水庫大壩加固工程防滲墻設計與施工技術探討

陳 燦

（永州市水利水電勘測設計院，湖南 永州 425000）

0 前 言

我國現存大量中小型水庫工程修建于20世紀50～70年代，大部分水庫大壩為土石壩。受當時社會經濟發展水平、技術條件的限制，工程設計標準低、大壩填筑施工質量差、滲透系數大，導致部分大壩出現大面積散浸、流土、管涌等滲漏及滲透破壞現象；加上普遍存在“重建輕管”現象，導致個別垮壩事件偶有發生。因此，如何更有效地解決已建水庫土石壩的滲漏及滲透破壞問題，成為了一個亟待解決的重要課題。塑性混凝土防滲墻因適應性強、防滲效果可靠、施工進度快、運行監測方便等優點，在水庫大壩防滲除險加固設計中被廣泛采用。

1 工程概況

半山水庫位于湖南省寧遠縣南部灣井鎮半山村境內瀟水三級支流黃花源河上的半山峽谷中，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發電及養殖等綜合利用的中型水利工程。工程總庫容為1 200萬m3，裝機容量為750 kW，半山水庫工程等別為Ⅲ等，擋水建筑物級別為3級。壩址以上控制流域面積為28.54 km2，干流長度為13.55 km，干流平均坡降39.45‰。該工程于1959年動工興建，1975年建成。水電樞紐工程主要包括大壩、溢洪道、輸水建筑物、壩后廠房等。大壩為黏土斜心墻壩，最大壩高為49.2 m，壩頂軸線長133 m，壩頂寬4.85 m。

2 水庫滲漏情況

水庫蓄水運行后，發現存在下列問題：①壩基漏水嚴重，下游常年水流不斷，平均滲流量約6L／s，最大滲流量達15L／s（如1998年5月20日、2007年6月10日），且出水點有黏土泥質物沉淀；②大壩左側下游坡359.1～376.5 m高程范圍內散浸現象十分嚴重，水庫滿蓄時散浸面積達690 m2，壩坡水草茂盛；③大壩左側364 m高程處存在漏水點，漏水點四周塌陷，水庫滿蓄時出水量約1.5 L／s。

壩基和壩體存在滲漏的主要原因為：壩基清理不徹底，且建壩時未對基礎進行帷幕灌漿處理，壩基接觸面下部基巖表層因巖體風化和動水侵蝕作用，形成了一個松散結構帶，是壩基漏水的主要通道。右壩端F4順河向斷層破碎帶及影響帶寬20～30 m，結構松散，膠結差。該工程屬“三邊”工程，技術落后，設計標準低，施工質量差，大壩填筑的密實性和均一性均較差，防滲斜心墻抗滲性不滿足要求。

該水庫自蓄水運行以來，一直“帶病”運行，不能正常蓄水。這不但嚴重影響工程的安全，而且影響了工程的灌溉、發電、防洪等效益，所以對其進行除險加固十分必要。

3 防滲加固方案選擇

針對水庫大壩存在的滲漏問題，對大壩壩體和壩基滲漏處理做了3個防滲處理方案并進行比選：方案1是在二級平臺上鋪設“復合土工膜+高噴灌漿+帷幕灌漿”；方案2是在一級平臺上鋪設“復合土工膜+混凝土防滲墻+帷幕灌漿”；方案3是在壩頂軸線處設“混凝土防滲墻+帷幕灌漿”。其中方案1投資較小，但防滲整體性差，防滲效果較差；方案2一級平臺馬道寬，滿足施工要求，防滲墻整體性好，施工質量有保障，防滲效果好，投資處于方案1與方案3之間；方案3壩頂較窄，不滿足施工對平臺寬度的要求，需降低壩頂1.0 m，投資較大。經比選，方案2較優，選擇此方案作為設計推薦方案，方案2示意見圖1。

圖1 大壩加固設計橫斷面（單位：cm）

4 混凝土防滲墻設計

4.1 防滲墻布置

大壩上游側一級平臺寬11 m，滿足混凝土防滲墻施工布置要求，因此，混凝土防滲墻軸線平行壩軸線方向，布置在大壩上游側一級平臺內側，防滲墻澆筑范圍為樁號0+025 m～0+153.5 m，最大孔深為45.6 m，墻底伸入建基面以下1.0 m，混凝土防滲墻下接帷幕灌漿，與壩基、壩肩帷幕灌漿連成連續、封閉的防滲體體系。

4.2 防滲墻材料的選擇

防滲墻材料一般分為剛性材料和柔性材料兩大類，具體而言有以下幾種。

（1）純混凝土。純混凝土防滲墻在發展初期多被采用，其抗拉強度高，滲透性能小。在水下澆筑混凝土，要求有較大的流動性，坍落度一般在12～20 cm。這種防滲墻水泥用量大，一般采用C20混凝土，抗滲標號W6，允許水力梯度為80～100。

（2）鋼筋混凝土。當防滲墻嵌入基巖內時，其水平變位比較大，墻內拉應力也大，純混凝土一般難以承受較大的變位，需要靠鋼筋承受拉力，這種情況下可采用鋼筋混凝土防滲墻。

（3）塑性混凝土。防滲墻嵌入基巖內時與地基聯合受力。由于地基覆蓋層是松散的砂礫石，在水庫蓄水后會產生較大的變形，剛度較大的混凝土防滲墻不可能抵抗這種變形，容易產生裂縫。為防止裂縫，可采用塑性混凝土防滲墻，即在混凝土內摻入不超過30%的黏土，以降低混凝土的變形模量。降低彈性模量后，使之與地基彈模相接近，以提高墻的抗拉強度，適應地基較大變形。

本工程在壩底和基巖面接觸處為強風化灰白色、黃褐色、紫紅色的砂巖夾薄層粉砂巖碎塊及未清除的砂、卵礫石，為確保大壩防滲加固的效果，防滲墻須嵌入基巖內。經分析比選，確定本工程防滲墻材料采用塑性混凝土。

4.3 防滲墻厚度的確定

混凝土防滲墻厚度的選擇，主要根據下列條件確定：①滿足滲透穩定條件的要求；②滿足結構應力要求；③考慮施工機械條件；④抗滲穩定決定于水力梯度，水力梯度隨抗滲標號的提高而增強。一般根據最大水頭和允許水力梯度，確定防滲墻的厚度。本工程大壩最大設計水頭為49.09 m，經計算防滲墻厚度可取0.6 m，此時防滲墻運行滲透坡降為80.15，滿足要求。防滲墻截面應力計算成果表明，本工程防滲墻最大壓應力為4.1 N／mm2，最大拉應力為0.32 N／mm2，均小于允許應力值，表明墻體厚度選擇是合適的。

4.4 防滲墻設計指標擬定

經初步計算及工程類比，確定本工程防滲墻主要設計指標：抗壓強度范圍4.0 MPa≤R28≤5.0 MPa（模強比150～500），抗折強度大于1.5 MPa。彈性模量在600～1 000 MPa間，滲透系數不大于1×10-7cm／s，允許比降為80～100。水泥采用普通硅酸鹽水泥，標號為42.5，混凝土墻體材料入孔坍落度取18～22 cm，擴散度34～40 cm，坍落度保持15 cm以上時間不小于1 h，初凝時間不小于6 h，終凝時間不大于24 h，密度不小于2 100 kg／m3。塑性混凝土的膠凝材料總用量不小于240 kg／m3，其中水泥用量不宜少于80 kg／m3，膨潤土用量不宜少于40 kg／m3，水泥與膨潤土的合計用量不宜少于160 kg／m3，砂率不宜小于45%。由此，塑性混凝土采用一級配骨料。

5 混凝土防滲墻施工工藝與方法

5.1 防滲墻槽段劃分及槽段連接

混凝土防滲墻槽段之間的連接部位是防滲墻的薄弱環節，是影響防滲質量的關鍵部位，也是防滲墻施工技術中的難點和重點。工程實踐證明，槽段間接縫質量不良已成為大壩混凝土防滲墻防滲加固中的重大滲漏隱患之一，因此，在防滲墻施工中必須保證接縫質量。劃分槽段越長，槽段數越少，套接接縫越少，墻體防滲性能越好。目前，槽段間連接的方法有套接法或搭接法、接頭拔管法。

（1）套接法或搭接法。在一序槽孔混凝土澆筑達到一定強度后，將一序槽段兩端分別挖去1／3以上，再澆二序孔混凝土，這種方式連接較好，但工效低，造價高。

（2）接頭拔管法。在槽孔兩端先立兩根鋼管當做模板，在澆筑混凝土過程中，當每一高程初凝后，即可用油壓千斤頂逐步向上拔管，在混凝土板墻兩端留下半圓形凹槽，以便與二序孔混凝土能較好連接。此法工效高，質量好。

根據本工程施工進度安排、混凝土澆注能力及施工特點，按兩序槽段分序施工法劃分槽段。壩體混凝土防滲墻共劃分22個槽段，槽段長度6.0 m，其中單號為Ⅰ序槽段，計11個，雙號為Ⅱ序槽段，計11個。先施工Ⅰ序槽段，再施工Ⅱ序槽段?；炷涟鍓﹂g采用鋼管接頭拔管法，槽段劃分及接縫處理見圖2。

圖2 混凝土防滲墻槽段劃分平面示意

5.2 防滲墻槽施工工藝和方法

混凝土防滲墻主要施工步驟為：軸線定位放樣—修筑施工平臺—修建導墻—抓斗機就位—槽孔施工—槽孔驗收—清孔驗孔—預埋灌漿鋼管—下混凝土導管—混凝土澆筑。各主要步驟的施工工藝分析如下。

（1）軸線定位放樣。按設計圖提供的防滲墻軸線控制坐標，將混凝土防滲墻軸線從圖上放樣到實地壩體上，并根據槽段劃分圖及槽段尺寸、槽段分序編號，在施工現場（壩體上）分段分序標出。

（2）施工平臺及導墻修筑。抓斗機移動、車輛行走、重型設備行走、出渣、漿液排出等均需要一個合適的工作平臺。平臺需堅固、平整，滿足施工設備作業要求，且應高于施工期最高地下水位2.0 m以上。在設備進場前，施工平臺應先修筑完成。本工程壩頂寬4.85 m，內坡一級平臺寬11 m，施工平臺要求工作面寬不小于8 m，滿足施工要求。

為滿足抓斗成槽機施工（移動、成槽等）的需要，防止施工過程中槽口坍方，在混凝土防滲頂部修建施工用的導墻，導墻中心線與防滲墻中心線重合，內側凈距0.8 m，導墻為倒“L”型斷面，采用C20現澆鋼筋結構，導墻高度1.2 m，厚0.6 m，頂部高程382.60 m，比工作平臺地面高出0.2 m，防止廢水、廢漿、廢渣入內。導墻應建在堅實的地基上，導墻外側填土應夯實。夯實填土時，應采取措施防止導墻傾覆或位移。

（3）抓取成槽。防滲墻成槽時，常使用的造孔機具是鉆機和抓斗，鉆機主要有沖擊式和回轉式兩種，也有回轉兩用的。鉆機成槽，適用復雜地質條件的地層，在土層、砂層、卵石、礫石、塊石、漂石、軟巖及硬巖中都能使用，但是工效低，墻體整體性差，厚度不均勻。抓斗成槽適用土層和軟巖層，特別適用于在含有卵石、礫石和塊石的地層中成槽，且成槽速度快，墻體整體性好、厚度均勻，效率高，因此被廣泛應用。根據本工程地層情況、墻體結構型式及設備性能等特點，采用HS843型液壓抓斗成槽，即采用抓取法成槽，既提高成槽功效，同時也減少沖擊鉆造孔護壁泥漿溢出帶來的環境污染和泥漿損耗。

（4）槽孔驗收。驗收工作主要是檢驗槽孔寬度、深度、垂直度是否達到設計和規范要求。槽壁應平整垂直，不應有梅孔、小墻等?？孜辉试S偏差不大于30 mm，孔斜率成槽施工時不應大于4‰，遇含孤石地層及基巖陡坡等特殊情況時，應控制在6‰以內。采用鉆劈法時，接頭套接孔的兩次孔位中心在任一深度的偏差值不應大于設計墻厚的1／3，并應采取相應措施以保證設計墻厚。

（5）清孔換漿。槽孔驗收合格后，應及時進行清孔換漿處理，以避免槽內泥漿長時間靜置，引起槽壁坍塌。槽內漿液中懸浮的鉆渣和槽底的沉渣均應清除。二期槽孔清孔換漿結束前，應用鋼絲刷分段刷洗槽壁上的泥皮。清孔換漿宜選用泵吸法或氣舉法，槽孔較淺時也可采用抽桶法。

（6）驗孔。清孔換漿完成1 h后應進行檢驗：孔底淤積厚度不大于100 mm，槽內泥漿密度不大于1.3 g／cm3，500／700 mL漏斗黏度不大于30 s。清孔換漿合格后，方可進行下道工序。清孔合格后，應于4 h內開澆混凝土。

（7）預埋灌漿鋼管?；炷练罎B墻施工完成后，再進行壩基、壩肩帷幕灌漿，為了加快施工進度，避免鉆孔對防滲墻可能造成破壞，在混凝土防滲墻中預埋鋼管，通過鋼管對壩基、壩肩進行鉆孔灌漿。預埋鋼管直徑常取Φ100～114 mm，預埋鋼管底部和上端采用角鋼固定牢固，中部用鋼筋定位架定位，其中，定位架間距6～12 m，以確保鋼管在外力作用下不發生移位或變形。

（8）澆筑導管設置。澆筑導管的作用是將混凝土通過導管輸送至槽底，采用泥漿下直升導管法澆筑，自下而上置換孔內泥漿，在漿柱壓力的作用下自行密實。槽內混凝土的澆筑情況以及澆筑質量，與澆筑導管有直接關系。導管內徑不小于混凝土骨料最大粒徑的6倍，常用200～250 mm。為避免堵管，澆筑導管內徑應一致。導管為鋼管，管壁厚一般為3～5 mm。單個槽孔內設置兩套以上導管澆筑時，導管中心距離不宜大于4.0 m，導管中心至槽孔端部或接頭管壁碳的距離宜為1.0～1.5 m。開澆時，導管底口距槽孔底的距離應控制在150～250 mm范圍內，當槽孔底部高差大于250 mm時，導管應布置在其控制范圍的最低處，并從最低處開始澆筑，導管上端高出孔口的長度應盡量減少。澆筑導管安裝完成后，即可進行混凝土澆筑，并注意控制導管提升速度和各處高差。

6 結 語

半山水庫大壩經過防滲加固之后，經過5年汛期的嚴峻考驗，防滲效果非常明顯：壩基滲漏消失；下游壩面干燥，無散浸面，不再生長水草；水庫能正常蓄水。通過防滲處理后，水庫的安全性得到了提高，實現了防滲加固的預期目標。

隨著科學技術日新月異的發展，混凝土防滲墻在水庫大壩防滲加固處理中的應用日益廣泛。近年來，防滲墻施工專用機械、設備及工具也向高科技方向發展，自動化程度越來越高，混凝土防滲墻施工技術也日趨成熟和完善，其防滲效果、經濟效果不斷提高，這為混凝土防滲墻在水利水電工程中的應用，特別是在除險加固、壩基防滲處理等方面的應用提供了更加有利的條件。在混凝土防滲墻的應用中，應確保精心設計、精心施工，重視設計、施工過程中各個重要環節的質量，對施工技術要點與質量控制關鍵點加強管控，按序施工，以確保工程防滲質量。