垂直防渗技术在水库坝体除险加固工程中的应用研究

垂直防渗技术在水库坝体除险加固工程中的应用研究

张琛

中铁一局集团市政环保工程有限公司

摘要：水库土石大坝渗漏会给社会经济效益带来巨大影响，严重影响工程安全运行，对水库周边居民的财产和生命安全造成威胁。在目前工程实践中，垂直防渗技术优于其他形式的防渗效果。垂直防渗技术具有施工速度快、耐久性高、安全可靠等优点，被广泛应用于水利水电工程和水库除险加固工程中，本文结合复合土工膜的渗透机理在水库大坝除险加固工程中的应用进行研究，验证了采用复合土工膜与混凝土防渗墙防渗技术相结合的可行性和有效性，为水库大坝除险加固提供借鉴与参考。

关键词：垂直防渗技术；除险加固；水库坝体；复合土工膜

1 引言

我国水资源总量比较丰富，但存在分布不均、地区之间悬殊较大的情况。历史资料显示我国对兴修水利工程及水害对人们财产和生命安全的影响的工程众多。我国最早开始的夏朝大禹治水。现今水利工程对农业生产产生较大影响，其发展与改革的进程，事关着农业保粮增收的重大任务的完成。因此，加快水利工程发展与改革成为目前的发展的紧迫事情。发展水利的任务在国家发展的总体布局中占有重要的地位。而水库作为调节水资源的重要水利工程，其在国民经济持续增长和社会活动稳定进行中发挥的巨大作用越发凸显^[1]。

土石坝施工技术简单易行，结构与房间、桥梁工程相比比较简单，水库大坝修建可就地取材以及其良好的适应变形的能力等优点，使得其成为在中国乃至全世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。据统计，我国现有水库近9万座、且96%的水库大坝为土石坝。 水库大坝在修建过程中，坝基的透水层处理上存在防渗措施的有效性较差、垂直防渗措施较薄或者水平防渗措施较短等问题。由于施工水平有限，碾压土体密实度不够，覆盖层清理不完全，为以后的工程的运行管理埋下安全隐患^[2-3]。

杨超^[4]基于相对熵组合赋权理论，对土石坝除险加固防渗施工方案进行对比，给出了不同的加固防渗方案，为水库大坝除险加固及安全决策提供了理论参考；陈浩^[5]以永新县繁荣水库坝体为研究对象，分析了坝体防渗加固施工技术；程露^[6]以苏基克纳里大坝为研究对象，针对大坝的混凝土心墙坝进行三维有限元建模，为大坝防渗结构施工提供了理论参考；李云^[7]以仁宗海堆石坝悬挂式防渗墙工程为依托，采用理论与数值模拟相结合的方法，分析了防渗墙的应力变形特征及防渗效果；薛萌^[8]以沥青玛蹄脂肪材料为研究对象，分析了尾矿坝在酸性环境条件下的防渗效果，基于Geostudio的SIGMA/W模块对尾矿坝体及沥青玛蹄脂防渗结构进行有限元计算，为类似施工提供了理论参考；陈彬鑫等^[9]结合山西省偏关县咀儿上淤地坝进行防渗稳定性分析，提出了3种改造措施5中改造方案，对坝体渗流提供参考。水库渗漏不仅会影响自身经济效益上的发挥，而且会对工程的安全运行产生严重影响，并且会对水库下游人民群众的财产和生命安全造成威胁。渗漏问题不仅给工程管理带来难题，同时也给下游人民群众的生命财产安全埋下隐患。

2 垂直防渗技术在除险加固中的应用

垂直防渗技术对于水平防渗措施来说，更有优势和防渗效果，垂直防渗对于透水地基更适合。垂直防渗技术可以机械化施工，占地面积较少，方便后期维护等特点，因此在水库大坝防渗工程中应用较多。在大坝施工中应根据工程的具体情况和覆盖层深度状况来选择防渗的方法。

2.1 土工合成材料的铺设

水库大坝防渗所用的土工合成材料一般具有高效的防渗措施主要包括两种材料，即不透水的复合土工膜和透水的土工织物，前者是截水，后者是反滤排水。复合土工膜主要有EVA高分子聚合物、PVC膜和PE膜等经过加工与土工织物相互结合形成的防渗膜，在大坝防渗工程施工中效果良好。复合土工膜自身具有重量轻、运输方便、施工快等特点，在施工过程中减少工程造价，达到良好的防渗效果，施工安全程度高，是水库大坝防渗材料的首选。

土石坝用薄膜做防渗体时，主要依靠薄膜两侧坝体材料对自身的支撑，当水库蓄水坝体承受作用水头时，薄膜起到防渗作用，此时的水压力传给坝体材料，坝体受到水压力后悔发生变形，导致薄膜发生位移。因此在施工过程中要注意坝体材料的抗压强度和抗折强度的验算，计算变形量。复合土工膜在土石坝防渗应用中，应根据土工织物与薄膜的排列及数量等结构的不同进行科学布置，保证变形能力达到设计的要求，选择复合土工膜的同时要注意白体材料渗透系数的选择，防止土工膜遭水头压破。

2.2 混凝土防渗墙

在水库大坝施工中，施工单位利用钻机等大型设备，在松散透水地基中打孔，在孔中关注混凝土或其他防渗材料，配合泥浆固壁的措施，形成地下连续墙，达到防渗的目的。这种混凝土防渗墙可以适用于各种地层，可以根据地层来选择不同的成槽工艺，可以处理地基深度较大的工程，工艺成熟，但是投资较高。

目前该项技术在我国应用较为广泛，在水利水电工程、建筑领域、围堰工程等临时性建筑物较多，从单一防渗到防渗加固应用较为广泛。

2.3 除险加固工程的选择

混凝土防渗墙除险加固工程中，可以不破坏原有的大坝结构，仅在坝基处进行凿孔灌浆，对水库大坝防渗效果显著，对大坝上游坝坡无有益的影响，但是在除险过程中要配合大型机械设备，交通受到限制的地区不宜采用，为保证与粘土斜墙的良好连接，应优先选用塑性混凝土材料，在配合比的设计方面需要有一定的经验。

复合土工膜防渗除险加固过程中，PE复合土工膜结构可形成整体防渗结构体系，在施工质量保证的前提下，土工膜的防渗可靠度较高，可以从根本上解决工程渗漏的问题，依据近年来的研究文献表明，该方案用于大坝除险加固的类似经验较多，可以有效降低工程施工的成本。

3 水库大坝渗流分析

以某水库大坝工程为例，分析水库大坝除险加固工程中的渗流问题，分6种工况进行计算分析，具体如表1所示。

表1 渗流分析工况表

工况编号	工况描述
1	有土工膜、无防渗墙
2	无土工膜、无防渗墙
3	无土工膜、有防渗墙
4	有土工膜、有防渗墙
5	设计洪水位
6	校核洪水位

利用数值模拟软件Autobank进行上述各工况的渗流计算和相关分析，工况2坝体将会发生渗透变形破坏。工况4的防渗效果较为明显。在施工前期方案确定过程中，对于有土工膜无防渗墙的方案，模型计算截水处的水力坡降较大，采用的有限元方法与实际工程相差较大，一些参数有待调整，在建立单元网格划分时要考虑工程实际情况。另一方面，水库大坝相邻的坝体材料的渗透系数差别较大，施工过程中会导致水力坡降大，对于新建工程，需要增加反滤层来减少施工中发生危险的可能性，尤其是除险加固工程，要降低水力坡降，减少渗流的破坏。通过软件Autobank进行模拟表明，复合土工膜方案可以有效降低水库浸润线的影响，对水力坡降影响较小。

4 结语

在水库大坝防渗技术运用中，复合土工膜对水库除险加固效果优于混凝土防渗墙方案，在工程造价上和施工进度上有明显的优势。运用Autobank软件分析渗流问题时，可以对个方案的防渗效果进行对比，优选适合工程的防渗结构。

参考文献：

[1]车向群. 高喷灌浆与振动沉模联合防渗技术应用[J]. 水利技术监督,2019(04):107-110.

[2]纪淑庆. 防渗技术在水利工程中的应用[J]. 四川水泥,2019(08):135.

[3]陈浩,叶鑫鹏. 永新县繁荣水库坝体防渗加固技术研究[J]. 陕西水利,2019(09):173-174.

[4]宁宇,喻建清,崔留杰. 软岩堆石高坝土工膜防渗技术[J]. 水力发电,2016,42(05):62-67+105.

[5]杨超. 基于相对熵组合赋权的土石坝除险加固防渗方案比选研究[D].西安理工大学,2021.

[6]程露. 苏基-克纳里大坝防渗结构体系静动力分析[D].三峡大学,2021.

[7]李云. 仁宗海堆石坝悬挂式防渗墙的工程性态分析与评估[D].成都理工大学,2019.

[8]薛萌. 尾矿坝酸性环境下沥青玛蹄脂防渗适用性试验研究及坝体计算分析[D].西安理工大学,2019.

[9]陈彬鑫,聂兴山,田淳. 咀儿上淤地坝防渗改造渗流及坝坡稳定分析[J/OL]. 水利水运工程学报:1-10.