熊海濱，彭文祥，周曉明

（1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，430010，武漢；2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，430010，武漢；3.流域水安全保障湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430010，武漢）

滲漏是土石壩最為常見的病險(xiǎn)情，其危害不容忽視。土石壩防滲加固措施可分為水平防滲和垂直防滲兩大類，前者以水平鋪蓋為主，常與下游排水減壓設(shè)施相結(jié)合，是控制滲流的一種經(jīng)濟(jì)有效的措施；后者有防滲墻、高壓噴射灌漿、劈裂灌漿等方案，相比水平防滲措施更為常用。與一般水庫大壩不同，湖北省富水水庫大壩（以下簡稱富水大壩）的滲控體系較為復(fù)雜，主要由上游黏土鋪蓋、黏土心墻、壩基混凝土截滲墻和下游減壓井組成，其壩基滲壓水頭與一般水庫大壩的表現(xiàn)規(guī)律不同。目前富水大壩依然存在滲漏問題。例如，水庫在庫水位超過55 m 高水位運(yùn)行時(shí)，下游減壓井出水量大幅度增加，且經(jīng)常淤堵導(dǎo)致局部失效，維護(hù)管理極其不便。此外，大壩下游壩腳大規(guī)模設(shè)置減壓井滲控措施在已建成運(yùn)行的大型水庫中較為少見。

富水大壩滲控體系復(fù)雜，滲漏問題極具代表性，進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)，如何客觀評價(jià)現(xiàn)狀防滲體系中各滲控因子的安全性態(tài)、選擇加固原有防滲體系還是重構(gòu)防滲體系等一系列關(guān)鍵問題有待解決。本文在綜合分析大壩地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)、施工及滲流觀測等資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合大壩滲流有限元計(jì)算成果，對富水大壩防滲加固對策進(jìn)行了全面系統(tǒng)分析。研究成果可為富水大壩防滲加固方案的制定提供科學(xué)依據(jù)，其分析思路亦可供類似工程借鑒。

一、工程概況

富水水庫工程位于湖北省通山縣和陽新縣內(nèi)，于1958 年8 月正式動(dòng)工興建，1966 年3 月工程竣工并發(fā)揮效益。水庫總庫容16.21億m3，是一座以防洪、發(fā)電為主，結(jié)合灌溉、航運(yùn)等綜合利用的大（1）型水庫，水庫保護(hù)下游65萬人、35萬畝（1畝=1/15 hm2）耕地，陽新縣城，武九鐵路，杭瑞和大廣兩條高速公路以及新長江干堤的防洪安全。壩后電站裝機(jī)容量為2×20 MW，多年平均年發(fā)電量1.2億 kWh。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、放空隧洞、發(fā)電輸水管和電站等建筑物組成（圖1）。

圖1 富水水庫樞紐俯瞰圖

富水大壩為黏土心墻壩（典型剖面如圖2），壩頂高程65.5 m，防浪墻頂高程66.7 m，壩軸線長941 m，頂寬6.5 m，最大壩高46.8 m。高程28.0 m以下為均質(zhì)土壩，高程28.0 m以上為黏土心墻壩，黏土心墻頂高程65.0 m。上游側(cè)壩殼料由黏土和壤土組成，心墻下游側(cè)設(shè)有0.8 m厚的反濾層，下游壩側(cè)壩殼料采用溢洪道開挖的頁巖代料填筑，由碎石夾土和黏性土夾碎石組成。大壩上游壩坡坡比自上而下依次為1∶2.8、1∶3.0、1∶3.5；下游壩坡坡比自上而下依次為1∶2.25、1∶2.5、1∶3.0。

圖2 富水大壩典型橫剖面（樁號(hào)0+210斷面）

二、存在問題

富水大壩運(yùn)行至今，雖經(jīng)多次除險(xiǎn)加固，仍存在滲流安全問題，主要包括以下幾方面：

1.大壩左右壩肩存在繞壩滲漏

左壩肩未進(jìn)行清基，覆蓋層的碎石夾土結(jié)構(gòu)松散，透水性強(qiáng)，繞滲測壓管的位勢明顯高于河床段。地勘成果表明基巖淺部巖石透水率為7.2～24.1 Lu。除險(xiǎn)加固工程驗(yàn)收報(bào)告表明：左岸壩肩雖已進(jìn)行帷幕灌漿加固，但透水率最大值達(dá)201.37 Lu，且存在透水率連續(xù)處于60~140 Lu的薄弱部位，存在滲流安全隱患。

右壩肩與溢洪道相接處地基由水云母頁巖及泥質(zhì)粉砂巖組成，地勘結(jié)果揭示該部位壩基巖體透水率大于10 Lu，超過規(guī)范的防滲標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.大壩壩基清基不徹底，原截滲墻效果有限

建壩時(shí)除左右岸坡部分清至基巖外，絕大部分壩基未清除砂卵石層。砂卵石層透水性較強(qiáng)，室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)為5.1×10-3～3.2×10-2cm/s；基巖淺部透水率也都大于10 Lu，屬中等透水性；防滲鋪蓋也因年代久遠(yuǎn)、施工質(zhì)量等問題基本失去防滲作用，而下部基巖在淺部也因構(gòu)造、風(fēng)化等因素，透水率大于10 Lu，不滿足規(guī)范要求。

2002年除險(xiǎn)加固時(shí)對壩基砂卵石層采用混凝土截滲墻防滲加固處理，截滲墻上部嵌入上游黏土鋪蓋內(nèi)4 m，下端伸入底部頁巖1 m。截滲墻對截?cái)鄩位奥咽杆畬訚B漏通道、減少大壩滲漏量、提高壩基滲透穩(wěn)定性起到了重要作用，但仍存在以下問題：①截滲墻高度有限，上下端存在滲流通道，且與黏土心墻在空間上未緊密銜接，當(dāng)壩前水位較高時(shí)，滲水可能越過截滲墻進(jìn)入砂卵石層；②截滲墻僅深入基巖1 m，墻下壩基巖體風(fēng)化明顯且未進(jìn)行帷幕灌漿防滲處理，基巖透水率仍大于10 Lu，不滿足規(guī)范要求；③截滲墻施工時(shí)槽孔內(nèi)墻頂以上部位采用壤土泥球封孔回填工藝，較難保證防滲體在垂直方向的有效封閉和連續(xù)。

3.減壓排水設(shè)施存在安全隱患，維修養(yǎng)護(hù)難度大

減壓井在多年運(yùn)行過程中屢屢發(fā)生險(xiǎn)情，如減壓井管銹穿、廊道破損滲水、減壓井淤堵等。盡管已對減壓井進(jìn)行維修加固處理，但問題仍未根除。隨著運(yùn)行時(shí)間加長，減壓井老化淤堵問題愈加突出，需定期維護(hù)；減壓井管理房為危房，地下廊道未設(shè)含沙量觀測設(shè)施和照明設(shè)施，部分排水孔堵塞，減壓井的維修養(yǎng)護(hù)存在難度。

綜上，富水大壩建設(shè)時(shí)壩基未進(jìn)行抽槽，壩基河床部分砂卵石層也未徹底清除，以致水庫蓄水后壩后出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，已采取上游鋪蓋、下游壓重、壩后設(shè)減壓井及壩基覆蓋層增設(shè)混凝土截滲墻等多種處理措施，但作為防滲處理重要手段的減壓井需定期維護(hù)；截滲墻效果單一，無法徹底解決大壩滲漏問題，需與其他滲流控制措施共同作用以維持大壩滲流穩(wěn)定；大壩滲流安全監(jiān)測及運(yùn)行資料表明，高水位下大壩滲漏量明顯增大，存在滲流安全隱患，需進(jìn)行防滲加固。

三、壩體防滲加固方案研究

1.原滲控體系評價(jià)

富水大壩原滲控體系由黏土鋪蓋、黏土心墻、減壓井、混凝土截滲墻組成。其中下游壩腳減壓井運(yùn)用后，起到了迅速削減壩后剩余水頭、減小水力坡降的作用。監(jiān)測資料分析表明截滲墻前后水位相差較大、相關(guān)性差，防滲效果顯著；滲流計(jì)算亦表明截滲墻降低局部水頭作用明顯。但受限于施工工藝、經(jīng)濟(jì)水平等，組成大壩滲控體系的各分區(qū)及其之間的銜接仍存在安全隱患。

（1）黏土鋪蓋未按設(shè)計(jì)要求實(shí)施

原設(shè)計(jì)規(guī)定在河床部位鋪蓋200 m，上游臺(tái)地離壩腳200 m內(nèi)不準(zhǔn)取土，或在砂石層上至少保留2～3 m的砂質(zhì)黏土層作為天然鋪蓋。但實(shí)際采取了河床抽槽并鋪蓋140 m的措施；臺(tái)地部分采用黏土水泥注漿，注漿過程中冒漿現(xiàn)象普遍，又未采用有效的處理辦法，因而注漿質(zhì)量低劣，未起到防滲效果。壩基老河床在施工過程中未完全按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鋪蓋防滲處理，施工前未對發(fā)電輸水管下方的大野溝進(jìn)行處理。壩后管涌發(fā)生后，對這兩個(gè)部位進(jìn)行了深水拋土，其均勻性和質(zhì)量難以保證。上游黏土鋪蓋滲透系數(shù)量級(jí)在10-5cm/s，鋪蓋厚度極不均勻，最小厚度不足1 m，最大厚度接近20 m?？傊?，黏土鋪蓋未按設(shè)計(jì)要求實(shí)施，均勻性差，局部位置防滲效果不理想。

（2）黏土心墻壓實(shí)度不滿足規(guī)范要求，底部存在滲流通道

黏土心墻土滲透系數(shù)量級(jí)為10-6cm/s，且總體較為均一，上部大于下部，這與土體深部因受自重影響更加密實(shí)有一定的關(guān)系。規(guī)范要求1 級(jí)壩的壓實(shí)度應(yīng)為98%～100%。試驗(yàn)結(jié)果表明，心墻壓實(shí)度為89.6%～95.9%，未達(dá)到規(guī)范要求。大壩0+105 斷面測壓管水位與庫水位相近，表明該部位心墻填筑質(zhì)量較差。此外，黏土心墻底部未深入相對不透水層，存在滲漏通道，影響壩基滲透穩(wěn)定。

（3）減壓井淤塞老化嚴(yán)重，維護(hù)管理困難

減壓井分3期建成，位于大壩下游坡腳老河床至左岸發(fā)電輸水管處，長約300 m，減壓井作為原滲控體系中的輔助性工程措施，早期對減少壩基滲透壓力起著重要作用，但運(yùn)行過程中由于設(shè)施老化嚴(yán)重頻頻出現(xiàn)險(xiǎn)情。目前大多數(shù)減壓井出現(xiàn)淤堵、反濾料未滿足要求等問題，排水減壓效果差。雖經(jīng)多次更新改造和定期維護(hù)管理，高水頭時(shí)其安全性仍不能完全保證，始終未能徹底解決大壩滲流安全問題。典型斷面滲流計(jì)算結(jié)果表明（圖3），當(dāng)減壓井發(fā)生淤堵、上游庫水位較高時(shí)，大壩下游滲流出逸點(diǎn)均在壩腳排水棱體以上，大壩滲流性態(tài)不安全。

圖3 富水大壩典型橫剖面減壓井淤堵工況滲流計(jì)算成果(樁號(hào)0+505斷面）

（4）塑性混凝土截滲墻長度、高度有限，強(qiáng)度偏低，上下端均存在滲流通道

2002 年除險(xiǎn)加固對壩基砂卵石層設(shè)置了混凝土截滲墻，墻體厚60 cm，采用的塑性混凝土28 天抗壓強(qiáng)度2～5 MPa，強(qiáng)度偏低。上部嵌入上游黏土鋪蓋4 m，下端伸入底部頁巖1 m；墻頂高程28.3 m，低于正常蓄水位57.0 m；下部未伸入弱透水巖體，且墻下基巖未進(jìn)行帷幕灌漿防滲處理。地勘結(jié)果表明，墻下巖體透水率均大于10 Lu。截滲墻上下兩端均存在滲漏通道，其中上端自截滲墻上方穿過粉質(zhì)黏土層和粉質(zhì)黏土鋪蓋，進(jìn)入心墻下部的砂卵石層；下端自截滲墻下部穿過強(qiáng)風(fēng)化巖體進(jìn)入心墻下砂卵石層。此外，原設(shè)計(jì)在樁號(hào)0+100～0+941 段壩基采用混凝土截滲墻處理，其余段壩基采用帷幕灌漿。但由于發(fā)電輸水管段截滲墻施工困難，實(shí)際實(shí)施的范圍為樁號(hào)0+086～0+884，導(dǎo)致大壩兩端防滲效果較原設(shè)計(jì)大大降低。據(jù)滲流監(jiān)測資料，0+210 和0+700 斷面在截滲墻前后測點(diǎn)水位均較高且基本相同，截滲效果不明顯。另據(jù)高密度電法等值線圖，壩基處的電阻率值很低，表明心墻軸線處壩基含水率較大。這均表明截滲墻無法徹底截?cái)嗥渖舷露说臐B流。

（5）混凝土截滲墻與黏土心墻、發(fā)電輸水管空間上并未有效銜接，存在滲流隱患

滲流計(jì)算分析表明：截滲墻與黏土心墻之間粉質(zhì)黏土層等勢線密集（圖4），最不利水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位下壩基黏土鋪蓋層滲透比降分別達(dá)0.83、1.36、1.47以上，高水位下比降值已超過臨界比降0.95。此外，監(jiān)測資料顯示，壩前水位超過55 m前后，大壩滲流量增幅明顯。因此，混凝土截滲墻與黏土心墻、發(fā)電輸水管空間銜接上存在薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致局部滲流比降、流量偏大，存在滲流安全隱患，危及大壩安全。

圖4 富水大壩典型橫剖面最不利水位工況滲流計(jì)算成果(樁號(hào)0+505斷面）

2.加固對策分析

（1）原滲控體系加固設(shè)計(jì)

減壓井加固設(shè)計(jì)：適當(dāng)延伸并加密減壓井，對樁號(hào)0+150～0+800 段增設(shè)減壓井。參考現(xiàn)有減壓井設(shè)置和實(shí)施情況，確定減壓井井距為2.5～3 m，總鉆孔253孔，口徑146 mm，壩后減壓井廊道地面高程28.00 m，平均每孔鉆孔深13 m，總進(jìn)尺3289 m，考慮到現(xiàn)有減壓井部分完好，則總進(jìn)尺約2789 m。

混凝土截滲墻加固設(shè)計(jì)：鑒于截滲墻上下兩端均存在滲流通道，對截滲墻進(jìn)行加長、加高處理，加固后的截滲墻樁號(hào)范圍為0+000～0+900，長度為900 m，即將已實(shí)施的截滲墻沿軸線向左右端分別延伸86 m、16 m；墻頂高程為54.5 m，墻頂加高22～28 m，平均加高約為25 m。墻下帷幕灌漿處理，灌漿軸線與加固后的截滲墻中心線重合。帷幕灌漿防滲標(biāo)準(zhǔn)為透水率不大于5 Lu，底界深至基巖透水率5 Lu線以下5 m。

（2）加固對策綜合分析

從可靠性看，原滲控體系發(fā)揮作用需依賴多種設(shè)施聯(lián)合作用，尤其是減壓井這種需長期維護(hù)而又易發(fā)生問題的設(shè)施。此外，塑性混凝土截滲墻的強(qiáng)度偏低，其抗溶蝕性不如普通混凝土，且耐久性難以保證。

從投資上看，減壓井加固方案一次性投資較少，但運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，長期來看投資并不低；原混凝土截滲墻高度有限，對其加固投資較大，一次性投資高，但運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。

從加固效果看，減壓井方案起著長期降低壩基滲透壓力的重要作用，但易因老化、淤堵而失效。壩下游水位高于26 m時(shí)，減壓井廊道將被淹沒，滲水無法及時(shí)排出，起不到減壓、降低浸潤線的效果，且需花費(fèi)大量人力物力?；炷两貪B墻加固方案則存在加高部位銜接、兩側(cè)延伸部位銜接及墻下帷幕灌漿施工難度大的問題，這均是影響截滲墻加固效果的關(guān)鍵因素。由于混凝土截滲墻位于壩體上游側(cè)，對應(yīng)的壩坡頂高程僅為55 m，即使加固后截滲墻質(zhì)量得以保障，當(dāng)水位高于55 m 后（富水水庫正常蓄水位為57 m），仍無法有效截?cái)喔呶粷B透水流。

總體而言，滲控體系完善有原滲控體系加固和防滲體系重構(gòu)兩種思路，已有的加固措施都是原滲控體系的“修修補(bǔ)補(bǔ)”，更多地是以解決局部壩段或部位滲透破壞為目的，如減壓井主要解決大壩下游左岸老河床滲流管涌險(xiǎn)情，截滲墻以截?cái)鄩位奥咽杆畬訛槟康牡?。加之?shí)施過程中鋪蓋、截滲墻等與原設(shè)計(jì)并不一致，導(dǎo)致這種由截滲墻、黏土心墻、粉質(zhì)黏土鋪蓋組成的防滲體系在空間上的銜接不夠緊密，尤其是截滲墻長度、高度有限，并未穿過發(fā)電輸水管延伸至左壩肩，防滲體系不封閉。顯然，加長、加密原減壓井非長久之計(jì)；對原截滲墻進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，如截滲墻加高、加長及底部帷幕灌漿等，施工難度大，施工質(zhì)量難以保障。因此，有必要重構(gòu)防滲系統(tǒng)。考慮到除險(xiǎn)加固工程不具備設(shè)置上游水平防滲鋪蓋的條件，加固方案應(yīng)采用垂直防滲措施，以求徹底根治大壩滲流安全隱患。

3.加固方案設(shè)計(jì)

（1）加固方案的確定

土石壩壩體垂直防滲加固一般常采用防滲墻、高壓噴射灌漿等方案。根據(jù)富水大壩存在的滲流安全問題，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對新建混凝土防滲墻和高壓噴射灌漿兩種重建壩體防滲系統(tǒng)方案從施工技術(shù)、可靠性與耐久性、施工質(zhì)量、工程量及投資等方面進(jìn)行了比選。兩種方案在技術(shù)上均可行，但混凝土防滲墻施工工藝更成熟，防滲可靠性更高，耐久性強(qiáng)，防滲處理更徹底，且投資較低，故作為推薦方案。

根據(jù)富水大壩壩體分區(qū)的實(shí)際情況，新建防滲墻軸線布置有兩種方案，方案一為布置在黏土心墻下游側(cè)的壩軸線附近，方案二為布置在黏土心墻軸線附近。對于方案一，防滲墻兩側(cè)的壩體厚度均較大，利于施工期的壩體穩(wěn)定，但槽孔處的地層主要為頁巖代料，透水率大，槽孔建造時(shí)易發(fā)生漏漿、塌孔，成槽難度大，且一旦漏漿將堵塞下游碎石夾土壩殼料孔隙，影響大壩下游壩殼料的透水性，不利于下游壩坡穩(wěn)定；方案二防滲墻軸線位于黏土心墻軸線位置，上下游兩側(cè)均有黏土保護(hù)，有利于控制槽孔漏漿，塌孔風(fēng)險(xiǎn)更低，但上游壩體厚度偏薄，需采取降低施工平臺(tái)高程或在施工期對上游采取臨時(shí)培厚保護(hù)等措施，增強(qiáng)上游側(cè)壩體的穩(wěn)定性。

經(jīng)綜合比選，防滲墻軸線布置在原黏土心墻軸線位置，即混凝土防滲墻中心線與黏土心墻軸線重合，以降低施工期漏漿、塌孔風(fēng)險(xiǎn)，方便施工。樁號(hào)范圍DB0-008.5 m～DB0+900 m，全長908.5 m，最大墻深49.70 m，墻厚0.8 m。為保證施工平臺(tái)寬度，混凝土防滲墻施工前，將壩頂開挖至高程62.3 m，平臺(tái)寬度18 m。防滲墻施工完成后，采用黏土及開挖料回填至壩頂。防滲墻頂高程62.3 m，頂部通過回填黏土與上游防浪墻相連，黏土上部鋪20 cm厚水穩(wěn)墊層并澆筑瀝青混凝土路面，墻下壩基及兩岸壩肩巖體采用帷幕灌漿進(jìn)行防滲加固處理。防滲墻段壩基采用墻下帷幕灌漿，左右岸壩肩段采用地面鉆孔灌漿。壩肩帷幕與防滲墻及墻下壩基帷幕灌漿連成整體，構(gòu)成完整封閉的防滲系統(tǒng)。

（2）加固方案效果評價(jià)

重構(gòu)后的封閉防滲體系主要由新建混凝土防滲墻、壩基壩肩帷幕灌漿組成。該防滲體系在湖北白蓮河、廣西澄碧河等大型水庫除險(xiǎn)加固工程中應(yīng)用效果良好，且新建混凝土防滲墻可與原混凝土截滲墻形成雙防滲墻組合，這種“前短后長”的布置形式能以深度較大的防滲墻削減水頭，更有效降低滲漏量和抑制滲流出逸比降。根據(jù)滲流計(jì)算分析，新建混凝土防滲墻加固后，大壩斷面浸潤線顯著降低，下游出逸點(diǎn)位于排水棱體頂高程以下且滲漏量大幅度減少；校核洪水位64.28 m時(shí)，樁號(hào)0+210斷面滲漏量由加固前的每天0.97 m3/m下降并基本維持在每天0.36 m3/m左右（圖5）。因此，新建防滲體系可徹底解決大壩滲流安全問題。

圖5 富水大壩典型橫剖面校核洪水位工況滲流計(jì)算成果(樁號(hào)0+210斷面）

四、結(jié) 論

針對富水水庫大壩壩體、壩基及壩肩存在的滲流安全隱患和問題，結(jié)合大壩地勘、設(shè)計(jì)、施工、滲流監(jiān)測資料及滲流有限元計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)評價(jià)了大壩現(xiàn)狀滲控體系各組成因子的滲控效果，分析論證了現(xiàn)有滲控體系加固的必要性。經(jīng)加固方案比選，最終推薦采用新建混凝土防滲墻和壩基壩肩帷幕灌漿組合的大壩防滲加固方案。滲流計(jì)算分析結(jié)果表明，新建防滲體系的加固措施能顯著降低富水大壩壩體浸潤線高程，確保各工況下的下游出逸點(diǎn)高程在排水棱體頂面高程以下，并大幅度減少滲漏量，可徹底解決大壩存在的滲流安全隱患和問題。