丹乌水库大坝除险加固防渗设计

丹乌水库大坝除险加固防渗设计

周绍吉

富民县水利工程技术服务中心云南富民650400

摘要：本文分析了丹乌水库工程特点，重点论述了对坝基、坝肩结合部进行帷幕灌浆、坝体进行劈裂灌浆作为水库除险加固的防渗设计方案，使多年来坝体的漏水问题得以解决。

关键词：丹乌；坝体；防渗

1、工程概况及渗漏问题

丹乌水库位于昆明市富民县款庄乡拖卓村，工程地理位置为东经102°36′，北纬25°25′，属长江流域金沙江水系普渡河右岸支流。多年平均降雨量851mm，总库容12.6万m3，总径流面积1.2km2。距离县城45km，有富款公路和简易乡村公路通往水库，交通方便。

丹乌水库以灌溉、防洪为主，目前承担着水库下游700亩农田灌溉，对下村庄具有防洪保护作用。水库一旦失事，将造成下游300余人和600余亩农田受灾，并且对下游1km处的富款公路、阿纳宰坝塘等构成严重威胁。

水库于1964年开始动工兴建，1965年竣工，大坝为碾压式均质土坝，现状最大坝高16.30m，坝顶长87.0m，坝顶宽5.0m，水库总库容量为12.6万m3，属小（2）型水库。

大坝为均质土坝，坝土主要为褐红色高液限粉土，稍湿—湿，可—软塑状。坝土碾压质量较差，总体结构较松散，易导致局部坝体产生一定的不均匀压缩变形。坝土颗粒级配不良，筑坝时碾压质量较差；下游坝坡散浸面积大，水库水位以下部位均出现散浸现象，散浸面积为253m2，局部有明显的隆起现象，隆起区平均高出正常坡面0.1~0.2m；坝脚排水沟有沉陷、淤堵、排水不通畅现象，造成右坝脚形成沼泽，沼泽面积20m2，坝身、坝肩、坝基渗漏严重，坝体总渗漏量达4L/s。坝顶高程不足，对大坝稳定造成安全隐患，水库效益得不到充分发挥，急需进行除险加固。

2、现状大坝渗漏稳定复核

大坝现状稳定性复核计算断面采用原坝体最大横断面，各特征水位为本次设计中的复核值，浸润线计算采用北京理正岩土系列软件进行计算，坝坡稳定计算软件采用中国水利水电科学研究院陈祖煜教授编制的《土石坝边坡稳定分析程序（STAB2007）》进行。坝体的分区以及相应基本参数的取值根据地质勘探资料及土工试验结果进行统计分析得出。坝体各分区物理力学指标见表1，渗流量计算成果见表2。

经过计算，当水库上游取正常蓄水位2040.47m进行计算时，坝体单宽渗流量q=2.76m3/d，平均坝长为83.0m，日渗漏量为229.08m3，年渗漏量为5.50万m3(按水库满蓄8个月计)，占水库总库容的43.60％。

3、设计要求

据钻孔压（注）水试验成果，坝土渗透系数为2.9×10-2～8.8×10-3cm/s，属于强~中等透水层，达不到均质土坝防渗要求；按压水试验成果，坝基为全风化玄武岩形成之低液限粉土及强风化玄武岩，其渗透率q值为13.2～22.1Lu,为中等透水层；从ZK1～ZK5钻孔压注水试验资料，左坝肩下伏强风化玄武岩透水率13.2lu，属中等透水层，埋深10.3m以下为弱风化玄武岩，透水率q值为6.4Lu，为弱透水层。右坝肩下伏强风化玄武岩透水率14.8~19.7lu，属中等透水层，埋深15.9m以下为弱风化玄武岩，透水率q值为3.9Lu，为弱透水层。两坝肩存在绕坝渗漏，但渗漏量小。

因此，大坝已出现渗流安全隐患，须对坝体、坝基、坝肩进行防渗处理。

4、防渗方案

4.1防渗方案比选

根据目前坝体、坝基的现状及地质条件,本着安全、可操作及投资合理的原则提出三个防渗处理方案进行技术经济比较：

方案一:对坝基、坝肩结合部进行帷幕灌浆、坝体进行劈裂灌浆

对坝基、坝肩及结合部采用帷幕灌浆和坝体采用劈裂灌浆进行防渗处理，以形成封闭的垂直防渗体系。坝体及坝基结合部采用粘土水泥浆、坝基及两坝肩采用纯水泥灌浆灌注。劈裂~帷幕灌浆轴线沿坝轴线、单排孔布置。河槽段87.0m按三序孔布设，孔距为Ⅰ序孔8m，Ⅱ序孔4m，最终加密至2.0m，两坝肩灌浆孔孔距均为2.0m，灌浆顶界为正常蓄水位2040.47m，防渗底界以q≤10Lu控制，左坝肩向外延16.0m，右坝肩向外延23.0m，防渗帷幕总长126.0m。

该方案的优点是：坝体、坝基、坝肩进行灌浆形成封闭的防渗体系，结合坝脚排水棱体，符合上堵下排的原则，对坝土采用劈裂式灌浆处理对改善坝体质量及防渗可取得较普通充填式灌浆更为显著的效果，劈裂式灌浆除浆体帷幕能起到防渗外，还能使原坝体的应力得以重新分布，增强坝体抗渗能力。故对大坝防渗灌浆设计采用劈裂灌浆和充填式灌浆相结合的方法，施工较方便，施工布置容易，对截断坝基岩层中的渗漏通道较为实用、有效，投资较省。缺点是：施工周期较长，其防渗效果及耐久性与施工质量、经验关系极为密切，时效性能不如混凝土防渗墙和粘土防渗墙。

方案二:坝基、坝肩及结合部进行帷幕灌浆、坝体进行套井回填粘土防渗墙

坝基及坝肩采用纯水泥浆进行帷幕灌浆，坝基和坝土的结合部采用粘土水泥浆进行充填帷幕灌浆，坝体采用套井回填粘土，形成粘土防渗墙。帷幕灌浆及套井回填粘土防渗均按单排孔布置，轴线沿老坝轴线布置，孔距初拟为2.0m，帷幕灌浆长度由左坝肩外延16m，右坝肩外延23m，长度126.0m。套井直径采用1.1m，有效厚度0.75m，中心距离0.8m。

该方案优点：坝体防渗效果及耐久性较好。缺点：帷幕灌浆和套井回填粘土防渗墙共同形成整体防渗体系，幕墙结合部搭接质量要求高，搭接不好易形成渗漏通道影响坝体稳定，主井和套井结合部也存在搭接不好引起的渗漏问题。套井回填施工质量要求：井要直，夯要实。施工中，井孔易偏斜，井壁易塌方，且需经常下井检查井孔及回填土料质量，对施工安全保障措施有较高要求。回填粘土料时应采取措施保证孔内无水。在夯实涵管附近坝土时，易造成预制涵管开裂漏水和夯填不密实，形成渗漏通道。

方案三:坝体及结合部采用混凝土防渗墙，坝基和坝肩进行充填帷幕灌浆

该方案的优点是：坝体及结合部防渗效果及耐久性好。缺点是：工程投资大、施工设备、施工场地及施工工艺要求高，同时，该方法较适合在均质土坝内实施，对于坝基坝肩岩基，却只能辅以灌浆才能与坝身防渗墙共同形成整体的防渗体系，施工中墙幕结合部位搭接不好易产生渗漏通道。

经过对三个方案进行设计比较，从技术角度，大坝防渗处理方案各有优缺点，经对三个方案的综合分析，结合本工程特点，选择方案一为大坝防渗的推荐方案，即：对坝基、坝肩及结合部进行帷幕灌浆，坝体进行劈裂灌浆，结合防洪要求，大坝增设1.2m的防浪墙，对上、下游坝坡进行工程处理，新建排水棱体，可保证大坝的安全运行。

4.2防渗处理设计

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）、《土坝坝体灌浆技术规范》（SD266—88）等规范并结合本工程坝基、坝土地质条件，对大坝防渗灌浆设计采用劈裂灌浆和充填式防渗帷幕灌浆相结合的方法，即：对大坝坝体进行劈裂式防渗帷幕灌浆，对结合部及坝基、坝肩进行充填式防渗帷幕灌浆。

防渗帷幕底界以透水率＜10Lu为控制，河槽段最深处底界高程为2018.84m，顶界高程为2026.82m，灌浆轴线沿坝轴线布置。坝土采用劈裂灌浆工艺，根据土的渗透系数和土层颗粒有效粒径以1:3水泥粘土浆分两序进行，河槽段87.0m孔距为Ⅰ序孔8m，Ⅱ序孔4m，最终加密至2.0m。灌浆开始采用稀浆，经过3～5min后加大泥浆稠度，主要以浓浆灌注为主；在灌浆中，应先对第一序孔轮灌，采用“少灌多复”的方法，待第一序孔灌浆结束后，再进行第二序孔的灌浆，每次最大灌浆量应按7m3左右控制，每孔灌浆5次，每次间隔5d；灌浆过程中，坝顶裂缝小于2cm，坝肩处横向水平位移小于3cm。灌浆压力可初定为0.8～1.0MPa。

对河槽段坝土基岩结合部，应采用接触带帷幕灌浆工艺，孔距2.0m，采用1:1的水泥粘土浆灌注；对基岩为充填式帷幕灌浆，孔距2.0m，采用纯水泥砂浆灌注。分为二序进行施工。

对岸坡结合部及基岩采用充填式帷幕灌浆，孔距2.0m，采用1:1的水泥粘土浆灌注。分为二序进行施工。

大坝防渗灌浆共布置84个灌浆孔（其中试验孔20个）。两坝肩帷幕由左坝肩向外延16m，由右坝肩向外延23m，整个防渗帷幕长126.0m。

灌浆土料的控制指标为：劈裂灌浆—塑性指数8～15%，粘粒含量20～30%，粉粒含量30～50%，砂粒含量10～30%，有机质含量﹤2%，可溶盐含量﹤8%；充填灌浆—塑性指数10～25%，粘粒含量20～45%，粉粒含量40～70%，砂粒含量<10%，有机质含量﹤2%，可溶盐含量﹤8%。浆液的控制指标为：劈裂灌浆—泥浆密度1.3～1.6g/cm3，粘度（s）20～70，稳定性0.1～0.15g/cm3，胶体率﹥70%，失水量(cm3/30min)10～30；充填灌浆—泥浆密度1.3～1.6g/cm3，粘度（s）30～100，稳定性<0.1g/cm3，胶体率﹥80%，失水量(cm3/30min)10～30。灌浆压力按起始压力、单孔最大压力和屈服压力三级控制。坝土采用干法造孔(不得用清水循环钻进)、分段灌注、少灌多复。灌浆压力、孔距及浆液配比最终通过灌浆试验确定。

坝基帷幕灌浆采用灌注纯水泥浆，灌浆压力可按P=P。+mD计算,初定为0.2～0.4MPa，灌浆水灰比采用5:1、3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1、0.5:1等比级，灌浆时由稀到浓，逐级变换，开浆水灰比可采用5:1。

5、加固后大坝渗漏稳定复核

5.1渗流量复核

坝体各分区基本参数的取值根据地质勘探资料及土工试验结果进行统计分析得出，防渗体厚度取0.4m，防渗体渗透系数为1×10-6cm/s。坝体各区透水性指标见表3，渗流量计算成果见表4。

经过计算，当水库上游取正常蓄水位2040.47m进行计算时，坝体单宽渗流量q=0.06m3/d，平均坝长为83.0m，日渗漏量为4.98m3，年渗漏量为0.07万m3（按水库满蓄5个月计）。占水库总库容的0.56%。

6、结语

丹乌水库大坝除险加固防渗，通过对坝基、坝肩及结合部采用帷幕灌浆和坝体采用劈裂灌浆进行防渗处理，以形成封闭的垂直防渗体系，较彻底的根治了水库存在的隐患，大坝防渗到达预期效果。

参考文献：

[1]朱祖友.水库大坝除险加固防渗设计处理分析[J].黑龙江水利科技,2013,41(10):69-71.

[2]论水库大坝除险加固设计[J].马少将.?珠江水运.2016(18).

[3]水库大坝除险加固工程设计及施工技术要点分析[J].杨仁强.黑龙江水利科技.2014(06).