土石坝除险加固技术研究

摘要：土石坝是我国水利工程中各种坝型应用最多的一种，但由于其建设时期的历史特殊性，多数土石坝存在着不同程度的设计缺陷或质量问题。本文结合具体工程介绍了土石坝的除险与加固技术。

引言

土石坝以其取材方便、适应性强、施工灵活、结构简单等优点而在当今世界中得到广泛的应用。由于土石坝的突出优点，我国已建成了众多的土石坝，但经过长期的运行，这些土石坝都发生了不同程度的老化，有的已直接影响到正常运行，因而需要对土石坝进行除险加固[1]。

土石坝病害

所谓病害，是指由于勘测设计不周、施工质量不良和管理运行不当等内因，以及水压力、地震、战争等外因，使坝及枢纽建筑物发生缺陷病害以致存在潜在的危险。根据病害的特点可归纳为两类：一为结构及构造性病害，其发病机理主要是结构强度、稳定和刚度不足，以及构造措施不合理；二为渗漏性病害，病害机理主要是坝体及其接合体抗渗性能不足。前者主要包括滑坡、沉陷、裂缝、护坡排水设备和溢洪道问题等，后者主要包括坝体渗漏、坝基渗漏、绕坝渗漏、涵洞周围渗漏和白蚁洞穴渗漏等。土石坝病害中，坝体裂缝、建筑物裂缝、坝体坝基漏水、上游护坡冲刷破坏以及白蚁洞穴等占的比重较大[2]。

形成坝体裂缝和渗漏的原因是多方面的，由于土石坝为散粒体组成的挡水建筑物，防渗体用粘土心墙或斜墙、钢筋混凝土面板等，而基面的地形不规则、地质不均匀、碾压质量等因素，使断面间的沉陷(包括固体沉陷)不同，引起水平向(包括垂直河向与顺河向)的拉应力，从而引起接近垂直坝轴线方向和平行坝轴线方向的裂缝或面板止水的开裂。其中以接近垂直坝轴线方向的裂缝危害较大，它使防渗体产生裂缝或面板止水开裂等，引起渗透破坏。土石坝在施工期和蓄水期的变形往往占总变形的60％-70％，也就是说有30％到40％的后期影响，由土石坝原型观测资料分析表明：后期变形对土石坝防渗体的强度、稳定和裂缝有显著影响。此外生物的影响，主要包括老鼠等动物和树木等植物造成的土体洞穴，也是引起渗透破坏的因素之一。还有坝体受波浪的冲击导致上游护坡冲刷和淘蚀而损坏，主要是由于干砌石的厚度不足、下垫层设计不合理、混凝土和浆砌石护坡厚度太薄、裂缝太宽、排水孔失效等造成。

土石坝防渗加固技术

地下防渗墙技术

地下防渗墙技术采用的主要工艺方法是：按照设计的几何尺寸造孔，泥浆固壁，清沉渣，浇水下混凝土，处理槽孔之间的接头等。防渗墙墙体类型和墙体材料应根据周围土体的变形特性和承受的荷载情况进行选择。墙体类型有刚性墙、塑性墙、柔性墙。地下防渗墙技术使我国水库和大坝的防渗和安全设计及施工技术发生了很大的变化，著名的三峡和小浪底工程都使用了地下防渗墙技术。

混凝土防渗墙特别是塑性混凝上防渗墙，作为土坝的垂直防渗结构是非常安全和经济，是处理土坝安全隐患的主要技术手段。具有占地少、工效高、工期短、质量可靠、经济效益高的优点[3]。

振动沉模防渗板墙技术

振动沉模防渗板墙技术相比于地下防渗墙技术的优点是简化了成墙工序，由地下防渗墙的六道工序简化为一道工序：解决了槽孔之间的夹泥和下部开叉使混凝土连续墙不连续的弊端，因而成墙质量可靠，施工速度快，成本低。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。该技术主要用于砂、砂性土、粘性土、淤泥质土及砂砾石地层建造混凝上连续防渗墙，造墙深度可达20m左右，厚8-25cm，最厚可达30cm。

劈裂帷幕灌浆技术

劈裂灌浆是从产生坝体隐患的原因入手，根据土坝的几何形状和应力分布规律，利用坝体小主应力的分布规律进行布孔，施加一定的灌浆压力，有计划有控制地使坝体沿轴线方向劈裂，同时灌注适宜的泥浆，形成铅直连续的防渗帷幕，堵塞与劈裂缝连通的的洞穴、裂缝或切断软弱层，以提高坝体的防渗能力：同时，通过浆坝互压和湿陷使坝体内部得到调整，提高坝体变形稳定性。

劈裂灌浆技术主要适合于处理压实质量差、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。应用劈裂灌浆技术时，应根据工程的具体情况，采取相应的灌浆工艺和措施，以取得良好效果。

高压喷射灌浆防渗技术

高压喷射灌浆是利用钻机造孔，然后把带有喷头的灌浆管下至土层的预定位置，以高压把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层，土粒从土体上剥落下来后，一部分细小土粒随着浆液冒出地面，其余部分与灌入的浆液混合掺搅，在土体中形成凝结体。其基本原理是利用射流作用切割掺搅地层，改变原地层的结构和组成，同时灌入水泥浆或混合浆形成凝结体，借以达到加固地基和防渗的目的。

高压喷射灌浆防渗技术可用于坝下地基覆盖层、接触带等的防渗，在大块径、堆石体等地质条件也可建造防渗墙。其优点是不需对地基进行开挖，即可在地基的某一深度建造符合设计要求的防渗体[4]。

土工膜防渗技术

土工膜是由高分子聚合物制成的透水性甚小的材料，渗透系数一般为10-11-10-12cm/s，是一种良好的防渗材料，在土石坝防渗工程中得到广泛的应用。土工膜防渗应用有土坝的防渗斜墙或垂直防渗心墙、透水地基上土坝的水平防渗铺盖和垂直防渗墙、施工围堰的防渗等。

土工膜的厚度很薄，容易遭破坏，为了有效保护和提高其在坡面上的稳定性，土工膜防渗结构原则上应包括5层：防护层(与外界接触的最外层)、上垫层(防护层与土丁膜之间的过渡层)、土工膜、下垫层、支持层。

综合防渗技术

水库大坝各组成部分的病险情况往往不同。根据土坝产生病害的部位、原因、地质特点等，针对性地采取不同防渗技术措施，进行综合治理的技术，成为综合防渗技术。综合技术比单一技术质量易掌握，施工速度快，工程成本低，用于土坝病险治理具有巨大潜力，是今后土坝病险治理的发展方向和总趋势。

综合防渗技术的主要内容，包括采用各种有效的勘查手段查明病险大坝的病情，综合各种适应的防渗技术，选择适宜的防渗材料，综合执行防渗加固方案。

工程实例

安格庄水库位于河北省保定市易县境内的安格庄村西，位于中易水中上游，控制流域面积476k，占中易水山区流域面积的93.5%，占整个河流流域面积的42.6%。是一座以防洪、灌溉为主的等综合利用的大(II)型水利枢纽工程，工程等级为II级。安格庄水库拦河坝为土坝，最大坝高49.4m，坝顶长度1281m，坝顶宽度5.0m，上游设浆砌石防浪墙，大坝上下游均为干砌石护坡。

经过检测与分析，目前大坝存在以下质量问题：1. 坝坡抗震稳定达不到规范要求。地震工况下，上游坝坡的抗滑稳定安全系数均不满足规范要求；上游砂壳及坝基砂在地震工况下可能产生液化现象；2. 大坝上游护坡石及反滤层不满足设计要求。护坡块石的厚度小、重量轻，且风化碎裂严重，达不到设计要求；反滤层已成为碎石和土的混合物，其结构、粒径均不满足设计要求，已不能有效地保护坝壳土料免遭库水的冲刷。下游贴坡排水的反滤层不满足设计要求；3. 大坝放水洞段渗漏严重，且漏水微含细土颗粒；库水位达到143.00m时，右坝肩渗水明显，并在低洼处积水。上述问题是工程运行的重大安全隐患。

大坝除险加固研究

由于上游砂壳和坝基砂砾层在地震烈度VII度时存在着液化问题，上游坝坡抗滑稳定不满足规范要求。对大坝除险加同进行了多方案比较，拟采用上游坝壳翻压并放缓坝坡的方案，并对无法翻压部分坝体的坝脚采取抛石压重措施[5]。

坝壳翻压放坡

为了确保20年一遇来水情况下不影响工程施工，并结合水下抛石的施工可行性，确定大坝坝壳翻压底高程为146.00m。在桩号0+210-0+740段，土坝上游坝壳为含土砾质粗砂，翻压范围是高程146.00m至坝顶的上游部分坝壳，并将高程156.00m以上坝坡由1：2.3放缓为l：3.0，要求新增加的坝壳料为砂砾料。砂壳翻乐后要求干密度不小于1.75g/cm3。，相对密度不小于0.80。

住桩号0+000-0+210及0+740-1+120段，土坝上游坝壳为碎屑土，将高程158.50m以上碎屑土清除，并将高程146.00-158.50m之间表层0.50m厚的碎屑土清除，用砾质粗砂同填至设计边坡。砾质粗砂压实后要求干密度不小于1.75g/cm3，相对密度不小丁0.8。

因桩号0+050-0+100段上游放缓坝坡时受放水洞引渠的影响．故原上游坝脚设C20素砼挡土墙，防止上游坝脚前伸，并将挡土墙锚同岩基上，防止挡土墙失稳，锚杆采用II级钢筋，直径d=25mm，靠近下游布三排，排距及间距均为0.50m，锚杆插入上部结构及新鲜岩长度不小于为1.10m，用M30砂浆封堵清洗干净锚杆孔。

坝脚抛石压重

为了保证抛石压重体与坝壳翻压加固连接可靠，上游坝脚压重范围自坝脚至高程151.00m，桩号为0+100-0+750之间，采用复式断面。高程151.00m压重平台宽度为14.00m，堆石边坡l：3；桩号0+100-0+640之间，高程146.00m压重平台总宽度为32.70m，桩号0+640-0+750之间，高科146.00m压重平台总宽度为26.70m。高挫146.00m以下为推进式水下抛石的自然边坡取1：1.2；坝前淤泥由抛石体挤出。压重体要求采用不易风化的新鲜砾石料，遇水不易离散泥化，水下抛石料要求软化系数不小于0.6，要求堆石料水上孔隙率不大于25％，水下孔隙率不大于30％，设计堆石级配为小于5kg的石块占5％，5-20kg的石块占25％，大于20kg的石块占70％。根据实际料源情况为满足设计孔隙率可对堆石级配适当调整．施工过程中应严格控制好堆石体的级配[6]。

结语

由于历史原因，相当一部分土石坝是边勘测、边设计，边施工的，加之管理不善，不少大坝成为病险大坝。利用新技术、新工艺，采用新材料提高大坝的防渗、抗滑．增加坝体的稳定性是病、险水库治理中的重要课题。