塑性混凝土防渗墙在水库大坝除险加固中的应用

袁国培

(广西南宁水利电力设计院 南宁 530001)

1 前言

广西壮族自治区的水库大坝大部分为土坝,工程多数建于二十世纪50～70年代。受当时历史条件、经济基础和技术水平的限制,有些工程规划设计不合理,大坝施工质量差。大坝在高水位运行时,坝体出现裂缝,甚至潜在滑坡,致使土坝的变形稳定和渗透稳定得不到保证。为了确保水库的安全,水库管理部门长期采用限制水位运行,致使水库不能充分发挥其设计效益。

2 土坝渗漏成因分析

大坝出现的主要问题是土坝的变形稳定和渗透稳定得不到保证,通过对多座中型水库大坝的结构安全复核和地质勘察成果表明,有以下共同成因:

(1)坝体填筑时碾压不实或不碾压,留有土体疏松带,使坝体某些土区抗渗坡降降低,坝后出现过剩水头,浸蚀土体;或受白蚁掏洞等生物破坏,会在坝体内产生集中渗流,形成洇湿渗流区。坝体土样干容重偏低,坝体填筑土渗透系数偏大,未满足现行规范对坝体填土压实度及渗透系数要求。大坝渗流稳定及结构稳定复核表明,多数大坝在设计、校核洪水情况下,浸润线下游坝坡逸出点高,渗流量大,一些大坝下游出逸渗透坡降大于土体的允许坡降,大坝稳定安全系数未满足现行规范要求。

(2)且大坝坝基大多数存在透水性较强的天然覆盖层,未采取防渗措施,或者对强覆盖层地基清理不彻底,防渗措施不完善。渗流通过坝基透水层,从下游坝脚或坝脚以下覆盖层的薄弱部位逸出,严重的会造成坝后管涌、流土和沼泽化。穿坝涵管与坝体结合处,未做止水措施,施工回填土夯实质量差,有压水通过裂隙沿管壁薄弱部位渗出,造成渗水通道。

(3)坝基上部基岩节理裂隙发育,或存在断层破碎带,未按现行规范要求作灌浆帷幕处理,坝体和坝基未建有完整的防渗体系,使坝趾下基岩的漏水通道保留下来。对于大中型水库,蓄水运行后,在长期高水头的压力作用下,漏水量大增,在与大坝接触面部位发生冲蚀破坏,危及大坝安全。

3 防渗技术方案

土坝出现的险情主要表现为坝体、坝基覆盖层及坝底和基岩接触带的渗透破坏及变形破坏,因此把基岩、坝基覆盖层到坝体内防渗体结合起来,建立连续有效完整的防渗体系,控制大坝和坝基渗流稳定是除险加固的关键所在。多数水库建成蓄水后,由于发电和供水需要以及放水底洞过高,不允许或不能放空水库进行进行处理,因此建造垂直连续的防渗帷幕,使帷幕的厚度和密实度满足设计提出的抗渗坡降要求,是土坝防渗加固最有效方法。当前我国建造垂直连续的防渗帷幕主要有三种工程技术措施。

(1)坝体采用劈裂灌浆技术,坝基覆盖层和基岩接触带采用高压喷射灌浆技术,基岩采用帷幕灌浆处理。

(2)坝体、坝基覆盖层到基岩接触带采用高压喷射灌浆技术,基岩采用帷幕灌浆处理。

(3)坝体、坝基覆盖层到基岩接触带采用塑性混凝土防渗墙技术,基岩采用帷幕灌浆处理。

劈裂灌浆技术,目前使用深度达到60m坝高;高压喷射灌浆技术,深度已达70m;塑性混凝土防渗墙技术,造孔深度已达100m。劈裂灌浆技术要根据灌浆深度、次数严格控制灌浆压力、灌浆量及控制坝顶的劈裂长度和宽度,同时要严格控制坝体的位移和沉降量,施工要求技术含量高,需要选择很专业化有经验的施工队伍。高压喷射灌浆和塑性混凝土防渗墙技术,施工技术要求相对简单,可选择施工队伍多;能一次性建造形成穿过坝体、坝基覆盖层直达基岩接触带连续的防渗帷幕,与基岩界面紧密结合,建立防渗体系完整。塑性混凝土防渗墙适用高度范围更广,能按设计防渗要求一次性建成较厚的防渗帷幕,施工速度快,帷幕渗透系数小,能比较彻底截断渗透水流,防渗效果更好、质量可靠。大坝防渗加固先施工基岩面以上的混凝土防渗墙,后进行基岩的灌浆帷幕施工,更有利于上下不同防渗体接触面的牢固结合,建立连续完整的防渗体系。坝基岩面以上防渗帷幕较高,或水资源比较缺乏珍贵,工程重要,要求控制严格水库渗漏量的水库大坝除险加固,适宜优先考虑塑性混凝土防渗墙综合防渗技术方案。

4 塑性混凝土防渗墙设计

4.1 防渗墙布置

防渗墙轴线布置在坝顶范围内,平行于坝轴线,其位置应结合防渗墙施工平台布置设计确定。墙顶应高出设计洪水位0.3～0.6m,且不低于较核洪水位。墙底应穿越坝基强风化覆盖层,与基岩界面紧密结合;两侧延伸至与岸坡基岩界面进行可靠结合,防止结合面漏水和产生集中渗流。

4.2 墙顶施工平台

防渗墙槽孔造孔,使用较多的是液压抓斗式成槽机或者钻机造孔。所造槽孔宽度大,施工机械设备庞大,为了满足施工要求,需要在墙顶设置施工导墙及上、下游施工平台。

(1)导墙:是挖掘机具造孔、浇注地下连续墙施工前必须首先修筑的铺助设施,是对称布置在防渗墙的上、下游两侧,在墙顶施工平台地层表面沿防渗墙轴线方向设置的连续混凝土墙,导墙之间的净距离比防渗墙厚度大0.1m。导墙的形式多采用倒L型,垂直方向深度为1.2～2.0m,背侧要用粘性土分层回填并夯实,不得有漏浆;地面水平方向宽度为1.0～1.2m,顶部应保持水平并高出平台0.1m;墙厚度0.15m～0.25 m,为了保持导墙的整体性,应配置构造钢筋。导墙下游设置排水沟,在浇注防渗墙时将置换的固壁泥浆回收再利用。(2)施工平台交通:导墙上游侧施工平台应满足冲击机、埋管定位提升吊机架等设备的交通布置要求,一般应大于2.5m。导墙下游侧施工平台应满足挖掘机具及和及运输车辆交通要求,一般应大于7.0m。

墙顶施工平台总宽度不应小于13m,大多数原坝顶宽度不能满足要求,因此应降低坝顶进行平台布置设计,并做恢复坝顶部分坝体设计。为了保护平台以下坝体和行车要求,平台顶面应设置0.2～0.3m厚的泥结沙砾承重保护层,施工完成后应进行清除,然后才进行上部坝体填筑施工。

4.3 帷幕厚度的确定

主要从保证坝体渗透稳定条件来考虑,帷幕厚度必须满足下列设计条件:

(1)使坝体渗漏量降低到要求的流量以下。

(2)使坝体下游浸润线出逸点高度小于或等于设计规定高度,并使出逸渗透坡降小于土体的允许坡降。

(3)防渗墙帷幕上、下游水位差所形成渗透坡降应控制在防渗墙帷幕允许坡降以内。根据已建成的塑性混凝土防渗墙统计资料可以得知,实际承受的渗透坡降可达100,考虑到施工和混凝土老化等综合因素,一般取允许渗透坡降为60～80。

(4)要考虑到满足施工机械所能造槽孔厚度的条件。目前我国常用土坝防渗墙厚为0.4～0.8m,已建成碧口土坝防渗墙厚达到1.3m。

参照类似工程,拟定防渗墙帷幕厚度范围,根据土坝各分区的物理力学指标,进行渗透分析计算,可求出不同帷幕厚度情况下坝体的渗漏量,浸润线,坝体下游浸润线出逸点高度及作用在防渗墙帷幕上的上、下游水位差,最终确定符合设计要求的防渗墙帷幕厚度。

4.4 槽段划分布置

混凝土防渗墙是由许多段板墙套接而成,墙段少,套接接缝少,墙防渗效果越好。槽孔段划分长度首先要保证造孔及大坝的安全,符合施工挖掘机具成孔条件,同时要合理考虑混凝土搅拌设备和运输能力。根据我国已建成的塑性混凝土防渗墙统计资料可以得知,槽孔段长度为5m ～17m不等。目前我区混凝土防渗墙施工成槽机械设备大多采用液压抓斗式成槽机,一次抓槽宽度为3m,采用两抓成槽,划分一个槽孔段长度为6m。

槽孔段划分为Ⅰ序槽孔和Ⅱ序槽孔,相隔布置。施工时,先建造Ⅰ序槽孔混凝土墙,后建造Ⅱ序槽孔混凝土墙,由Ⅰ序槽孔和Ⅱ序槽孔混凝土墙套接成连续的混凝土防渗墙。

图1 槽段划分布置图

4.5 坝底基岩帷幕灌浆管埋设布置

由于历史原因,我区大部分水库土坝坝底基岩未按现行规范要求进行帷幕灌浆防渗处理。为了避免用钻机造灌浆孔,破坏混凝土防渗墙结构,应在防渗墙内埋设灌浆管 (孔)。灌浆管埋设在防渗墙中心线上,孔距与帷幕灌浆设计孔距一致。

灌浆管采用内径为130mm的钢管或塑料管。采用塑料管应内套外径为110mm的专用钢管,用于定位及保持埋管的的垂直度,防渗墙混凝土完成凝固后将钢管拨出。厚度大于等于0.8m,墙高小于30m的防渗墙,也可以先埋钢管,待混凝土达到初凝后将钢管拨出,节约钢管用量。

4.6 设计施工技术要求

(1)防渗墙采用塑性混凝土。坝基覆盖层是松散体,在水压力作用下产生较大变形,防渗墙嵌入基岩内,与坝基联合受力,采用普通刚性混凝土抵抗不了这种变形,将会产生裂缝。塑性混凝土弹性模量与土体相接近,与土体变形协调性好,能适应地基较大变形,防止墙体与土脱开和出现裂缝导致墙体断裂的情况发生。

(2)塑性混混凝土防渗墙设计物理指标:渗透系数K ≤10-7cm/s;抗压强度3Mpa≤R28d≤5Mpa;弹性变形模量300Mpa≤E28d≤1000Mpa;极限应变值0.33%～0.7%;允许渗透比降J≥80。

(3)塑性混凝土配合比[1]:一般以28d强度、变形模量和抗渗指标综合确定。水泥标号不应小于325号,用量80kg/m3～200kg/m3;粘土和膨润土一起双掺,采用粘粒含量不小于 25%的无块状、无有机质的均质土,用量以含泥率30%以内确定,膨润土占粘土掺量的20%左右;含沙率为40%～60%,粗骨料宜采用一级配;在满足施工机械和工艺要求的前提下,应尽量选择较少的水灰比,要求坍落度18mm～20mm。

(4)泥浆固壁:泥浆在地下防渗墙造孔中起到固壁、携渣、冷却钻具和润滑的作用。泥浆在槽壁上形成不透水泥皮,使泥浆柱体的压力有效抵抗作用在槽壁上的土压力和水压力,防止了地下水渗入和槽壁剥落坍塌,是造槽孔成墙的关键。泥浆采用膨润土拌制,泥浆配合比为:水1000kg;膨润土50kg;NaCO31kg;固壁泥浆性能指标密度＜1.1g/cm3、漏斗粘度＞25s、含砂量＜3%。在成槽过程中,槽孔孔口泥浆面保持在导向槽顶面以下30m～50m范围内。清孔时,采用抓斗抓取淤泥,利用下设潜水排水污泵抽浆,并及时用新鲜泥浆补充。清孔换浆结束 1h后,孔底淤泥积厚度小于10cm。

(5)接头处理:相邻两槽段混凝土墙的衔接部分成为接头,接头形式有钻凿式和预留式。一般采用凿除法进行接头连接施工,在进行Ⅱ序槽段造孔时,将Ⅰ序槽段混凝土端头套抓去35cm,再浇注Ⅱ序槽段混凝土。此外,钻凿式接头施工还有套打一钻法和双反弧法,预留式接头施工有接头管拨管法和拉管法。施工方法应根据适用地层组成情况、糟孔深度、施工设备及施工技术能力来综合分析选定。

(6)特殊地层处理:在坝顶部开槽孔,槽孔进入坝体内松软夹层、覆盖层是松散体、断层破碎带、空洞,或遇穿坝涵管时,会发生浆液漏失现象,造成槽壁剥落坍塌等事故,所以必须采取有效措施进行预防和处理。

槽壁出现局部剥落坍塌时,加大泥浆密度;出现大面积塌孔时用优质粘土 (掺入20%水泥)回填到坍塌处以上1～2m,待沉积密实后再进行施工。

出现漏浆时采用处理措施有:①粘土球堵漏。将粘土球投入槽内流失部位,为了增加效能,可在粘土中掺入锯末、麻刀、干草等纤维质物,挤压捣实堵漏后再钻进;②泥浆堵漏。在漏失地层钻进时,应正确选用适当的堵漏泥浆,采取以预防为主的原则。对于轻微、中等流失,用石灰泥浆、锯末碱挤泥浆和水泥泥浆堵漏。③水泥浆堵漏。对漏失严重的地层用速凝水泥等特殊材料处理,必要时对槽孔进行回填。

松散地层,造孔应循序渐进,预防在先,稳中求快;保证泥浆供应强度和质量,发现漏浆及时补充。

遇穿坝涵管时要慎重考虑处理措施,在设计施工时应弄清穿坝涵管的位置及埋设高程及其结构形式。在施工中曾出现过将涵管挖穿,浆液突然漏失,造成严重坍槽,危及大坝安全的工程事故。一般情况不要轻易将坝涵管挖除,该部分改用涵管内外充填灌浆进行防渗处理。

5 工程实例[2]

那降水库位于广西隆安县城西北面7km处,是一座以城镇供水、灌溉为主的中型水库。水库集雨面积63km2,总库容2717万m3;设计灌溉面积2.64万亩,城镇设计供水规模为4m3/d,是向县城区及其周边村镇供水的唯一水源。大坝为均质土坝,经地质勘察表明,坝基强风化层、覆盖层未做防渗处理措施;坝体填筑土夹有粗粒碎石块石多,压实度小,渗透系数大。大坝左、右坝脚存在两处常年的漏水点,在水库正常蓄水位下实测总渗漏量为32.6L/s;大坝两端与山体接触带及坝体中部在高水位时存在洇湿渗流区,坝体及坝基渗漏严重。经过渗流稳定计算分析,在设计、校核洪水情况下,浸润线下游坝坡逸出点较高,出逸渗透坡降大于土体的允许坡降,渗漏量大,大坝渗透稳定存在安全隐患。

大坝先后四次培厚加固,并对坝体、坝基进行了进行充填灌浆防渗加固,但是坝体坝基渗漏现象仍然没有消除。为了彻底消除渗漏安全隐患,大坝改用塑性混凝土防渗墙帷幕防渗处理。施工防渗墙时,同时进行坝脚排水棱体的拆除重建及下游河道护岸施工,进行基坑排水作业,来水量主要有大坝渗漏和右岸鱼塘渗漏两部分,实测来水量为50L/s。随着大坝防渗墙逐步形成,来水量明显减少,防渗墙完全建成后,基坑来水量降至约5.6L/s,说明塑性混凝土防渗墙帷幕防渗效果良好。(参考文献略)