动调温（调速）电热熔挤压焊接机焊接，焊接形式为双焊缝搭焊。接缝处的土工膜要干净，用干净纱布擦拭焊缝搭接处，做到无水、无尘、无垢，膜平行对正，搭接长度60mm。根据当时当地气候条件，调节焊接设备至最佳工作状态，在调节好的工作状态下，做小样焊接试验，试焊接1m长的土工膜样品，采用现场撕拉检验试样，焊缝不被撕拉破坏、母材被撕裂认为合格，现场撕拉试验合格后，用已调好工作状态的焊接机逐幅进行正式焊接。焊接时下垫木板，焊机沿缝移动，将搭接处的土工膜焊成2条焊线，每条焊线宽10mm，2条线的净距10mm。焊缝焊后，要检查有无虚焊、漏焊或超量焊；如有，要切开损伤部位用大于破损直径1倍以上的母材补焊。横向焊缝间错位尺寸应大于或等于500mm。T字形接头采用母材补疤，补疤尺寸为300mm×300mm，疤的直角要修圆。

土工膜焊接后，要及时对以下部位的焊接质量进行检测：①全部焊缝；②焊缝结点；③破损修补部位；④漏焊和虚焊的补焊部位；⑤前次检验未合格再次补焊部位。

双焊缝的现场检测采用充气法，即向2条焊线之间的空腔内充气，充气长度不超过60m，充气压力150～200kPa，保持5min，如压力无明显下降即为合格；否则需找出漏气之处，进行补强处理，直到合格为止。T形结点及修补点采取真空罐法（即真空压力检漏法）检测，真空压力大于或等于5kPa，保持30S，肥皂液或洗涤灵不起泡即为合格，否则需进行补强处理。焊缝检查全部合格后才能缝合其外的土工布，用锦纶丝线双排缝合。

（4）保护层施工

复合土工膜铺设及焊接验收合格后，要及时填筑保护层。膜上保护层垫层为粒径小于2cm的碎石，铺放木板用手推车搬运，人工摊平并拍打密实，厚15cm，要铺得平整。垫层上混凝土预制块护坡，放置和铺放混凝土预制块时宜轻放，不能用钢钎等尖锐的工具撬动。

4 结语

该水库采用复合土工膜、混凝土截水墙、帷幕灌浆的加固方案后，量水堰测得的渗流流量为5L/s，远小于加固前的渗漏流量，并通过对测压管的水位观测，其浸润线比加固前降低了0.5～1.0m，渗漏险情得到了较好解决，很好的延长了水库的使用寿命，确保了水库的安全运行和水库应有的防洪社会效益和经济效益。

参考文献：

[1]崔学华；唐效群；刘秀红；徐晓霞.复合土工膜在小型水库坝体防渗中的应用[J].山东水利，2006年 第7期

[2]李国安.水库大坝防渗加固设计分析[J].城市建设理论研究，2011年第7期