龍圣洞水庫防滲墻施工中產(chǎn)生壩頂裂縫的原因分析和應(yīng)對措施

徐砜

（湖南百舸疏浚股份有限公司 長沙市 410007）

龍圣洞水庫防滲墻施工中產(chǎn)生壩頂裂縫的原因分析和應(yīng)對措施

徐砜

（湖南百舸疏浚股份有限公司 長沙市 410007）

混凝土防滲墻技術(shù)已廣泛應(yīng)用于病險(xiǎn)水庫土石壩的防滲加固中，但在工程施工中，由于壩體土本身質(zhì)量、施工等原因，壩頂常出現(xiàn)縱向裂縫。在龍圣洞水庫防滲墻液壓抓斗成槽過程中，槽孔下出現(xiàn)了塌孔現(xiàn)象，與此同時(shí)，混凝土導(dǎo)軌出現(xiàn)了下沉并產(chǎn)生裂縫。水庫曾經(jīng)垮過壩，原壩體填土質(zhì)量較差，時(shí)值防滲墻施工中正是雨季，大壩土體含水量漸趨于飽和，進(jìn)入槽段兩側(cè)的滲流水引起空隙水壓力上升是造成裂縫的主要原因；布置在壩頂?shù)幕炷练罎B墻在施工期容易產(chǎn)生縱向裂縫。在施工中應(yīng)加大分期成槽間距，縮短槽段長度，縮短成槽后到混凝土澆筑間隔時(shí)間，增加護(hù)壁泥漿濃度，同時(shí)避免在雨季施工。

混凝土防滲墻技術(shù) 混凝土導(dǎo)軌 裂縫 處理措施

1 工程概況

1.1 工程簡介

龍圣洞水庫位于清泉縣西北部浣溪鎮(zhèn)境內(nèi)，地理位置坐標(biāo)為東經(jīng)121°51′52″，北緯33°46′05″，距浣溪鎮(zhèn)10.0 km，距清泉縣城30.0 km。

水庫壩址控制集雨面積23.1 km2，多年平均降雨量1 533.0 mm。正常庫容964.6萬m3，總庫容1 010.2萬m3，灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積為0.31萬hm2（4.72萬畝），保護(hù)下游耕地0.27萬hm2（4.1萬畝），保護(hù)人口1.5萬人，電站裝機(jī)2×200 kW，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、發(fā)電、城鎮(zhèn)供水、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水利工程。

樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水建筑物、電站等組成。水庫正常蓄水位304.0 m，相應(yīng)正常庫容984.6萬m3；設(shè)計(jì)洪水位304.84 m，相應(yīng)庫容1 027.0萬m3；校核洪水位305.10 m，相應(yīng)庫容 1 040.2萬m3；死水位272.50 m，相應(yīng)庫容31.0萬m3。

大壩為粘土心墻壩，壩頂高程為306.57 m，壩基高程264.3 m，最大壩高42.27 m，壩頂軸線長為463 m，壩頂寬為6 m，上游壩坡坡比為1∶1.8～1∶3.75，下游壩坡坡比1∶1.5～1∶2.75。

1.2 原壩體土質(zhì)量狀況

（1）龍圣洞水庫大壩分三個(gè)階段建設(shè)而成，第二階段大壩填筑至30.85m后，在1975年10月庫內(nèi)連續(xù)降特大暴雨，洪水漫頂后導(dǎo)致垮壩；垮壩復(fù)工后，新老壩結(jié)合面處理質(zhì)量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，潰壩后的土體未能得到徹底清除。

（2）大壩填筑土90%的土料為灰?guī)r風(fēng)化溶蝕的殘積土，10%左右的土料為砂巖風(fēng)化殘積的粘土夾碎石，大壩心墻主要由含礫的粘土、粉質(zhì)粘土填筑而成，其粘粒含量的平均值為37.28，最大達(dá)42.5%，最小為30.1%；施工采用人工挖運(yùn)、人工平倉、人工夯實(shí)等方式，壓實(shí)質(zhì)量未能達(dá)到規(guī)范要求。

（3）壩體填土含水量過高，整個(gè)壩體抗剪強(qiáng)度偏低；1975年潰壩后的土體未能得到徹底清除，上游壩腳干砌石擋墻直接建于滑移土體上，大壩上、下游壩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。

2 防滲墻設(shè)計(jì)指標(biāo)

混凝土防滲墻位于原大壩壩頂中間， 沿壩軸線布置，墻頂高程305.73 m，墻體厚度為0.6 m，墻底高度263.92 m，最大墻深約44.8 m，工程量15 050 m2，抗?jié)B等級W6。防滲墻嵌入巖層深度為1.0m。混凝土防滲墻起訖樁號0+028～0+463，長435 m。

壩基帷幕灌漿孔位于防滲墻體正下方， 在澆筑防滲墻混凝土?xí)r預(yù)埋￠130焊管作為灌漿管道。大壩單排帷幕灌漿范圍為0+000-0+463,雙排帷幕灌漿范圍為0+283-0+322段。孔距2 m，排拒1.5 m，分3序孔施工。 灌漿底界深入強(qiáng)風(fēng)化層或相對不透水層地基，防滲標(biāo)準(zhǔn)為q＜10 Lu。

按照設(shè)計(jì)要求，施工順序?yàn)橄葷仓炷吝B續(xù)防滲墻，再利用預(yù)埋灌漿管進(jìn)行壩基帷幕灌漿。

本工程導(dǎo)向墻采用直型導(dǎo)墻形式， 導(dǎo)向墻凈寬為0.80m,深度為1.2 m，直樣形混凝土導(dǎo)墻寬度1 m，導(dǎo)墻頂部高出施工平臺面0.01 m，以免積水流入槽內(nèi)。防滲墻施工總長度為435m,設(shè)計(jì)成槽段長度為一期6.4 m、二期5.6 m。 槽段施工分一期、二期成槽施工，導(dǎo)墻及槽孔布置形式見圖1。

圖1 導(dǎo)墻及槽孔布置形式

3 成槽施工裂縫產(chǎn)生過程

（1） 槽孔塌孔。 本工程防滲墻成槽采用液壓抓斗開挖土體， 進(jìn)入基巖面后， 換用沖擊鉆鉆入基巖1.0 m，施工方在采用液壓抓斗開挖38#槽孔的施工過程中槽孔內(nèi)出現(xiàn)了塌孔現(xiàn)象。 本工程防滲墻設(shè)計(jì)槽段長度為6 m，在土體槽孔建造時(shí)Ⅰ序孔采用“三抓法”，即先抓左右側(cè)2.8 m，再抓中間0.8 m（液壓抓斗寬度為2.8 m），再調(diào)用沖擊鉆入基巖1 m；Ⅱ序孔采用“兩抓法”，38#槽孔屬于Ⅱ序孔施工，第一抓已挖至基巖面，開挖深度40 m，第二抓開挖至20 m左右深度的時(shí)候出現(xiàn)了塌孔現(xiàn)象（據(jù)液壓抓斗操作工事后陳述，第二抓15 m深度以上進(jìn)尺相對其它槽孔而言容易很多，其它槽孔抓斗進(jìn)尺約30 cm，而38#槽孔第二抓進(jìn)尺約60 cm，15 m以下進(jìn)尺恢復(fù)正常進(jìn)尺標(biāo)準(zhǔn)），發(fā)生塌孔現(xiàn)象后，操作工在駕駛室內(nèi)感覺機(jī)身有往前傾斜感覺，立即停止了抓孔進(jìn)尺，將液壓抓斗機(jī)械移到了安全位置。

（2） 混凝土導(dǎo)軌下沉及壩頂產(chǎn)生裂縫。 在發(fā)現(xiàn)槽孔塌孔的相同時(shí)段，38#槽孔下游側(cè)混凝土導(dǎo)軌瞬間發(fā)生了沉降， 混凝土導(dǎo)軌靠大壩下游側(cè)作業(yè)平臺出現(xiàn)了泥漿涌出地面的現(xiàn)象， 施工平臺局部有下沉跡象，（下沉幅度50 cm左右），混凝土導(dǎo)軌在0+208和0+286樁號段分別出現(xiàn)了拉裂現(xiàn)象，混凝土導(dǎo)軌沉降變形后，與已澆筑的混凝土防滲墻產(chǎn)生了（3～5）cm不等的裂縫，裂縫深度通過測繩吊鋼筋預(yù)測達(dá)25 m， 通過現(xiàn)場施工人員檢查變形及沉降混凝土導(dǎo)軌長度達(dá)120 m，具體為大壩0+208～0+328樁號段。（注：在塌孔及混凝土導(dǎo)軌沉降過程中及發(fā)生后一段時(shí)間，槽孔始終沒有發(fā)生漏漿現(xiàn)象）

4 裂縫產(chǎn)生的原因分析

此險(xiǎn)情發(fā)生后， 一方面督促施工單位采取工程措施防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)張（譬如對塌孔槽孔回填干土，抽排導(dǎo)向槽內(nèi)的積水，清除壩坡荷載等），另一方面向上級及時(shí)作了匯報(bào)，組織相關(guān)水利專家及設(shè)計(jì)、監(jiān)理單位對此現(xiàn)象進(jìn)行研究、分析，制定處理措施。

（1） 原壩體土本身質(zhì)量問題。 老壩體填筑質(zhì)量較差，密實(shí)度不夠，土體空隙發(fā)育，含水量偏高，抗剪強(qiáng)度不均勻。通過對《龍圣洞水庫除險(xiǎn)加固工程技施設(shè)計(jì)報(bào)告》的閱讀及研究發(fā)現(xiàn)：大壩填筑土90%的土料為灰?guī)r風(fēng)化溶蝕的殘積土，10%左右的土料為砂巖風(fēng)化殘積的粘土夾碎石， 大壩心墻主要由含礫的粘土、粉質(zhì)粘土填筑而成；施工采用人工挖運(yùn)、人工平倉、 人工夯實(shí)等方式， 壓實(shí)質(zhì)量未能達(dá)到規(guī)范要求；而且大壩在1975年垮過壩，潰壩后的土體未能得到徹底清除，造成原壩體新、老結(jié)合面處理未能達(dá)到規(guī)范要求。 由于壩體碾壓質(zhì)量較差，密實(shí)度不佳，造成土體空隙發(fā)育，從而在造孔施工中，出現(xiàn)了劈裂現(xiàn)象，此次產(chǎn)生塌孔及裂縫的樁號段正是原來垮壩的部位。

（2） 壩頂施工外荷載的影響。 由于近期雨水比較豐沛，況且液壓抓斗機(jī)械自身重量較重（80t），壩頂受上覆壓力的影響，加上施工機(jī)械的外荷載，特別是機(jī)械長時(shí)間的振動，影響了槽段的穩(wěn)定。

（3） 空隙水壓力上升的影響。 現(xiàn)假設(shè)在該土體單元附近開展了防滲墻成槽施工，槽內(nèi)充滿了護(hù)壁泥漿，此時(shí)水源源不斷滲入到土體單元ó中，空隙水壓力升高了⊿u，圖2中的圓2向左移動至圓3位置，并與有效強(qiáng)度包線相切，這時(shí)土體就發(fā)生剪切破壞。沿槽段軸線方向的土體發(fā)生剪切破壞，就會出現(xiàn)縱向裂縫。 裂縫出現(xiàn)后，槽內(nèi)水加速向土體滲流，引起土體的空隙水壓力加速上升， 從而引發(fā)沿壩軸線方向的劈裂現(xiàn)象。 對于防滲墻布置在壩頂位置的情況，由于防滲墻軸線靠近最小主應(yīng)力面，因此更容易發(fā)生劈裂現(xiàn)象。

圖2 防滲墻成槽施工過程中引起的土體應(yīng)力變化圖

（4） 壩頂施工平臺堆載的影響。 施工方在壩頂防滲墻成槽施工中， 將液壓抓斗開挖出來的泥漿就地堆放在施工平臺下游側(cè)壩坡上，增加了壩頂荷載，是導(dǎo)致壩體沿下游方向滑動的因素之一。

（5） 壩體土質(zhì)含水量的變化。 由于施工時(shí)段雨水比較豐沛，致使壩體上部土體呈飽和狀態(tài)，從而導(dǎo)致壩體浸潤線抬高，槽壁下游側(cè)粘土內(nèi)摩擦角減小，下滑力增加，加上壩頂施工外荷載的影響，繼而誘發(fā)了槽孔外壁粘土體由外而內(nèi)產(chǎn)生了弧狀傾覆， 最終導(dǎo)致砼導(dǎo)軌發(fā)生沉降及裂隙。

由上所述，由于原壩體土質(zhì)松軟，施工外荷載的影響，土質(zhì)含水量的變化及空隙水壓力的上升，加上堆放在壩頂?shù)臈壨恋南禄瑺恳Γ?致使在防滲墻成槽施工中沿壩軸線方向產(chǎn)生了一條連續(xù)的裂縫。

5 裂縫預(yù)防與處理措施

5.1 預(yù)防措施

（1） 清除壩體堆放棄土。 責(zé)成施工方立即清除堆放在壩頂?shù)臈壨粒ο掠我患墘纹孪髌聹p載，保證卸載后的坡比不陡于1∶1.75。恢復(fù)防滲墻施工后，成槽開挖出來的泥漿當(dāng)天必須清除外運(yùn)。

（2） 加大槽段間隔，縮短槽段長度。下一步的成槽施工中，將槽段分Ⅰ、Ⅱ期施工改為分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期施工，并將原槽段長度6 m改為3 m；以期減少對壩體的縱向擾動，延長滲流水的滲徑，這樣不容易產(chǎn)生貫穿裂縫。

（3） 采用合適的泥漿護(hù)壁。 泥漿中的土顆粒進(jìn)入土體中的空隙后，對空隙起封閉作用，減緩了空隙水壓力的上升速度，有利于減少裂縫的產(chǎn)生；因此在施工中應(yīng)嚴(yán)格控制泥漿比重、粘度、靜切力、泥餅厚度等參數(shù)，適當(dāng)摻加增強(qiáng)漿液粘滯度的外加劑。泥漿濃度也不宜太大，否則作用在槽壁的土壓力會增大，對壩坡穩(wěn)定不利。

（4） 縮短成槽到混凝土澆筑的時(shí)間。 槽孔內(nèi)的水是慢慢滲入土體的，時(shí)間越長，滲入的水量越多，空隙水壓力上升幅度也愈大，容易產(chǎn)生裂縫，因此施工中應(yīng)盡量縮短從成槽到混凝土澆筑的時(shí)間。

5.2 處理措施

（1） 澆灌粘土水泥漿。 對壩體裂縫進(jìn)行跟蹤變形監(jiān)測，每日兩次，倘若裂縫趨于穩(wěn)定沒有擴(kuò)展，等汛期過后，先進(jìn)行下游壩坡透水料的培厚，待培厚成型，大壩的抗滑穩(wěn)定系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求后，再對裂縫進(jìn)行套管灌粘土水泥漿，控制灌漿壓力＜5 N/cm2。假如在下游壩坡沒有培厚， 大壩抗滑穩(wěn)定系數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求的前提下進(jìn)行裂縫灌漿處理， 漿液對壩體槽壁土體的側(cè)向壓力可能造成裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)張，一旦出現(xiàn)這種險(xiǎn)情，處理起來將更加棘手和復(fù)雜。

（2）在裂縫兩端設(shè)減壓井。在已經(jīng)形成的裂縫兩末端設(shè)置減壓井， 已降低作用在壩體的承壓水頭及滲透壓力，約束裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。

2017-02-16）

徐砜（1982-），男，大學(xué)本科，從事水利水電工程施工與管理工作。