水利工程防渗技术初探

水利工程防渗技术初探

王江红

摘要：水利工程中，土坝普遍存在问题，着重介绍混凝土防渗墙、高压喷射灌浆防渗技术。

关键词：水利工程；混凝土防渗墙；高压喷射灌浆防渗水利工程中，土坝普遍存在问题，除防洪标准偏低外，主要是工程质量问题，具体表现在渗漏、滑坡和裂缝。概括起来，是一个防渗加固问题，一般处理防渗的原则是“上堵下排”。上堵的措施有垂直防渗和水平防渗。垂直防渗有混凝土防渗墙、高压喷射灌浆防渗、劈裂灌浆防渗、冲抓套井回填防渗、倒挂井防渗、土工合成材料防渗、射水造孔混凝土墙防渗和岩溶帷幕灌浆防渗等。水平防渗有人工粘土铺盖和利用天然铺盖等，并结合下排的措施有：在坝体背水坡脚附近开挖导渗沟、减压井和盖重压渗等。

1坝身渗漏分析

土坝常因斜墙、心墙等防渗体裂缝形成渗流的集中通道，导致管涌的发生，甚至引起坝体的失事破坏。

1.1心墙、斜墙裂缝漏水

土坝防渗体开裂较常见，尤其是发生在近年来较普遍的薄心墙土坝中。由于心、斜墙与坝体其他部分的填筑土料不同，因变形模量的差异使变形不一致，导致心、斜墙开裂。在裂缝处产生集中渗漏，渗透水以很大的水力坡降冲刷心、斜墙裂缝，因管涌作用把防渗体土料带至下游坝体，使心、斜墙丧失防渗作用。

1.2坝体因扩建加高，新老防渗体衔接处理不当漏水

坝体因多次扩建，新老防渗体的衔接处理往往不严，造成隐患。特别是心墙坝加高时，对原有心墙很难采取补强措施。当蓄水位抬高以后，其防渗体承受的水力梯度明显加大，增加了被击穿的危险，有的将心墙改做斜墙，但因库内死水排干困难，使基础处理不严，造成漏水隐患。

1.3浸润线抬高使下游坝坡失稳

已建的均质土坝中，常存在浸润线比设计计算的有所抬高，致使坝的下游坡面长期处于湿润状态而影响坝坡的稳定。浸润线的抬高多数原因是设计时没有考虑土坝施工时是分层碾压的，因碾压使坝体形成许多水平层面，导致水平向渗透系数大于垂直向渗透系数，产生各向异性渗流场的结果。

1.4土坝滑坡与处理

土坝滑坡或沉陷往往是因为填筑的土料差，设计抗剪指标选用不当，坝坡设计不合理以及渗漏等原因造成的。

2渗漏控制方法和措施

垂直防渗常适用于地基透水层较薄或隔水层较浅的情况，以封闭式防渗帷幕来根治坝基渗透破坏的险情，可以比较彻底地解决坝基和坝身渗漏问题。垂直防渗在工程实际中应用较多，以下着重介绍一下混凝土防渗墙、高压喷射灌浆防渗。

2.1混凝土防渗墙的设计

2.1.1混凝土防渗墙的设计深度。混凝土防渗墙底部原则上嵌入相对不透水层1m左右，顶部嵌入坝体防渗体中。目前，平原地区土坝混凝土防渗墙深度大多在40m以内。

2.1.2混凝土防渗墙墙体厚度的确定。防渗墙的厚度应满足墙体抗渗性、耐久性、满足墙体应力和变形的要求，同时还应考虑到地质情况及施工设备等因素。

由于国内防渗墙设计无规范，防渗墙的渗透计算和渗透稳定分析以及强度、变形计算尚无规范的计算方法和理论。在设计时，根据防渗墙破坏时的水力坡降确定墙体厚度（?啄），计算公式如下：

?啄=K■

式中：△Hmax—作用在防渗墙上的最大水头差（m）；K—抗渗坡降安全系数，一般取3～5；Jmax—防渗墙渗透破坏坡降，取300。

2.1.3墙体材料。参考国内外已建防渗墙的经验，一般采用塑性混凝土作为墙体材料。这种材料有抗渗性能好，变形模量低，极限应变值大，适应变形能力强等特点。

塑性混凝土防渗墙的设计指标为：28d弹性模量800～1000MPa，抗压强度≥2.5MPa，渗透系数＜（1～9）×10-8cm/s。

2.1.4混凝土防渗墙的施工。防渗墙是在坝体内连续造孔成槽，以泥浆固壁，在泥浆下浇筑混凝土而建成的。对于小型工程，一般采用冲击式钻机造孔或两钻一抓法。这两种方法都先施工一期槽孔（主孔），后二期槽孔（副孔）。后一种方法工效高，目前被水利工程广泛采用。但该法施工平台要求大于18m，施工时难以布置。成墙厚度受开槽机械限制，防渗墙一般较厚。

2.2高压喷射灌浆技术

2.2.1工艺原理

a.冲切掺搅作用。高喷技术主要是借助于高压射流，通过冲击切割和强烈扰动，使浆液在射流作用范围内扩散、充填周围土层，并与土石粒掺混搅合，硬化后形成凝结体，从而改变原地层结构和组成，达到防渗和提高承载力的目的。高喷凝结体是多种因素综合作用的结果，高压射流对地层结构的影响范围，取决于比能值E的大小，其表达式为：E=（PQ）/（100v）

式中：E—每米旋喷柱耗用的能量（MJ/m）；P—喷射灌浆压力（MPa）；Q—射流浆量（L/min）；v—提升速度（cm/min）。

E值大，旋喷柱的直径大，一般选用50～70cm直径较好，但最终应通过现场高喷试验确定。

b.升扬、转换作用。高喷施工时，水、气、浆由喷嘴中喷出，压缩空气，除能对水或浆液构成外包气层，使水或浆液射流能透入地层较远距离并维持较大压力破碎地层结构外，还可产生升扬作用，将经射流冲击切削后的土石碎屑和地层中细粒，由孔壁和喷射杆的环状间隙中升扬带出孔外，空余部位由浆液替代，同时也起到了转换作用。

c.挤压、渗透作用。高喷射流强度随射流距离的增加而较快地衰减至射流束末端，虽不能再冲切地层，但对地层仍产生挤压作用。同时，喷射结束后，静压灌浆持续进行，对周围土体产生渗透作用，不仅可以促使凝结体与周围土体结合更加密实，还在凝结体外侧产生明显的渗透凝结层，具有较强的防渗性能。

d.位移握裹作用。地层中较小的块石，由于喷射能量大，辅以升扬、转换作用，最终浆液可填满块石四周的空隙并将其握裹，遇到大的块石或在块石集中区，应降低提升速度，提高比能值。在强大的冲击震动力作用下，块石将会产生位移、松动，浆液沿块石四周空隙或块石间孔隙渗入。在高压喷射挤压、余压、渗透等综合作用下，产生握裹凝结作用，形成连续密实的凝结体。

2.2.2施工工艺

a.墙体位置的确定。根据设计要求平整好场地，要求场地内地下无障碍物，对某些作业地基软、不平整，有可能引起整机翻倒引起事故的地段，一定要采取防范措施，在平整场地上对墙体中心线进行测量定位。

b.喷墙管理。应控制好掘进速度和灌浆压力、提升速度，送气量的大小应使浆液成沸腾状为宜。灌浆阶段浆液不能发生离析和断浆现象，保证墙体均匀，无夹心层，若发生管道堵塞或因故短暂停机，应迅速抢修。

2.2.3施工要点

a.钻孔。泥浆固壁回转（或冲击）钻进。造孔过程中做好充填堵漏，使孔内泥浆保持正常循环，返出孔外，直至终孔。跟管钻进，边钻进边跟入套管，直至终孔。钻进时应注意保证钻机垂直，偏斜率应≤1%。

b.下入喷射杆。泥浆固壁的钻孔可以将喷射杆直接下入孔内，直至孔底。跟管钻进的钻孔，有两种情况：一是拔管前在套管内注入密度大的塑性泥浆，注满后起拔套管，边起拔边注入，使浆面长期保持与孔口齐平，直至套管全部拔出，而后再将喷射杆下入孔内直至孔底。二是也可先在套管内下入管壁均匀的PVC塑管，直到套管底部，起护壁作用，而后将套管全部拔出，再将喷射杆下入到管底部。

c.高喷施工。施工中所用技术参数因使用高喷的方法不同而不同。所用的灌浆压力不同，提升速度也有差异。对各类地层而言，若使用同一种施工方法则水压、气压、浆压的变化不大，而提升速度变化，是影响高喷质量的主要因素。一般情况下，确定提升速度应注意下列几个问题：因地层而异，在砂层中提升速度可稍快，砂卵（砾）石层中应放慢些，含有大粒径（40cm以上）块石或块石比较集中的地层应更慢；因分序而异。先序孔提升速度可稍慢，后序孔相对来讲可稍快；高喷施工中发现孔内返浆量减少时宜放慢提升速度。

参考文献

[1]李连学,郭中琼.关于控制土坝渗漏的措施分析[Z].

[2]程欧闽.高压喷射灌浆技术在水利工程中的应用[Z].