水庫大壩中混凝土加固技術與防滲墻設計

祖朝明 李壽祿

（楚雄欣源水利電力勘察設計有限責任公司，云南 楚雄 67500）

1 前言

混凝土防滲墻自身要能滿足強度和變形的要求，并有足夠的抗滲性和耐久性，能有效地截住滲透水流，控制滲流量，墻體滲透比降和出逸比降均滿足設計要求。混凝土防滲墻設計的主要內容有：造(挖)槽孔工法比選；總體布置；墻厚比選；選墻體材料比選；泥漿比選；細部設計；設計指標和質量要求。

2 造(挖)槽孔工法比選

常用的造(挖)槽孔工法主要有沖擊式鉆進法(鉆劈法)、沖擊式反循環鉆進法、射水法、鋸槽法、抓斗挖槽法(抓取法)和雙輪銑槽法等，施工中又有兩種或兩種以上工法的組合，如“兩鉆一抓”法、“兩鉆三抓(銑)”法和“銑、砸、爆”法等組合方法，以抓斗挖槽法和雙輪銑槽法為先進。

2.1 沖擊式鉆進法

沖擊式鉆進法是利用曲柄連桿機構將回轉運動變為反復運動來提升和下落鉆頭，利用鉆頭提升后自由下落的重力沖擊孔底，使土層(巖石)破碎而進行鉆進，并用一定濃度的泥漿護壁(泥漿會在鉆孔孔壁上形成泥皮，在泥漿壓力作用下使孔壁保持穩定而不坍塌，并能防止泥漿滲漏)，當孔底的鉆渣逐漸增加以后，取出鉆頭放入抽筒掏渣，成孔后采用水下直升導管法澆注混凝土，混凝土靠自重和自流平特性而自密實形成一段混凝土墻體，墻段間一般用鉆鑿法連接。沖擊式鉆進法是世界上最早采用的工法，該工法在各種土、砂層、礫石、卵石、漂石、軟巖、硬巖中都能使用，工效較低。國產主力機型是CZ-22和CZ-30型，鉆具包括鉆頭和抽筒兩部分，鉆頭又可分為空心鉆頭、一字鉆頭、十字鉆頭、圓鉆頭、角錐鉆頭和雙反弧鉆頭等。

2.2 沖擊式反循環鉆進法

沖擊式反循環鉆進法是在沖擊式鉆進法的基礎上，在空心套筒式鉆頭中心設置排渣管，利用反循環砂石泵將鉆渣與循環漿液經排渣管及循環管路，從孔底連續地抽入設在地面的泥漿凈化裝置進行凈化，凈化后的泥漿經循環漿池注入槽孔循環使用，通過這一循環，鉆機完成鉆進及排渣作業，直至造孔完畢。由于采用反循環出渣方式，從而大大提高了鉆進效率。沖擊式反循環鉆機最早由法國公司在20世紀50年代研制成功，我國水利水電基礎工程局于20世紀90年代研制成功CZF-1200型沖擊式反循環鉆機，同時地礦部門也研制成功CJF-20型沖擊式反循環鉆機，目前國產機型主要是CZF-1200、CZF-1500、CJF-20和CJF-12型。

2.3 射水法

射水法是利用水泵送水至成形器中的射水裝置所形成的高速射流和成形器及導水管本身質量的沖擊力，以及向下移動時成形器內刀片的切削等作用，破壞土層結構，水土混合回流后泥沙溢出地面 (三代機是在成形器中設置排渣管用反循環砂石泵抽出地面)，利用卷揚機操縱成形器不斷地上下移動，切削修整孔壁，造成有規則的槽孔，并用一定濃度的泥漿護壁。成孔后采用水下直升導管法澆注混凝土，混凝土靠自重和自流平特性而自密實形成一段混凝土墻體，利用成形器側向水噴嘴沖洗一期槽孔混凝土的側面，使一、二期混凝土連接緊密，形成地下連續防滲墻。該工法適用于粒徑小于10cm的砂土、粉土、粘土地基，具有工效高、造價低的特點。

2.4 鋸槽法

鋸槽法是利用鋸槽機帶動鋸管鋸割地層，鋸出有規則的槽孔，并用泥漿護壁，在鋸管上設置排渣管，用反循環砂石泵出渣，再以混凝土等成墻材料置換護壁泥漿，形成具有一定強度和防滲性能的連續墻體。該工法僅適用于松散的砂土、粉土、粘土地基，工效較高。

2.5 抓斗挖槽法

抓斗挖槽法是指蚌(蛤)式抓斗，利用機械作用并借助斗體的自重，打開和關閉斗門抓取土體并將其帶出孔外，同時用泥漿護壁的一種挖槽工法。成孔后采用水下直升導管法澆注混凝土，混凝土靠自重和自流平特性而自密實形成一段混凝土墻體，墻段連接一般選用接頭管(板)法。該工法適用各種土層和軟巖，特別適合于在含有小漂石和石塊的地基中挖槽。新型抓斗大多配有測斜和糾偏裝置，可調整抓斗斗體角度，使挖槽垂直精度達1P500以上。抓斗挖槽法具有墻體整體性好、厚度均勻、適用地層廣、工效高的特點。液壓抓斗在粘土層中施工工效一般可80～100m2P臺班。抓斗最早使用時是用鋼絲繩來懸掛并進行控制的，20世紀60年代后期開始使用液壓抓斗。根據抓斗的結構特點，可把抓斗分成鋼絲繩抓斗、液壓抓斗、導桿式抓斗和混合式抓斗等，主要由意大利、日本、英國和德國等國生產，我國已批量引進，并研制開發成功。

2.6 雙輪銑槽法

雙輪銑槽法是驅使安裝在機架上的的兩個鼓輪向相反方向轉動，鼓輪上的切刀將地層旋銑、切割、擠碎，松動后的土、砂、卵石、巖石碎塊用泵抽吸至地面，同時用泥漿護壁，成槽孔后采用水下直升導管法澆注混凝土，混凝土靠自重和自流平特性而自密實形成一段混凝土墻體，墻段連接由雙輪銑槽機直接切割一序混凝土，在一、二序墻段連接中不需專門的連接件和特殊封堵就能形成良好的墻段接頭。該工法適用各種土層和軟巖，配用特制的滾輪銑刀還可鉆進堅硬巖石，利用電子測斜裝置、導向調節系統和可調角度的鼓輪旋銑器來保證挖槽精度，精度高達1‰～2‰。該工法具有墻體整體性好、厚度均勻、適用地層廣、成槽深、挖槽精度高和挖掘效率高的特點，是最先進的造槽機械。目前世界上最深和最厚的混凝土地下連續墻都是使用銑槽機建成的。雙輪銑槽機又可分為液壓雙輪銑槽機和電動雙輪銑槽機兩類，主要由意大利、法國、德國和日本等國生產，我國已少量引進。

2.7 兩鉆一抓法

兩鉆一抓法是沖擊式鉆進法 (或沖擊式反循環鉆進法)與抓斗挖槽法的組合，施工方法是先用沖擊鉆機或沖擊反循環鉆機鉆進兩相鄰的主孔，終孔后再用抓斗抓取中間副孔的造(挖)槽孔工法。兩鉆三抓(銑)法是在兩鉆一抓法基礎上加以改進的。造(挖)槽工法都有各自的主要性能和適用范圍(見附表)，選擇造(挖)槽孔工法和設備時，主要應考慮幾個因素的影響：壩體填筑材料，壩基、壩肩地層和巖層特性，水文地質條件；開挖深度、寬度和強度；施工條件；機械設備的適用條件。根據我省水庫大壩防滲處理防滲墻深度不大的具體情況，宜優先比選射水法、抓斗法等經濟高效工法，或兩鉆一抓法等。

3 總體布置

水庫防滲處理防滲布置時主要考慮以下幾點：

(1)壩基地質條件和水文地質條件。宜將防滲墻放在堅固而不透水的基巖或粘性土層中，盡量避開不利的地質構造，墻底應伸入相對不透水層，與壩的防滲體、壩基覆蓋層和基巖內的防滲設施應緊密地連接成一整體。(2)與原有防滲體及其他建筑物的連接。與土質防滲體連接時，應作成光滑的楔形，插入土質防滲體高度宜為1P10壩高，接觸面允許比降應按土料允許比降確定。設計時應認真做好與壩身混凝土構筑物的防滲連接，但布置時應盡量避開與壩身混凝土構筑物連接，以減少接頭處理。(3)認真做好與兩岸的連接設計。(4)工程量最小和造價最低。

4 墻厚比選

防滲墻的厚度選擇是混凝土防滲墻設計的一個重要內容，影響防滲墻厚度的因素主要有壩高，滲透穩定條件，施工條件和地質條件。《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)對此沒有明確規定，只在規范第6.2.8條條文說明中提出混凝土防滲墻“一般允許滲透比降80～100作為控制上限值”。我省大中型水庫大壩80%以上壩高在40m以下，水庫主要是20世紀80年代以前興建的，壩體經過幾十年沉降已趨于穩定，設計中比選防滲墻的厚度時可用防滲墻允許滲透比降確定，建議普通混凝土防滲墻允許滲透比降取80～100，塑性混凝土防滲墻允許滲透比降取60～80。

5 墻體材料比選

墻體材料主要選用普通混凝土和塑性混凝土兩種。普通混凝土選用強度等級在C10以上，水泥用量在350kg/m3以上，水膠比在0.65以下，具有彈模高、強度大的特點，能承受較大的垂直和水平荷載。但由于普通混凝土彈模太高，極限應變太小，墻體和周圍壩體間產生的沉降差和變形差使墻體在垂直壓力和側摩阻力作用下產生的應力易超過普通混凝土允許強度而產生破壞。

塑性混凝土就是在普通混凝土基礎上減少水泥用量，增加粘土和膨潤土用量的混凝土，由水泥、水、粘土(膨潤土)、砂石骨料和外加劑等配制而成，水泥用量70～200kg/m3，膨潤土用量20～50kg/m3，粘土用量 150～300kg/m3，其抗壓強度2～5MPa，彈性模量 300～1000MPa，滲透系數K

6 泥漿比選

泥漿在建造槽孔時具有支承孔壁，懸浮、攜帶鉆渣，冷卻和潤滑鉆具的功能，作用非常重要，但設計中易被忽視。我省已做加固設計水庫所在地的粘土料都未滿足《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術規范》(SL174-96)第4.0.4條“粘粒含量大于50%，塑性指數大于20，含砂量小于5%，氧化硅與三氧化二鋁含量的比值為3～4的粘土”的要求(水庫除險加固報告地勘試驗也不做土料礦物成份分析)，為保證泥漿的質量，設計時應選用商品膨潤土制備泥漿，并在泥漿中加入分散劑、增粘劑等外加劑，以提高泥漿性能，保持泥漿的穩定性。

7 細部設計

7.1 防滲墻與地基的連接

通常將墻底嵌入弱風化基巖0.5～1.0m，當基巖相對不透水層埋藏較深時，應下接灌漿帷幕。

7.2 防滲墻與兩岸的連接

當兩岸為緩坡時按一般防滲墻的做法即可；當兩岸巖石比較破碎，相對不透水層埋藏較深的，可考慮在兩岸坡段墻底進行帷幕灌漿；當兩岸為陡坡時應選用帷幕灌漿。

7.3 與頂部的連接

從壩頂直接建造的防滲墻其軸線應盡量往上游布置。防滲墻墻頂高程應不低于非常運用條件的靜水位。墻頂不應與壩頂公路硬化路面直接連接，其間應留有一定的過渡層。

7.4 與混凝土構筑物相連

與岸邊混凝土墻連接時在結合部進行灌漿或用高壓噴射灌漿進行連接。

7.5 墻段連接

墻段連接的方法很多，要根據造(挖)槽孔工法而選用鉆鑿法 (包括套接接頭、平接接頭、雙反弧接頭)，接頭管(板)法和軟接頭法，設計時要考慮合適的槽段長度，盡量減少墻段連接縫數。

7.6 墻體內垂直成孔

防滲墻下接帷幕灌漿時，墻體內可采用預埋管法或拔管法成孔，墻深30m以內時可選用拔管法，墻深30m以上時應選用預埋管法，必須要求管子有足夠的強度和剛度以及管子在墻體內的有效固定措施。

7.7 墻內觀測儀器的埋設

防滲墻內埋設的觀測儀器主要有測斜儀、土壓力和水壓力觀測儀、鋼筋應力計等。儀器埋設斷面應在相鄰混凝土導管間的中心位置上，要根據埋設的位置和方向，用合適的方法埋設固定。

[1]李志宏.論水庫大壩混凝土加固及防滲墻的設計[J].廣東科技，2007-06-23.

[2]張遠權.淺談水庫大壩混凝土加固與防滲墻設計建材與裝飾(下旬刊)2008-06-21.