李江峰，戚印鑫，李 娟

(新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

自2000年以來(lái)，中央病險(xiǎn)水庫(kù)治理專(zhuān)項(xiàng)資金撥付，拉開(kāi)了新疆水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程建設(shè)的序幕。一大批早年建設(shè)的水庫(kù)，經(jīng)過(guò)水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)程序后，多被評(píng)價(jià)為三類(lèi)病險(xiǎn)水庫(kù)，水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程前期設(shè)計(jì)和施工建設(shè)迫在眉睫。

通過(guò)對(duì)多座水庫(kù)的篩選調(diào)查，選擇位于南北疆的9座平原水庫(kù)進(jìn)行分析，得出這些病險(xiǎn)水庫(kù)主要存在壩高不足、壩體防滲護(hù)坡不完善或損壞、壩基未防滲等病險(xiǎn)問(wèn)題。尤其是壩基未防滲、滲漏嚴(yán)重，存在嚴(yán)重安全隱患。

壩基滲漏又稱壩下滲漏，是指由于大壩壩基的地質(zhì)條件較差，施工過(guò)程中清基不徹底，未清至新鮮巖層，或者根本未作防滲處理，導(dǎo)致在水庫(kù)蓄水后在上下游水頭差的作用下沿壩基松散覆蓋層透水層、壩基巖石的孔隙、裂隙、溶洞、斷層而引起的滲漏。壩基滲漏降低了水庫(kù)的效益，調(diào)節(jié)水量減少，綜合功能降低，生態(tài)環(huán)境受損，經(jīng)濟(jì)效益低下、社會(huì)效益缺失、生態(tài)效益銳減；增大了對(duì)壩底的滲透水壓力，引起壩基巖土潛蝕，導(dǎo)致壩基失穩(wěn)[1]。

水庫(kù)滲漏產(chǎn)生的原因是多種多樣的[2]，壩基防滲與否還直接影響水庫(kù)滲流安全。很多水庫(kù)進(jìn)行壩基處理后表明壩基防滲處理效果明顯[3]。本文針對(duì)新疆平原水庫(kù)的壩基防滲型式展開(kāi)探討。

1 水庫(kù)概況

9座水庫(kù)均為引水注入式平原水庫(kù)，大壩為碾壓式均質(zhì)土壩，總庫(kù)容1萬(wàn)～100萬(wàn)m3，壩高5.1～14.0m，規(guī)模介于小(1)型、中型、大(2)型之間，對(duì)應(yīng)的工程等別分別為Ⅳ等、Ⅲ等、Ⅱ等，最高特征水位多為正常蓄水位，只有2座水庫(kù)為校核洪水位。9座水庫(kù)分別位于南疆的喀什地區(qū)、和田地區(qū)和巴音郭楞蒙古自治州，以及北疆的塔城地區(qū)和烏魯木齊市，建成年份1942—1991年不等，多數(shù)為大躍進(jìn)時(shí)代建成的水庫(kù)，至今已運(yùn)行29～78年之久，水庫(kù)壩基均為深厚覆蓋層地基。平原水庫(kù)特性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

2 壩基地層及防滲現(xiàn)狀

通過(guò)調(diào)查了解到，這9座水庫(kù)壩基地層年代由最遠(yuǎn)的早古生代志留系-晚古生代泥盆系-中生代侏羅系逐漸過(guò)渡到新生代第三系、第四系，地震烈度分區(qū)為Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度區(qū)，壩基土層滲透系數(shù)為n×10-6～n×10-2cm/s。9座水庫(kù)在早年建設(shè)過(guò)程中大多屬于三邊工程(邊勘察、邊設(shè)計(jì)、邊施工)，受當(dāng)時(shí)的施工建設(shè)水平、資金所限，均未對(duì)壩基進(jìn)行防滲處理，為了防止壩基滲透變形和地震液化，個(gè)別水庫(kù)在壩后施壓蓋重并布置了排水設(shè)施，都未從根本上解決壩基的滲漏問(wèn)題，形成了很大的安全隱患，致使這些水庫(kù)自建成以來(lái)就帶病運(yùn)行，達(dá)不到原設(shè)計(jì)運(yùn)行要求，無(wú)法正常發(fā)揮水庫(kù)的調(diào)蓄功能。

表1 平原水庫(kù)特性統(tǒng)計(jì)表

3 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)壩基防滲型式

統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，9座水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案，有3座未采取壩基防滲處理措施，但是設(shè)置了壩后蓋重和排水或只設(shè)置了壩后排水，以達(dá)到壩基滲透穩(wěn)定和防止壩基地震液化為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；其余6座分別采取了深層攪拌樁防滲墻、防滲槽鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲、薄混凝土防滲墻、垂直鋪設(shè)塑膜防滲、水平鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲、土壩劈裂灌漿防滲等壩基防滲型式，以達(dá)到延長(zhǎng)滲徑和壩基滲透穩(wěn)定、防止壩基地震液化的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。這些水庫(kù)均已完成除險(xiǎn)加固工程，能夠滿足正常運(yùn)行要求，壩基滲透穩(wěn)定，壩基滲漏明顯減少。

4 壩基防滲型式分析

4.1 未采取壩基防滲措施

3座未采取壩基防滲處理措施的水庫(kù)，最大壩高6.3～7.0m，壩前最大水深4.63～5.33m，計(jì)算出壩基實(shí)際水力坡降小于允許比降，壩后施壓蓋重寬度11.5～25m、厚度0.5～1.0m，并結(jié)合壩后排水的設(shè)置，達(dá)到了壩基滲透穩(wěn)定的目的，起到了防止壩基液化的作用。

4.2 采取壩基防滲措施

從防滲措施的部位來(lái)看，6座水庫(kù)分別采取了垂直防滲措施和水平防滲措施或兩者結(jié)合方式，也就是說(shuō)6座水庫(kù)采取的都是水平延長(zhǎng)滲徑或垂直懸掛式延長(zhǎng)滲徑防滲措施；從防滲材料上看，6座水庫(kù)分別采取了攪拌樁墻、混凝土墻、復(fù)合土工膜、塑料薄膜和劈裂灌漿防滲或某兩種材料結(jié)合防滲；從防滲工程型式上看，6座水庫(kù)分別采取了深層攪拌樁防滲墻、混凝土防滲墻、復(fù)合土工膜鋪蓋、垂直鋪塑和水泥灌漿。如圖1所示。

4.3 壩基防滲措施對(duì)比

究竟何種情況下采用哪一種壩基防滲型式，下面就結(jié)合9座平原水庫(kù)壩基防滲型式的適用性進(jìn)行理論對(duì)比分析研究。

(1)就防滲措施的部位而言，水平防滲措施適用于壩高較低，水頭較低，壩基地層較為均一，壩基土質(zhì)為細(xì)粒組、滲透系數(shù)偏小，壩前地形起伏不大、較為平坦，壩前有足夠的水平位置鋪設(shè)水平設(shè)施的平原水庫(kù)，根據(jù)安全要求，鋪蓋長(zhǎng)度大于或等于5倍壩前水頭即可，根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益要求，鋪蓋長(zhǎng)度小于或等于30倍壩前水頭即可[4]；垂直防滲措施適用于壩身較高，水頭較高，壩基地層分層較多，壩基土質(zhì)多樣、滲透系數(shù)偏大，壩前地形有一定起伏、變化明顯，壩前工作面較窄的平原水庫(kù)，垂直防滲措施主要有垂直鋪塑、深層攪拌樁、混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿防滲墻、振動(dòng)切槽防滲板墻等[5]。

(2)就防滲材料而言，主要有水泥、水泥土、混凝土、復(fù)合土工膜和塑料薄瞙。水泥這種材料應(yīng)用于灌漿、深層攪拌樁和混凝土防滲墻型式，復(fù)合土工膜適用于水平鋪蓋，塑料薄瞙適用于垂直鋪塑。其中的土工合成材料如復(fù)合土工膜、塑料薄膜的滲透系數(shù)為10-11～10-13，若處理好接頭部位，其防滲效果可謂最佳；深層攪拌樁防滲墻、混凝土防滲墻、灌漿泥墻滲透系數(shù)為10-6～10-8，防滲效果也能很好地滿足工程要求，而且接頭部位易于處理。

因灌漿材料不同，灌漿還可細(xì)分為黏土灌漿或水泥黏土漿灌漿、水泥灌漿或水泥砂漿灌漿、化學(xué)灌漿等。

圖1 6種壩基防滲型式橫剖面圖(高程單位：m，其余尺寸單位：mm)

(3)就防滲型式的適用性而言，深層攪拌樁水泥土防滲墻適用于淤泥、黏土、砂土、粉質(zhì)粘土等多種軟質(zhì)土層，防滲深度6～22m之間；防滲槽鋪設(shè)復(fù)合土工膜適用于防滲深度淺、3m以內(nèi)即能滿足水庫(kù)大壩滲透穩(wěn)定的情況；混凝土防滲墻適用于松散透水地基、較高水頭的情況，厚度為400mm及以下的薄墻、深度不大于40m，厚度為600～800mm、深度不大于80m，或厚度為1000～1200mm、深度不大于100m的較深、厚墻體；垂直鋪塑適用于軟土地基，不用打造施工平臺(tái)，簡(jiǎn)單易行，深度一般為6～10m，最深可達(dá)16m；水平鋪膜適用于軟質(zhì)土地基、較低水頭的情況，水平鋪設(shè)長(zhǎng)度一般為作用水頭的5～6倍；土壩灌漿一般有劈裂灌漿和充填灌漿2種型式，適用于高度70m及以下的均質(zhì)土壩、土質(zhì)心墻壩、土堤及其淺層軟土地基。

(4)還有一種壩基防滲組合型式，也可稱之為聯(lián)合型式。在洛浦縣哈拉快力水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程壩基防滲設(shè)計(jì)中，由于東西兩部分壩段的壩基地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，分別采用了薄混凝土防滲墻和垂直鋪塑膜的組合型式，兩種防滲型式的連接方法很好地解決了壩基防滲問(wèn)題[6]。在該水庫(kù)壩基土層中，有2/3的壩段由細(xì)顆粒粉砂層組成，1/3的壩段由粗顆粒砂礫石層構(gòu)成，該兩種土層分界位置約在0+500樁號(hào)。壩基防滲設(shè)計(jì)中0+500樁號(hào)以東對(duì)應(yīng)于粗顆粒砂礫石層采用的是薄混凝土防滲墻型式(剛性防滲體)，0+500樁號(hào)以西對(duì)應(yīng)于細(xì)顆粒粉砂層采用的是垂直鋪塑防滲型式(柔性防滲體)。為了做好兩種防滲型式的連接，設(shè)計(jì)采用了15m長(zhǎng)的嵌合連接段，其主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)就是采用薄壁(0.3m厚)抓斗機(jī)在泥漿護(hù)壁條件下挖(抓)出符合防滲深度和清孔后滿足澆筑要求的一個(gè)長(zhǎng)達(dá)15m的槽段，然后垂直鋪塑機(jī)由西向東緩慢開(kāi)槽鋪膜進(jìn)入挖(抓)出的15m槽段，使得塑膜仍位于防滲軸線上，再分別從塑膜的上下游兩側(cè)各沉入1組(共6組間距2.5m)導(dǎo)管，澆筑混凝土將塑膜嵌合于其中，再做好頭部密閉處理，從而形成完整嚴(yán)密的剛?cè)峤Y(jié)合的壩基防滲體。如圖2所示。

水庫(kù)蓄水以后，恢復(fù)了設(shè)計(jì)庫(kù)容，連續(xù)多年調(diào)節(jié)水量超出設(shè)計(jì)值5%～10%，壩后滲水大幅減少，一改除險(xiǎn)加固之前的沼澤、鹽堿地為排滲有序、平坦整齊的淺草灘，新增1.3萬(wàn)畝灌溉草場(chǎng)，年增供水量400萬(wàn)m3，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益、綜合性社會(huì)效益和顯著的生態(tài)效益，運(yùn)行應(yīng)用效果良好。

壩基防滲特性見(jiàn)表2。

4.4 其他常用的壩基防滲措施與特點(diǎn)

4.4.1因成墻設(shè)備而異的防滲墻及其特點(diǎn)

(1)雙輪銑水泥土攪拌墻(SMC)是一種新型等厚度水泥土攪拌墻施工技術(shù)，將雙輪銑槽機(jī)作為專(zhuān)用的防滲墻施工設(shè)備，該工藝以其成槽施工效率高、孔型規(guī)則、安全環(huán)保、適應(yīng)地層地質(zhì)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)而被普遍采用[7]，該技術(shù)在基坑工程止水圍護(hù)結(jié)構(gòu)和水利工程防滲墻等工程有廣闊應(yīng)用前景。該工法是利用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，施加驅(qū)動(dòng)力，使得兩個(gè)銑輪相對(duì)相向旋轉(zhuǎn)，向下切削攪拌土體，此時(shí)，注漿系統(tǒng)也通過(guò)注漿孔注入漿液。與土在原地?cái)嚢杌旌希纬伤嗤恋叵逻B續(xù)墻[8]。目前，國(guó)外主要有鉆桿式和懸索式兩種施工機(jī)械，鉆桿式施工機(jī)械最深可達(dá)40m，成墻厚度可達(dá)500～1200mm，單幅墻體寬度可達(dá)2200～2800mm。SMC工法水泥土攪拌墻芯樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.5MPa以上，滲透系數(shù)均小于10-6cm/s，成墻效果優(yōu)于三軸水泥土攪拌墻工法和TRD工法[9]。該技術(shù)是一項(xiàng)值得推廣的水庫(kù)大壩防滲墻施工工藝[10]。

(2)與雙輪銑槽機(jī)造墻形式相似的還有一種隼式防滲墻形式，隼式防滲墻成墻工藝克服了傳統(tǒng)雙輪銑防滲墻工藝的缺點(diǎn)，提供了一種能制造多個(gè)防滲墻段相互隼式接合形成隼式接合防滲墻體的設(shè)備。隼式防滲墻工藝最適用于松散透水地層，粒徑小于50mm的礫石、砂及軟土質(zhì)地層。每次成墻長(zhǎng)度約2.80m，深度可達(dá)50m，成墻寬度根據(jù)工程需求及設(shè)計(jì)決定，可在30～60cm之間進(jìn)行調(diào)整，正常情況每天可制造地下混凝土墻200m2或地下水泥土墻 300m2，墻體的垂直度不大于1/300，所形成墻體的透滲系數(shù)不大于10-7cm/s[11]。

圖2 剛性與柔性防滲體系連接平面圖(單位：mm)

表2 壩基防滲特性表

4.4.2水泥土漿體成墻方式及其特點(diǎn)

(1)自凝灰漿是由水泥、膨潤(rùn)土為主要原料并加入緩凝劑、分散劑配制而成，在抓斗等設(shè)備抽挖槽孔過(guò)程中，將灰漿注入槽中，一方面起固壁作用，同時(shí)與地層中的砂土不斷混合，自行凝結(jié)成防滲墻體的新工藝材料。自凝灰漿防滲墻技術(shù)，以其施工速度快、造價(jià)低、防滲效果好等優(yōu)點(diǎn)為歐美、亞洲各國(guó)廣泛采用[12]。長(zhǎng)江三峽三期圍堰防滲施工中，首次采用這項(xiàng)技術(shù)并獲得成功。該成墻工藝設(shè)計(jì)墻厚80cm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度R28≥0.5MPa，滲透系數(shù)K≤i×10-6cm/s，破壞比降J>40，彈性模量E為120～240MPa。

(2)還有一種防滲型式是防滲墻與灌漿兼而有之，但從施工工藝來(lái)講，應(yīng)當(dāng)屬于灌漿防滲型式。它是采用高壓旋噴灌漿的方式，在壩基地層中形成一定厚度和強(qiáng)度的水泥土防滲墻體。高壓旋噴灌漿施工技術(shù)在工程中的實(shí)際應(yīng)用表明，其對(duì)壩體壩基的防滲堵漏有著明顯的效果，具有較好的安全性和耐久性。高壓旋噴注漿法主要用于軟弱土層的加固工程當(dāng)中，其主要特點(diǎn)如下：適用范圍廣，解決靜壓注漿不能注入細(xì)顆粒土層的加固問(wèn)題?？捎糜谛陆üこ?，也可用于工程修復(fù)。用于不停止生產(chǎn)的建筑物加固更為優(yōu)越。旋噴施工可以不破壞原有的建筑物，只在地面鉆一個(gè)直徑為76～200mm 的鉆孔即可旋噴成0.4～4m的固結(jié)體。固結(jié)體形狀可以控制，強(qiáng)度高。固結(jié)體可靈活布置，可單樁或密集樁承載。噪音小，無(wú)污染。

4.4.3其他防滲形式的特點(diǎn)

垂直防滲墻作為一種壩基防滲形式，在水庫(kù)大壩工程中用途很廣泛。有研究發(fā)現(xiàn)，若只滿足壩基的滲透穩(wěn)定，防滲墻的深度只需要3～4倍的上游水頭即可滿足要求；但是滲流量較大，當(dāng)防滲墻的深度達(dá)到11～13倍的壩前水頭時(shí)，單寬滲流量曲線均開(kāi)始趨于平緩，此時(shí)再增加防滲墻的深度，對(duì)于減少壩基滲流量基本上已經(jīng)失去意義[13]。增加防滲墻厚度會(huì)增加防滲效果，但防滲墻厚度增加1倍，才消減10%水頭，這同時(shí)也說(shuō)明，靠增加防滲墻厚度來(lái)提高防滲效果是不經(jīng)濟(jì)的[14]。

無(wú)限深透水壩基采用土工膜水平鋪蓋防滲時(shí)，水平鋪蓋存在有效長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度大約為壩前水頭的22～30倍，當(dāng)鋪蓋達(dá)到此長(zhǎng)度后，壩基的滲流量就會(huì)趨于穩(wěn)定，再延長(zhǎng)鋪蓋在控滲方面效果不明顯；此外，滿足滲透坡降的所需水平鋪蓋長(zhǎng)度大約只需 3～6倍的壩前水頭甚至更短，說(shuō)明滲透坡降與滲流量相比較，對(duì)水平鋪蓋長(zhǎng)度的要求較低。當(dāng)無(wú)限深透水壩基采用不透水的垂直防滲墻控滲時(shí)，垂直防滲墻同樣存在一個(gè)有效深度，該深度大約是壩前水頭的11～15倍左右。當(dāng)防滲墻深度達(dá)到此深度后，防滲墻控滲效果將趨于穩(wěn)定，沒(méi)有必要再延長(zhǎng)尺寸；同樣發(fā)現(xiàn)，壩基的滲透坡降對(duì)防滲墻深度的要求相比滲流量所要求的深度要小。垂直防滲體的防滲效果大約是水平防滲體的1.5～3.5倍[15]。

武清[16]等借鑒下坂地水庫(kù)及斯木塔斯水電站等其它類(lèi)似工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)古河槽內(nèi)深厚大孔隙卵礫石地層，采用防滲效果好的全封閉式槽孔混凝土防滲墻防滲方案。并且提出對(duì)于墻深小于60m的墻下底部基巖則結(jié)合帷幕灌漿處理，灌漿的深度按基巖透水率5Lu線控制；對(duì)于墻深大于60m的超深防滲墻，其入巖深度按基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚度2m控制，不再進(jìn)行帷幕灌漿處理。郝永志[17]在大石門(mén)水利工程深厚砂礫石覆蓋層防滲處理設(shè)計(jì)中指出，垂直防滲是深厚覆蓋層防滲處理的一種行之有效的處理方式，常采用混凝土防滲墻、帷幕灌漿和懸掛式混凝土防滲墻下接砂礫石帷幕灌漿(上墻下幕形式)。

就防滲墻而言，由國(guó)外引進(jìn)的超薄防滲墻工藝能滿足墻厚7.5～15.0cm、墻深20m以內(nèi)的各種防滲墻。還可以由兩種或兩種以上不同材料、不同型式聯(lián)合組成的防滲方案。但不論采用何種方式、何種材料進(jìn)行壩基防滲，對(duì)于該類(lèi)平原水庫(kù)而言，在有條件的情況下需要采取合適的壩基防滲型式。只要采取了符合壩基地質(zhì)條件要求、并且能夠達(dá)到壩基滲透穩(wěn)定，在地震情況下壩基不發(fā)生破壞，同時(shí)能夠有效減少壩基滲漏，能夠達(dá)到效率優(yōu)先、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化、多快好省的施工建設(shè)，最具適用性的壩基防滲型式，就能夠發(fā)揮出水庫(kù)工程的應(yīng)有效用、達(dá)到預(yù)期效益。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)和科技的快速發(fā)展，水庫(kù)壩基防滲新技術(shù)、新工藝、新材料會(huì)不斷出現(xiàn)，但是本文列示的幾種壩基防滲型式，仍是今后平原水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程建設(shè)可供比選的有效類(lèi)型，尤其對(duì)于壩基地層存在兩種或兩種以上結(jié)構(gòu)型式的連接，推薦采用剛性與柔性結(jié)合的壩基防滲型式；不僅要達(dá)到水庫(kù)壩基滲透穩(wěn)定的要求，還要滿足最小滲漏量和水庫(kù)安全運(yùn)行的要求；要根據(jù)水庫(kù)的地質(zhì)情況以及工程特性進(jìn)行甄別選用，能夠采用先進(jìn)有效適用的壩基防滲型式才是本文探討與推廣的積極意義。