混凝土防滲墻在土石壩防滲加固中的應(yīng)用

周曉明

(1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010；2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

混凝土防滲墻在土石壩防滲加固中的應(yīng)用

周曉明1，2

(1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010；2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

土石壩的滲流安全問題在整體安全中占有重要地位，直接影響大壩的運(yùn)行安全。混凝土防滲墻作為擋水建筑物加固防滲體系的主體部分，防滲效果最為可靠。文章在分析材料及其工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)土石壩防滲加固中混凝土防滲墻的設(shè)計(jì)、施工方法等問題進(jìn)行初步總結(jié)。

混凝土防滲墻；土石壩；防滲加固；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；控制指標(biāo)

0 前 言

我國是世界筑壩大國，截止2008年年底，修建各類水庫近8.7萬座，其中90%以上大壩為土石壩。由于歷史原因，相當(dāng)一部分大壩是邊勘測(cè)、邊設(shè)計(jì)、邊施工的，加之管理不善，不少大壩成為了病險(xiǎn)工程，有的甚至潰壩失事。這其中，因滲流破壞問題所占的比例高達(dá)30%～40%。滲透水流除浸濕土體降低其強(qiáng)度指標(biāo)外，當(dāng)滲透力大到一定程度時(shí)將導(dǎo)致壩坡滑動(dòng)、防滲體被擊穿、壩基管涌、流土等重大滲流事故。由于土石壩筑壩材料具有一定滲透性，壩體滲流場的分布取決于不同區(qū)域筑壩材料的滲透性能，各類壩型對(duì)筑壩材料的滲透性能有一定要求，當(dāng)材料滲透性不滿足要求或防滲體產(chǎn)生裂縫時(shí)，壩體就會(huì)產(chǎn)生滲流異常，影響大壩安全和正常運(yùn)行。由于20世紀(jì)50—80年代我國的筑壩技術(shù)落后，施工質(zhì)量較差，碾壓密實(shí)度不滿足要求，造成壩體或防滲體出現(xiàn)裂縫；或者壩后、防滲體后無反濾、防滲體厚度不夠、基礎(chǔ)處理不完善等，造成大壩滲漏，甚至發(fā)生滲透破壞。根據(jù)土石壩特點(diǎn)及我國土石壩病害情況，土石壩的滲流病害可分為以下幾種情況：①壩基滲漏。由于施工時(shí)大壩清基不徹底，壩基坐落在透水性較強(qiáng)的覆蓋層上，或坐落在裂隙發(fā)育、透水性較大、未進(jìn)行防滲處理或處理不完善的基巖上，致使壩下游或壩腳出現(xiàn)滲漏；②壩肩滲漏。由于施工時(shí)壩肩裂隙發(fā)育、透水性較大的基巖未進(jìn)行防滲處理或處理不完善，致使兩岸壩坡與岸坡結(jié)合處下游出現(xiàn)滲漏；③壩體及防滲體滲漏。由于施工時(shí)防滲體或壩體填筑質(zhì)量差，壓實(shí)度及滲透性不滿足規(guī)范要求；或者大壩變形較大，引起防滲體開裂；或鋪蓋等防滲體的設(shè)計(jì)長度、厚度不夠；或防滲體無反濾保護(hù)或保護(hù)不符合要求等；④下游排水體及反濾料淤堵[1]。由于下游排水體及反濾料淤堵，造成壩體浸潤線抬高，局部位勢(shì)集中，滲流比降增大，致使下游壩坡出現(xiàn)滲漏；⑤防滲體與剛性建筑物接觸滲漏；⑥壩下涵管滲漏；⑦動(dòng)物危害；⑧巖溶滲漏及浸蝕性危害等。

對(duì)于土石壩異常滲流現(xiàn)象，根據(jù)上堵下排的原則，防滲加固措施一般分為水平防滲和垂直防滲兩大類，使其滲透坡降不超過允許坡降，保持土體的滲透穩(wěn)定。水平防滲主要是上游鋪蓋，結(jié)合下游排水減壓設(shè)施。鋪蓋長度應(yīng)保持一定的水平滲徑，使出逸坡降小于允許值，排水減壓設(shè)施盡可能靠近壩腳位置，以便更有效的降低壩體浸潤線，減少壩基承壓水頭，防止壩腳與排水溝間土層的滲流破壞。水平鋪蓋防滲加固可就地取材，施工場地大，進(jìn)度快，簡單易行，但施工時(shí)需放空水庫，對(duì)受制于放水設(shè)施限制或庫區(qū)取水需要的病險(xiǎn)水庫，往往受到限制。

隨著我國水利技術(shù)的發(fā)展，垂直防滲加固技術(shù)得到了迅速發(fā)展，垂直防滲已成為十分常見的工程措施，其中混凝土防滲墻的效果最為可靠，因此成為許多重要工程的首選方案?；炷练罎B墻主要采用鉆鑿、鋸槽、液壓開槽機(jī)、射水及抓斗等工法，在壩體或地基中建造槽型孔，以泥漿固壁，然后采用直升導(dǎo)管，向槽孔內(nèi)澆筑混凝土，形成連續(xù)的混凝土墻，以達(dá)到防滲目的。防滲墻施工可以適應(yīng)各種不同材料的壩體和各種復(fù)雜的地基，墻的兩端能與岸坡防滲設(shè)施或岸邊基巖相連接，墻的底部可嵌入弱風(fēng)化基巖內(nèi)一定深度，徹底截?cái)鄩误w及壩基的滲透水流[2]。

1 混凝土防滲墻設(shè)計(jì)要點(diǎn)

采用混凝土防滲墻加固，應(yīng)根據(jù)土石壩的壩型、壩高及滲漏原因確定布置形式。對(duì)于壩基和壩體都存在滲漏隱患的均質(zhì)土壩，混凝土防滲墻宜布置在壩軸線上游附近，對(duì)于黏土心墻壩宜布置在黏土心墻中部。對(duì)于斜墻壩如壩基出現(xiàn)滲漏，在水庫可以放空的條件下，一般布置在斜墻腳下，如壩體壩基均滲漏，其布置同均質(zhì)土壩。

1.1 防滲墻厚度

混凝土防滲墻厚度主要根據(jù)墻體抗?jié)B性能、耐久性及施工條件確定。

根據(jù)抗?jié)B要求，墻厚t應(yīng)滿足式1：

(1)

式中：H為防滲墻作用水頭；[J]為防滲墻允許水力梯度。

不同材料混凝土防滲墻的允許水力梯度見表1。

表1 混凝土防滲墻的允許水力梯度

混凝土耐久性喪失，多半是被滲透水侵蝕的結(jié)果。根據(jù)試驗(yàn)研究，按其強(qiáng)度降低50%的年限作為選擇墻厚的準(zhǔn)則，年限T可按式2計(jì)算：

(2)

式中：a為使混凝土降低50%所需溶蝕水量，m3/kg，一般情況a取1.5～1.8；u為m3混凝土水泥量，kg/m3；L為墻厚，m；k為滲透系數(shù)，m/a；i為水力梯度；B為安全系數(shù)。

混凝土防滲墻使用年限T可根據(jù)《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB50199-94)確定，1級(jí)壅水建筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期應(yīng)采用100 a，其它永久性建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)采用50 a。

防滲墻采用的槽寬及墻厚應(yīng)與挖槽機(jī)具的一次成槽寬度相適應(yīng)。國內(nèi)已建成的墻厚在0.6～1.3 m，如不能滿足設(shè)計(jì)厚度要求，則以兩道墻解決。根據(jù)挖槽機(jī)具，采用沖擊鉆造孔的設(shè)計(jì)墻厚一般取0.8 m，抓斗造孔一般取0.6 m。

1.2 防滲墻控制指標(biāo)

1.2.1 抗?jié)B等級(jí)

混凝土抗?jié)B等級(jí)按28d齡期的標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)定，根據(jù)建筑物開始承受水壓力的時(shí)間，也可利用60d或90d齡期的試件測(cè)定抗?jié)B等級(jí)?；炷练罎B墻的抗?jié)B等級(jí)要求不得低于《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191—2008)要求。

1.2.2 滲透系數(shù)

混凝土防滲墻分槽段澆筑，各槽段間分縫處存在泥皮接縫，其泥皮厚度對(duì)防滲墻的整體防滲性能存在一定影響。另外，防滲墻混凝土水下澆筑過程中，施工質(zhì)量控制的好壞對(duì)防滲性能也有一定的影響。因此，一般對(duì)混凝土防滲墻提出滲透系數(shù)小于i×10-7cm/s(i為1～5)。

c 抗壓強(qiáng)度與彈性模量：混凝土防滲墻的抗壓強(qiáng)度與彈性模量主要受防滲墻在壩體中的受力條件控制。防滲墻屬薄型結(jié)構(gòu)，其受力實(shí)際主要受抗拉強(qiáng)度控制，混凝土的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度有正比關(guān)系，因抗壓強(qiáng)度檢測(cè)比較方便，一般采用抗壓強(qiáng)度作為控制指標(biāo)。同時(shí)，防滲墻的受力與其適應(yīng)壩體的變形能力也有關(guān)系，防滲墻的彈性模量越低，適應(yīng)壩體變形的能力越強(qiáng)，防滲墻應(yīng)力就越小。工程設(shè)計(jì)中，要求防滲墻混凝土的抗壓強(qiáng)度高，而彈性模量低，這是一對(duì)矛盾，具體需要根據(jù)防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變分析確定。對(duì)一般的土石壩加固工程，一般要求抗壓強(qiáng)度R28≥7.5MPa，彈性模量E<1.5×104MPa。

1.3 混凝土防滲墻配比

混凝土防滲墻的配比需根據(jù)工程的實(shí)際情況按要求進(jìn)行試驗(yàn)確定。混凝土防滲墻在我國剛應(yīng)用時(shí)，墻體材料主要用普通混凝土。隨著工程規(guī)模加大，防滲墻承受的水頭日益提高，開始提高混凝土的標(biāo)號(hào)。為了降低墻體的彈性模量，在混凝土中加入一些粉土、黏土等，不但可以增加墻體適應(yīng)變形的能力，改善墻體應(yīng)力條件，而且具有更好的和易性，澆筑時(shí)不易堵管，對(duì)施工十分有利。筆者參加的幾個(gè)病險(xiǎn)土石壩加固防滲墻采用的配比及主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 混凝土防滲墻配比及主要指標(biāo)

2 混凝土防滲墻施工控制

2.1 造孔

防滲墻造孔應(yīng)根據(jù)地層情況、鉆機(jī)類型和其它施工條件選擇鉆劈法、兩鉆一抓法或抓取法等。劃分槽段時(shí)，應(yīng)綜合考慮地基的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、造孔方法、機(jī)具性能、造孔歷時(shí)、墻體預(yù)留孔位置及澆筑導(dǎo)管布置原則等因素。合攏段應(yīng)以短槽孔為宜，應(yīng)盡量安排在槽深較淺、條件較好的地方。槽孔孔壁應(yīng)平整垂直；一二期槽孔接頭套接孔的兩次孔位中心的偏差值不得大于設(shè)計(jì)墻厚的1/3，并應(yīng)保證防滲墻的設(shè)計(jì)墻厚。

2.2 泥漿固壁

泥漿應(yīng)具有良好的物理性能、流變性能、穩(wěn)定性以及抗水泥污染能力。應(yīng)根據(jù)施工條件、造孔工藝、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)等因素選擇拌制泥漿的土料。泥漿的性能指標(biāo)和配合比，必須根據(jù)地層特性、造孔方法、泥漿用途，通過試驗(yàn)加以選定。儲(chǔ)漿池內(nèi)的泥漿應(yīng)經(jīng)常攪動(dòng)，保持泥漿性能指標(biāo)均一。

在施工過程中，由于壩體填筑質(zhì)量差，易發(fā)生漏漿、滲漿現(xiàn)象，要保證泥漿池的容量滿足施工要求，同時(shí)，一定要保證其穩(wěn)定和安全。當(dāng)發(fā)生漏漿、滲漿時(shí)要及時(shí)補(bǔ)充，并采取措施進(jìn)行堵漏，保證槽孔內(nèi)漿面高于導(dǎo)向槽底部。如果出現(xiàn)塌孔事故可采用低標(biāo)號(hào)混凝土進(jìn)行回填，待達(dá)到一定強(qiáng)度后再進(jìn)行施工。

2.3 混凝土澆筑

防滲墻混凝土的澆筑采用水下導(dǎo)管澆筑法，導(dǎo)管內(nèi)徑以200～250 mm為宜。槽孔內(nèi)使用兩套以上導(dǎo)管時(shí)，導(dǎo)管間距不得>3.5 m。一期槽端的導(dǎo)管距孔端或接頭管宜為1.0～1.5 m，二期槽端的導(dǎo)管距孔端宜為1.0 m。當(dāng)槽底高差>25 cm時(shí)，導(dǎo)管應(yīng)布置在其控制范圍的最低處。導(dǎo)管的連接和密封必須可靠。應(yīng)在每套導(dǎo)管的頂部和底節(jié)管以上設(shè)置數(shù)節(jié)長度為0.3～1.0 m的短管。導(dǎo)管底口距槽底應(yīng)控制在15～25 cm范圍內(nèi)。開澆前，導(dǎo)管內(nèi)應(yīng)置入可浮起的隔離塞球。開澆時(shí)，應(yīng)先注入水泥砂漿，隨即澆入足夠的混凝土，擠出塞球并埋住導(dǎo)管底端。在澆筑過程中，要控制混凝土澆筑強(qiáng)度，速度過快可能劈裂壩體，過慢會(huì)使混凝土表面泥漿沉淀較厚，同時(shí)表層混凝土初凝，影響澆筑質(zhì)量。

2.4 墻間接縫

各槽段間由接縫連接成防滲墻整體，槽段間的接縫是防滲墻的薄弱環(huán)節(jié)。兩槽孔間混凝土墻的連接，是保證防滲的關(guān)鍵。在連接部位，從孔口到孔底連接的墻厚，必須達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，且混凝土墻間必須連接緊密，夾泥層不能過厚，以防滲透破壞。目前采用的接頭主要方法有鉆鑿法、拔管法、雙反弧法、銑槽法及接縫設(shè)置止水等。

3 結(jié) 語

1)我國的病險(xiǎn)土石壩主要存在設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量差、碾壓不密實(shí)、壩基清理不徹底、基礎(chǔ)處理不完善等隱患，造成大壩裂縫、滲漏、穩(wěn)定安全度不夠及防洪能力不足等問題，需采取措施進(jìn)行加固處理。

2)對(duì)于土石壩滲漏問題，可根據(jù)壩體滲漏具體情況，選用施工工藝和技術(shù)較成熟的混凝土防滲墻，通過嚴(yán)格控制施工過程，可以保證工程質(zhì)量，達(dá)到根本解決土石壩滲漏問題的目的。

3)防滲墻造孔過程是防滲墻施工中的事故多發(fā)環(huán)節(jié)，由于槽段的不穩(wěn)定因素，應(yīng)盡量縮短各槽段的施工時(shí)間，保證槽段正常施工。同時(shí)，應(yīng)提前做好應(yīng)急預(yù)案，出現(xiàn)塌孔等突發(fā)事件，要及時(shí)處理。

4)混凝土防滲墻作為隱蔽工程，其質(zhì)量好壞只能在施工過程中進(jìn)行控制，在最終運(yùn)行中才能夠完全體現(xiàn)。為保證防滲墻在土石壩防滲加固中的質(zhì)量，一定要充分研究和論證，選擇合適的墻體材料和施工工藝，同時(shí)要注重施工過程的控制，從造孔、清孔、混凝土澆筑等方面進(jìn)行嚴(yán)格控制。

5)防滲墻終孔深度應(yīng)準(zhǔn)確判定，入巖深度要按設(shè)計(jì)要求控制，基巖可配以帷幕灌漿，杜絕墻下隱藏滲漏通道，確保工程加固的徹底防滲。

[1]孫繼昌.中國的水庫大壩安全管理[J].中國水利,2008,(20):10-14.

[2]譚界雄,位敏.我國水庫大壩病害特點(diǎn)及除險(xiǎn)加固技術(shù)概述[J].中國水利,2010(18):17-20.

ApplicationofConcreteCutoffWallinReinforcementofEarthRockDamSeepageControl

ZHOU Xiao-ming1，2

(1.Yangtze River Survey，Planning，Design and Research Institute，Wuhan 430010，China;2.National Dam Safety Engineering Technology Research Center，Wuhan 430010，China)

Earth rock dam seepage safety problems occupy an important position in the overall security，directly affecting the safe operation of the dam.Concrete diaphragm wall as the main body of water retaining structure of seepage prevention and reinforcement system，anti-seepage effect is most reliable.On the basis of materials and technology analysis，the paper summarizes the problems on design，reinforcement of concrete anti-seepage wall in earth rock dam seepage prevention and construction methods.

concrete cutoff wall；rockfill dam；seepage prevention and reinforcement design points；control index

1007-7596(2014)12-0051-03

2014-08-21

周曉明(1981-)，男，湖北黃梅人，工程師，從事水利水電工程加固設(shè)計(jì)工作。

TV543.8

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