混凝土防滲墻施工技術在水利水電工程中的應用

郭廣善

（青州市仁河水庫運行維護中心，山東 青州 262500）

0 引言

水庫大壩是水利水電工程中的重要內容，發揮了提供社會用水用電、防洪抗澇等重要作用。但是，水庫運行環境較為復雜，水庫大壩容易出現滲漏等病險，嚴重影響水庫大壩的運行安全。將混凝土防滲墻應用于水庫大壩防滲加固中，提高了水庫大壩防滲能力以及水庫工程的質量。隨著現代施工技術和施工工藝的快速發展，混凝土防滲墻施工技術發展迅速，塑性混凝土防滲墻施工技術在水庫大壩防滲加固中的應用非常廣泛，其具有防滲效果良好、施工簡單、工期短和成本低等優勢。尤其是在壩體松散填土等具有較高滲水隱患的地方，塑性混凝土防滲墻施工能夠適應壩體變形，并具有良好的防滲效果[1]。

1 工程概況

某水庫大壩為1 座綜合性中型水庫，用于當地防洪、灌溉等。水庫總庫容為2800 m3×104m3，集水面積為15 000 m2。水庫設計洪水位40 m，正常蓄水位為39 m，汛期限水位為39 m，死水位為21 m。大壩屬于均質土壩，高程約為43 m，壩高最高為25 m，防浪墻高程44 m，壩頂長360 m、寬5 m，上游壩坡坡比為1 ∶2.5，下游為1 ∶2.4。

該水庫大壩興建于1960 年，經過數次續建及加固，最終形成當前規模。大壩填土主要為素填土，重粉質壤土是土質主要成分，局部夾雜粉質黏土和中粉質壤土，含量較低。受歷史原因影響，一些壩段的上壩土料不符合標準，筑壩施工主要采用人工夯實的手段。水庫運行水位較高時，大壩下游坡面出現較多的滲水點，并且壩坡局部發生軟化，壩腳出現沼澤化問題。防滲加固施工前采用過灌漿處理方式，但并未能有效消除隱患。由于大壩壩體填土較為松散，密實程度低，存在交界溝等問題，因此大壩防滲加固工程選擇塑性混凝土進行防滲墻施工，其主要采用柔性材料，彈性模量不高，墻體變形模量與土體材料變形模量非常接近，從而能夠達到適應壩體變形又有效防滲的效果。

2 防滲墻參數設計

防滲墻厚度設計：防滲墻厚度直接影響防滲墻的防滲性能和墻體的強度、耐久度以及防滲墻使用壽命，同時，防滲墻厚度越高，所需要的投資也就越大。因此，為確定最佳的防滲墻厚度，需要根據相應的計算公式，同時結合相關資料與已有工程經驗確定。

防滲墻厚度d的計算如公式（1）所示。

式中：H為防滲墻上游與下游的最大水頭差，數值為22.0 m；K為設計安全系數，一般為3～5，該工程取值4；Jmax 為塑性混凝土防滲墻材料允許最大滲透破壞坡降，一般取300。

最終計算結果為d=0.293 m，綜合考慮施工該過程中誤差影響、施工機械影響等因素，最終確定防滲墻厚度為0.4 m。

防滲墻深度設計：該工程中塑性混凝土防滲墻墻頂高程為41.8 m，墻底深入壩基粉質黏土層，深度大于1 m。

其他主要參數：塑性混凝土防滲墻的墻體抗壓強度設計要求為4.0 MPa，滲透系數k<1×10-6cm/s，彈性模量E≤2.0 GPa。

3 塑性混凝土防滲墻施工技術

3.1 導墻施工

在施工過程中，為防止槽口發生坍塌，在大壩軸線上游的1.5 m處防滲墻軸線上進行導墻基槽開挖，并實施人工整坡。將導墻基槽壩體填土修平夯實，再增加一層0.05m的C10 混凝土墊層，方便進行鋼筋綁扎、支模及混凝土澆筑施工。導墻形狀為倒“L”型，如圖1 所示，高度為1.2 m，頂寬1 m，基槽凈寬0.45 m，頂部位于壩頂下0.15 m。

3.2 泥漿拌制

3.2.1 確定泥漿材料及拌制配合比

成槽與固壁泥漿選擇低固相膨潤土泥漿，其制備材料包括膨潤土、水、絮凝劑和分散劑等。膨潤土要求二級指標，以聚丙烯酰胺作為絮凝劑，以工業純堿作為分散劑[2]。拌制膨潤土泥漿性能指標具體為：一般泥漿密度 為1.04 g·cm-3～1.10 g·cm-3、黏度 為20 Pa·s～24 Pa·s、30 min 失水量小于10 mL、泥皮厚度小于1 mm、穩定性小于0.05 g·cm-3、pH 值為9～12；漏失泥漿密度小于1.15 g·cm-3、黏度為25 s～28 s、30 min 失水量小于10 mL、泥皮厚度小于2.5 mm、穩定性小于0.05 g·cm-3、pH 值為9～12。

泥漿拌制配合比：一般土層膨潤土為6～8、純堿為0.3～0.5、CMC 為0.05-0.1、絮凝劑為0.05、水為100；漏失土層膨潤土為10、純堿為0.3～0.5、CMC 為0.1～0.2、水為100。

3.2.2 泥漿制備

在制備過程中，純堿溶液配置濃度為1 ∶1.5；CMC液配置濃度為1.5%，攪拌過程中注意先加1/3 攪拌桶的水，再緩慢加入CMC 粉，軟軸攪拌器攪拌，配置完成后靜置6 h 后再使用；泥漿拌制前先在攪拌桶中倒入1/3 的水，然后再開啟攪拌機，不斷向桶內加水，同時按照配合比加入各種材料，攪拌完成后，靜置24 h 后再使用[3]。

3.3 槽段開挖

防滲墻槽段開挖采取分段開挖的方式，分成兩期槽段進行，每槽段長度為900 cm，按照1 期、2 期施工順序進行槽段開挖，同一槽段施工按照先主孔后副孔的順序，如圖2 所示。施工采用液壓抓斗進行主副孔的抓取施工，主孔抓取3 個，副孔抓取2 個。抓斗抓出的壩體填土放置于附近壩坡，并由自動裝卸車運出現場至指定堆放地點。在抓斗施工中，如果遇到堅硬土層阻礙施工，則先用沖擊鉆進行土層破碎，然后再進行抓取。抓取深度直到到達壩基粉質黏土層大于1 m 處。針對壩身已經發生滲漏、散侵等情況的部位，在施工時同時將漏失漿液進行成槽護壁，持續向槽孔補充泥漿，保證泥漿面始終低于導墻頂面約0.5 m。

3.4 清孔驗收

槽孔開挖達到設計深度即進行清孔換漿，利用抓斗將孔內淤積與大顆粒沉渣撈出，如果淤積厚度較大，則采用泵吸法，利用潛水排污泵與振動篩進行清孔。清孔時如果發現泥漿與設計要求不相符，則結束后立即更換新的泥漿，換漿量通常是槽內體積的1/3。終孔后對成槽進行質量驗收，要求孔深達到設計深度要求，孔位偏差在±3.0 cm，孔斜率不超過0.4%，孔壁保證平整垂直，孔底淤積厚度≤10 cm，清孔后泥漿指標的年度≤30 s，含少量≤10%。此外，在2 期槽清孔完成前，需要對1 期槽孔段孔壁上吸附的雜質刷洗干凈，包括土渣、泥皮等，確保孔底淤積物厚度不再增厚[4]。

3.5 塑性混凝土澆筑

3.5.1 塑性混凝土原材料確定3.5.1.1 確定水泥型號

塑性混凝土對水泥的用量需求較低，但對水泥材料的性能指標的要求相對較高。在該工程中，選用強度等級為42.5 的普通硅酸鹽水泥，各項性能指標參數：初凝時間不超過45 min；終凝時間不超過600 min；抗拉力強度不低于6.5 MPa；抗壓強度不低于42.5 MPa。

3.5.1.2 確定砂石材料

根據防滲墻工程實際需求，砂子采用細末模數在2.5～3.0 的中粗砂，Ⅱ區顆粒級配區，含泥量小于3%。該工程中選用的石子為粒徑最大不超過20 mm 的粗骨料石子，使用前，需要對石子進行檢測、沖水。

3.5.1.3 確定膨潤土

塑性混凝土材料配制中，膨潤土是非常重要的一種配合料，通過膨潤土能夠中和水泥在水化作用下產生的孔隙，增強混凝土內部結構的密實性。該工程中選用的膨潤土性能菜蔬為黏粒含量不低于55%，塑性指標不低于60[5]。

3.5.2 塑性混凝土配合比

根據已知的塑性混凝土防滲墻抗壓強度、滲透吸收和彈性模量等各項指標要求，以及水下澆筑混凝土坍落度要求18 cm～22 cm，擴散度要求36 cm～40cm，進行塑性混凝土配合比的試驗。最終確定防水墻塑性混凝土配合比為每立方米的材料用量分別為水300 kg、水泥180 kg、膨潤土80 kg、砂子770 kg、石子770 kg。

3.5.3 塑性混凝土水下灌注施工

施工過程：首先，采用直升式導管法，進行塑性混凝土防滲墻水下灌注施工，導管內徑尺寸為200 mm，各個槽段均運用3 套導管，在1 期槽中，槽端導管與接頭管之間的距離為1.2 m，2 期槽中，槽端導管與孔端之間的距離為1 m，導管與導管之間的距離最小3.3 m、最大3.5 m。其次，運用螺旋絲扣將導管連接在一起，并且在連接處用橡膠墊圈進行密封處理。各套導管的頂底兩端均進行三節長度為0.5 cm～1.0 cm 的短管設置，導管底與槽底面之間的距離最少有15 cm，最大不能超過25 cm。再次，各導管頂端部位均設置儲料罐，儲料罐的體積大小為1.5×106cm3，同時，在導管頂端內部設置隔離塞球，隔離泥漿與儲料罐中的混凝土，當混凝土在儲料罐中裝滿之后，將隔離塞球的連接鐵絲用工具剪短，使隔離塞球受到儲料罐中的混凝土的壓力作用，沿著管內垂直向下移動，最終將管內的泥漿完全排出。同時，儲料罐中的混凝土也能夠根據跟隨隔離塞球的下移直到槽底部，導管埋入混凝土中，然后繼續進行混凝土的澆筑。最后，在進行槽孔內的混凝土澆筑過程中，要按照由深至淺的順序，從深度最大的導管開始進行澆筑，保持澆筑的連續性。在混凝土澆筑過程中，導管在混凝土中的埋深應當小于1 m，但同時注意不應當超過6 m。槽孔內混凝土澆筑應當保證其表面的均勻上升，上升速度約2 m/h。在槽段中，不同位置的混凝土面高度差應＜0.5 m，每0.5 h 進行一次槽孔混凝土澆筑面深度的測量，同時隨時對導管內部的混凝土面進行測量，做到及時拆卸導管，防止導管埋深過大，從而造成導管堵塞的情況。塑性混凝土澆筑最終的頂面應當要比設計高程要求高出0.5 m 以上[6]。

4 塑性混凝土防滲墻施工防滲加固效果分析

4.1 墻體完整性檢測

在該工程中，防滲墻設計厚度為0.4 m，最大深度為24.5 m。采用高密度電法檢測墻體的完整性和連續性，同時分析防滲墻工程中可能存在的問題及缺陷。該方法共檢測1 條測線，沿防滲墻軸線，在其頂部布置完成。電極間距為2 m，電極布置數量為180 個，測試層數最大為25 個電極間距。結果顯示防滲墻體的視電阻率范圍在50Ω·m～200Ω·m，并且水平向電阻率呈現均勻變化特點，測線方向沒有出現明顯的變異情況；深度方向檢測呈現層狀地層典型特征，說明防滲墻體具有良好的完整性和連續性。

4.2 防滲墻體的滲透性與混凝土強度檢測

在防滲墻體軸線上隨機選擇檢測點，共選擇3 個，并對每處檢測點2 段墻體分別進行壓水試驗，試驗段長度為4.5m～5.0m，最終測出墻體透水率，并計算得出透水系數。試驗結果顯示，防滲墻透水系數范圍在4.78×10-8～5.34×10-7cm/s，平均系數為6.25×10-7cm/s，結果滿足大壩防滲水規范要求。同時對3 處塑性混凝土強度進行檢測，檢測深度范圍為3.5m～21m；結果顯示破壞荷載范圍為17.66kN～27.20kN；無側限抗壓強度范圍為4.00MPa～6.16MPa，均值為4.86MPa；彈性模量范圍為0.98GPa～1.83GPa，均值為1.46GPa。抗壓強度與彈性模量檢測結果均滿足設計標準要求。

5 結語

在水利水電工程建設中，混凝土防滲墻施工是工程除險加固的一種有效手段，對于水庫大壩工程來說，通過混凝土防滲墻施工，能夠有效解決大壩滲漏水的問題，提高水庫大壩整體質量，維護其穩定運行。在該工程中，針對壩體填土松散的水庫大壩進行塑性混凝土防滲墻施工介紹，分析了塑性混凝土防滲墻在水庫大壩防滲加固中的有效應用。同時對混凝土防滲墻施工防滲加工效果進行分析，結果顯示防滲墻墻體的完整性、連續性滿足工程施工要求，并且墻體滲透性與混凝土強度均滿足設計要求。結果表明，塑性混凝土防滲墻施工在水庫大壩防滲加固中具有良好的應用效果，消除大壩隱患，證明了混凝土防滲墻施工技術在水利水電工程建設中發揮了重要的作用。