高原小型水库土石坝阻渗整固治理技术研究

贾丰收

(中电建生态环境集团有限公司，广东 深圳 518102)

土石坝阻渗整固治理，对于水库安全标准成建和未来运行期安全运营，有着举足轻重的技术重要性。本研究以位处高原的某水库为参照案例，梳理阐述冲振砾石桩、坝基及其盖覆层阻渗治理技术在高原土石坝整固阻渗治理中的技术适用性，并以现场试验和工程有限元模拟计算验证了该技术的适用和有效性。

1 工程概况

案例水库是以供水和灌溉为主，兼顾生态服务的Ⅳ等小型高原水利工程，总蓄容量921.39万 m3，设计常规蓄容量872.33万 m3。砼沥青心墙堆石坝最大高程4 170.90 m，顶坝宽度8 m。

坝基础层以冲积卵砾碎石层为主，内富含淤质细粉砂，不同深度亦存在大量棱体粗砾砂，含砾中粗砂、淤质细粉砂性状相对较差，力学功效差异比较大，土层均匀性严重不足，作为坝基础承力层，存在载承力不足、砂土液化、沥青心墙易拉裂、基础抗滑稳定不足等地质基础问题，须对弱软基础给予必要的整固治理。

花岗石料坝壳，内置砼沥青心墙，心墙中线位处坝体轴线上游2.0 m区域，配置砾砂石过渡层于心墙的两侧；以砼底座接连砼沥青心墙与阻渗墙，基础岩面以下坝身采取注灌浆帷幕阻渗处理。

2 坝基础阻渗整固技术措施

2.1 冲振砾石桩整固地基治理

上下游坝脚区域和心墙轴线上下游约4～10 m区域，实施冲振砾石桩治理。在3.0～21.7 m间调整确定桩长，具体打入深度，按较比砂层区域地基的底板高度低1.0 m给予确定。采取梅花桩型配置冲振砾石桩，桩径均采取1.0 m标准。

冲振砾石桩技术参数主要以大重动力探触跟踪测量桩体密度给予表征，工程中须对治理后的混合基础给予跟踪测量，桩身密实标准为重力探触7～10击平均入贯10 cm，未达成该标准的，则视为不密实桩体。治理后应达的地基标准参数具体见表1所示。

表1 治理后的地基标准参数

2.2 坝基阻渗治理

2.2.1 控制阻渗标准

基岩阻渗控制指标多选择透水率，坝基础阻渗控制标准多取透渗比降和渗漏量。案例水库坝基础渗漏量设计选用的控制标准为不高出多年均径流量的1%，案例坝址多年均流量在1.03 m3/s。

2.2.2 阻渗技术

坝址区暴露层多为强透水冲积砾卵碎石，透渗常数为i×10-1cm/s。砾卵碎石层，厚度大，透渗性强，级配不连续，作为坝基础层，须注意解决防范基础渗漏问题。为降低坝基础渗漏和避免产生透渗破坏，设计坝基础盖覆层选用砼阻渗墙，基岩选用注灌浆帷幕的阻渗技术。

2.3 坝基础盖覆层阻渗治理

2.3.1 配置阻渗墙与墙身嵌岩深度

阻渗墙上部借助砼基座接连砼沥青心墙，为防止因触接不紧密而导致集中渗漏，阻渗墙墙脚须一定程度嵌入基岩。本工程墙身预埋深度选择1m，即最大阻渗墙深度取49 m，对于局域强风化基岩阻渗墙的嵌入深度，实际施工中，还应再适当给予加深。

2.3.2 墙身材料

按弹塑性模量和强度，阻渗墙筑建材料存在塑性砼和常规砼2种。后者优点为持久性较佳、抗渗性、强度大及弹塑性模量高，不足为弹塑性模量较比地基材料的弹塑性模量差异比较大，易导致墙身对地基的变形适应性低，易于发生裂缝。在常规砼的基础上塑性砼借助水泥代替部分膨润土和黏土，以减少其弹塑性模量，从而使墙身更好相适应于地基形变，利于防止开裂。案例工程阻渗墙墙身材料选用常规砼。

2.3.3 墙身厚度

案例水库大坝基础砼阻渗墙许可水力坡率为80，阻渗墙领受67.6 m最大水头，综合参考案例领受的水头、砼阻渗墙深度以及相关工程经验，案例砼阻渗墙取1.0 m厚度。墙厚1.0 m其最大水力坡降(67.6值)在材料的允许坡降之内，符合阻渗和安全需求。

2.3.4 基岩注灌浆帷幕治理

对坝基础盖覆层下基岩以及两岸基岩给予帷幕注灌浆整固。两岸基岩注灌浆帷幕配置排孔，取1.5 m孔距，注灌浆区域至基岩准线与正常蓄水线交汇位置，右岸注灌浆区域坝肩之外50 m，帷幕深度取5～38 m；左岸注灌浆区域坝肩之外21 m，帷幕深度取5.0～52 m。坝基础盖覆层阻渗墙下，注灌浆帷幕借助阻渗墙内预设钢管实施，钢管径值100 mm，配置1排帷幕，取1.5 m孔距，深度值取5.0～52 m。

3 冲振砾石桩功效分析

3.1 实验布设及测量内容

3.1.1 实验布设

正式开展冲振砾石桩施工操作前，为了检验桩间距的砾石桩治理功效，轴线上游和下游基础区域内，在右岸大坝，分别确定A和B两个范围开展实验。其中A实验区的淤质细粉砂层厚度约4m，露出地面。B实验区的淤质细粉砂层分别为4 m和3 m厚度，分别为4 m和11 m埋深，中粗含砾砂层约为7 m厚度，约20 m埋深。实验桩身材料的饱和砾石抗压强度>80 MPa，相对级配较佳，粒度<5 mm的剂量不应>10%，并且含泥量以≤5%。实验砾石桩均取1 m桩径，A实验区分别取1.5 m和2.0 m孔距，B实验区分别取2.0 m和2.5 m孔距，具体见图1所示。

图1 实验冲振砾石桩配置平面图

3.1.2 测量内容

砾石桩的测量内容通常包括混合地基载承力、桩间土密实度及桩身密实度，故本研究采取现场载荷实验、重动力探触以及入贯标准实验方法，具体见表2所示。

表2 冲振砾石桩实验测量方法

通过1孔重动力探触测量和1组荷载测量单桩实验，其中荷载实验方法选用堆载法，借助千斤顶加施垂向载荷，借助电位表测计移位；重动力探触测量以63.5 kg重锤竖直入贯，探杆和探头一同贯入土层，15～30击/分钟锤击速度，每入贯10 cm记录锤击数。桩间土借助入贯标准和动力探触给予测量。

3.2 实验成果及分析

3.2.1 单桩实验成果及分析

A实验区和B两实验区单桩载荷实验成果见表3所示。数据揭示，A实验区2种桩间距下均为823 kPa载承力特征值，分别对应33.1 Mpa和31.3 Mpa形变模量。B实验区2种桩间距下分别为637 kPa和711 kPa载承力特征值，分别对应82.8 Mpa和66.9 Mpa形变模量。

表3 单桩载荷实验成果

图2为A实验区单桩载荷测量压力降沉关系曲线，其中a、b、c、d分别对应桩间距1.5 m、2.0 m、2.0 m、2.5 m。

图2 单桩载荷测量压力降沉关系曲线

实验A区和实验B区的中性动力单桩探触成果见表4所示。A实验区重动力单桩探触曲线见图3所示，其中a、b、c、d分别对应桩间距1.5 m、2.0 m、2.0 m、2.5 m。当实验A区和实验B区两种桩间距的动力探触分别进展到4.6 m、4.3 m、11.3 m和3.7 m时，连续三次锤击数高出50，因为不具备超重动力探触装备，难于继续进桩，故只能终止实验，并修正锤击数。实验A区1.5 m和2.0 m修正单桩锤击数对应为14.4和24.7，实验B区2.0 m和2.5 m修正单桩锤击数对应为19.2和27.5。

表4 中性动力单桩探触实验成果

图3 重动力单桩探触曲线

3.2.2 桩间土实验成果及分析

桩间土入贯标准实验成果具体见表5所示，数据显示A实验区1.5 m中粗含砾砂层修正入贯标准击数是70.6，A实验区2.0 m淤质细粉砂层修正入贯标准击数是15.7。在实验B区2.0 m和2.5 m淤质细粉砂层，其修正入贯标准击数分别是3.0和4.6。

表5 桩间土入贯标准实验成果

4 坝基础渗漏整治成效分析

4.1 渗漏分析模型构建

借助工程有限元Geo-Studio分析开展渗漏模拟分析。选择案例水库最大断面作为典型模拟分析横截面具体见图4所示。模拟分析主要土层透渗常数具体见表4所示。

图4 渗漏分析典型截面与单元划分

表4 案例水库土石坝渗漏计算分析透渗常数

模拟分析域的网格规划中，顺河为X轴，取指向下游为正，竖垂向为Y轴，取上向为正。延伸3倍坝高拓展模型上下边界，选择三角形单元和四边形，基座与心墙单元取0.5 m边界长度，其它区域取长度2 m单元边界，共计17 039个单元和17 204个节点。

4.2 渗漏分析工况

基于工程运行后有可能遭遇的最不利情况，配置水位组合如下：

(1)迎水侧取正常蓄水位，背水侧下游取最低相应水位；

(2)迎水侧取设计洪水位，背水侧下游取最低相应水位；

(3)迎水侧取核校洪水位，背水侧下游取最低相应水位；

依据案例水库的实际运行，水坝背水侧多基本无水，故案例水库模拟渗漏计算工况选择见表6具体所示。

表6 案例水库模拟渗漏计算工况

4.3 渗漏计算成果分析

基于上述模型及基本工况参数，借助工程有限元Geo-Studio系统开展模拟计算，具体成果见图5～图7所示。

(1)上游水位设为正常蓄水位，下游水位取齐平于地面

(2)迎水侧取设计洪水位，下游水位取齐平于地面

(3)迎水侧取核校洪水位，下游水位取齐平于地面

(4)计算成果统计

图5 基础渗漏场(迎水测常规蓄水位)水头流线与等值线

图6 基础渗漏场(迎水测设计洪水位)水头流线与等值线

图7 基础渗漏场(迎水测核校洪水位)水头流线与等值线

表7数据揭示，常规蓄水位下为渗漏量2.70 m3/d/m，年度渗漏量330 204 m3，多年坝址区径流均量是3.25×107m3，模拟所得渗漏量占多年径流均量1.0%，此渗漏量满足坝基安全运营需求。并且基于三种工况的单宽渗漏量可以获得，单宽渗漏量伴随水位的加增逐步加增，即坝身渗漏量受上游侧水位状态的影响比较大，二者呈现正相关对应关系。

表7 案例水库各工况单宽渗漏量模拟计算成果

表8为案例水库渗漏计算主要区域透渗比降模拟计算结果，数据揭示，各工况下，坝基础盖覆层中砾碎中细沙、淤质细粉砂、冲积漂卵碎石和坝身心墙四个部位的透渗均较比其许可透渗比降要小，此符合工程的透渗稳定技术需求。

表8 主要区域透渗比降模拟计算结果

5 结语

本研究以某高原水库依据案例，梳理阐述了冲振砾石桩整固和坝基础阻渗治理技术，开展了工程现场单桩载荷、重动力探触和入贯实验，验证冲振砾石桩的整固成果满足设计需求。基于专业Geo-Studio工程有限元模拟系统，围绕不同工况下渗漏量、透渗比降等，开展了坝基础渗漏整治成效模拟分析计算，验证了经该技术治理，各工况下案例工程的透渗比降均较工程许可透渗比降要小，技术状态满足工程阻渗功效需求。