彰武水库大坝防渗处理分析

2010-07-03付艳林王伟娟任松林

大坝与安全 2010年2期

付艳林，王伟娟，任松林

（1.河南省豫北水利勘测设计院,河南安阳455000；2.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州450000）

0 概述

彰武水库位于河南省安阳市西南25 km的海河流域卫河支流安阳河上，与其上游10 km处的小南海水库组成梯级水库。小南海水库控制流域面积 850 km2，现状总库容 1.075 亿 m3；彰武水库控制小南海水库以下区间流域面积120 km2，现状总库容0.78亿m3。彰武、小南海两水库控制流域总面积970 km2，占安阳河总流域面积的50.5%，为安阳市以上的63.8%，为安阳河的防洪发挥了巨大作用。

彰武水库建筑物由大坝（主、副坝）、溢洪道、输水洞和电站四部分组成。从现状查勘、分析来看，水库的坝前防渗粘土铺盖先天不足，左段台地清基不彻底，自然铺盖含钙质结核薄厚不均，存在渗流破坏隐患，需进行防渗加固。但现状铺盖缺失反滤层，采取补救措施弥补缺陷继续利用困难太大，因此，本次设计坝基防渗加固采用垂直防渗。

大坝防渗处理采用混凝土防渗墙垂直防渗和坝坡土工膜防渗相结合的方式，整个大坝形成一个封闭的防渗体，本文重点分析混凝土防渗墙防渗方案。

1 防渗方案比较

根据多年运行观测，坝基渗透薄弱部位位于主河槽和主副坝结合处，副坝位于安阳河左岸的二级阶地上，虽然基础下部胶结松散的砾岩属强透水层，但基面高程已达132.0 m，高于正常蓄水位1.0 m，最大坝高仅7 m，渗流对大坝稳定安全影响不大，本次设计垂直防渗工程只是针对主坝段和主副坝结合段。为了取得较好防渗效果，避免出现接触冲刷，垂直防渗体顶部应伸入坝体，底部应伸入基岩。

根据大坝上游坡现状平台设置，123.0 m平台位于主坝坝脚处，132.0 m平台贯通主副坝，对垂直防渗体顶部高程设置做了两个方案比较，方案一：垂直防渗体顶部高程主坝部分位于123.0 m平台，随着向副坝延伸顶部高程渐变到132.0 m；方案二：沿大坝132.0 m平台向下做垂直防渗体。经比较，方案一工程量小，但主副坝结合段垂直防渗体顶部高程变化大，施工过程复杂；方案二垂直防渗体顶部高程一致，施工方便，防渗体顶部高程高于正常蓄水位1.0 m，不仅解决了坝基防渗，而且还加强了坝体防渗，但工程量较方案一增加许多。考虑1994年水库除险加固时已从上游123.0 m平台向上对大坝进行培厚，从一定程度上弥补了大坝建筑质量差的缺陷，本着安全、经济、适用的原则，采用方案一：垂直防渗体向下穿过砂卵石层深入基岩0.5 m。

大坝垂直防渗体比较了混凝土防渗墙和高压喷射灌浆两种方案。

（1）高压喷射灌浆方案：高压喷射灌浆是借助数十兆帕的高压射流冲切掺搅地层，浆液只在射流的范围内扩散，与地层颗粒掺拌形成复合防渗体，基本不改变地基整体应力状态，具有较好的可控性和可灌性。

高喷灌浆有关技术要求如下：

①范围：高喷防渗范围包括主坝和主副坝结合处。为使高喷板墙与上、下两界面牢固结合，达到更好的防渗效果，高喷板墙伸入坝体，底部应伸入基岩0.5 m左右，底部高程随河床而变化。

②设计要求：要确保防渗墙的连续，且成墙厚度不少于0.3 m。钻孔总误差要求控制在5‰以内。要求避免坝体接触冲刷，消除坝体险情。

③喷射方式：采用摆喷的喷射方式。

④孔、排距：采用单排孔，孔距 1.5 m。

该方案投资共946.5万元。

（2）混凝土防渗墙方案：作为垂直防渗技术，混凝土防渗墙是粒状底层的主要防渗手段。它的主要优势是：墙的厚度可以得到有效控制，墙段之间结合紧密，几乎达到完全止水的程度，墙体施工便于操作。

选用冲击钻机配合液压抓斗成槽法开槽，采用塑性混凝土作为墙体材料，墙体厚度确定为0.5 m。该方案投资共1 003.9万元。

方案比较：高压喷射灌浆方案施工工艺简单，施工效率高，对砂卵石层的防渗比较有效，但施工过程中由于渗流作用，水泥颗粒有可能被渗透水流带走，对钻孔误差要求较高，成墙厚度不易保证。近十多年，混凝土防渗墙施工技术在国内发展迅速，新技术、新材料和新工艺的推广降低了施工难度，已较广泛应用于病险水库土石坝的防渗加固，采用冲击钻配合液压成槽机开槽成墙，成墙厚度均匀，连续性好，对地基适应性强，虽然工程投资略高于高喷方案，但施工质量可靠，防渗效果好，所以，本次设计采用“置换型”的混凝土防渗墙方案。

2 混凝土防渗墙设计

2.1 墙体布置范围

混凝土防渗墙顶部自大坝上游坡123.0 m高程平台向副坝延伸渐变至132.0 m高程，造孔自桩号0-180～0+680，全长890 m，防渗墙底部原则上嵌入相对不透水层0.5 m左右。混凝土防渗墙深度0～22 m，主坝段平均深20 m。

2.2 墙体厚度

防渗墙的厚度应满足墙体抗渗性、耐久性和满足墙体应力和变形的要求，同时还应考虑到地质情况及施工设备等因素。

由于国内防渗墙设计无规范，防渗墙的渗透计算和渗透稳定分析以及强度、变形计算尚无规范的计算方法和理论。设计时，根据防渗墙破坏时的水力坡降确定墙体厚度（δ），计算公式如下：

式中：ΔHmax为作用在防渗墙上的最大水头差（m）；

K为抗渗坡降安全系数，一般取3～5；

Jmax为防渗墙渗透破坏坡降，取300。

根据已建成的混凝土防渗墙统计，防渗墙允许承受的水力坡降 Jp＝Jmax／K，可达到 100，当 K=5 时，Jp为60，假定防渗墙承受的最大水头差与坝前水深相同，计算得 δ=0.2～0.33 m 即可满足要求。

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为节约材料，降低成本，在满足结构要求和安全要求的情况下，混凝土防渗墙可以做得薄一些，但墙体厚度也会受造孔机具限制，参考省内类似工程经验，大坝混凝土防渗墙墙体厚度确定为0.5 m。

2.3 墙体材料

参考国内外已建防渗墙的经验，一般采用塑性混凝土作为墙体材料。这种材料有抗渗性能好、变形模量低、极限应变值大、适应变形能力强等特点。

本次设计采用塑性混凝土作为墙体材料。塑性混凝土防渗墙的设计指标为：弹性模量600～900MPa，28d抗压强度≥2.3MPa，渗透系数＜（1～9）×10-8cm／s。参考配合比见表1。

表1 墙体材料配合比例表 (单位：kg／m3)Table 1 :Mix proportion of the wall material

施工时混凝土配合比需经现场试验后确定。

2.4 混凝土防渗墙施工技术要点

为满足施工场地的要求，将123 m平台向上游扩展填筑12 m宽的施工平台。同时，为保证施工的正常进行及水库的安全，施工期间库水位应低于施工平台2 m，即121.0 m高程以下。

①修筑导墙

导墙是挖掘机具造孔浇筑防渗墙的重要组成部分，其对造孔起着导向和定位控制作用，同时还起着槽孔护壁和外部荷载的支撑作用。

施工时，要保证导墙的纵向分段与地下连续混凝土墙的分段错开一定距离，同时，墙面与纵轴线的距离偏差不大于±10 mm，两条导墙间距偏差不大于±5 mm。

②成槽方法

成槽方法应根据地质条件、工期等因素选择。根据彰武水库自身特点，参考类似工程的经验，综合考虑后，选用冲击钻机配合液压抓斗成槽法开槽，即“两钻一抓”法。

③槽段划分

混凝土防渗墙一般需要分成若干个单元墙段逐个施工，而浇筑单元墙段前须先钻挖槽孔。槽孔的划分与施工顺序、造孔方法等有关，本次采用两序间隔法，槽孔分两期进行施工。槽孔长度划分应尽量减少墙段接头，以有利于快速、均衡和安全施工，本次设计槽孔定为6 m。槽孔的划分和长度在具体施工时可根据实际情况调整。

④护壁泥浆

护壁泥浆一般由水、粘土及化学处理剂组成。泥浆用水可从库区直接抽取，配制前应进行水质分析。土料选择优先采用膨润土，也可根据实际情况选择当地满足施工条件和造孔工艺的粘土。若选用当地土料，采用前应进行物理试验、化学分析和矿物鉴定，以选择粘粒大于50%、塑性指数大于20、含砂量小于5%、二氧化硅与三氧化二铝含量比值为3～4的粘土为宜。泥浆的性能指标和配合比必须根据地层特性、造孔方法、泥浆用途，通过试验加以选定。

⑤墙体浇筑

混凝土连续墙的浇筑需先拟定合理可行的浇筑方案。浇筑应连续进行，若因意外事故造成混凝土灌注中断，中断时间不得超过30min。混凝土面上升速度应大于2m／h，混凝土的塌落度为18～22 cm，扩散度34～40 cm。浇注过程中若发现导管漏浆或混凝土中混入泥浆，要立即停止浇灌。

混凝土连续墙必须满足外形尺寸、浇筑高度等技术性能指标，墙体要均匀、完整，不得存在夹泥浆、夹泥断墙等严重质量缺陷，墙段之间联接要紧密，墙底与基岩的接触带和墙体的抗渗性能要满足设计要求。

⑥施工中应注意问题

防渗墙施工过程中，造孔质量是保证防渗墙质量的首要环节，同时，造孔时间占总工期的2／3以上，是制约工期的关键环节。施工中应采取预防偏孔措施，有效地防止或减少偏孔，使孔斜控制在允许范围内。

保证混凝土防渗墙施工质量和速度的关键在于开槽的连续性、浇筑的及时性，并且要把泥浆固壁作为一个重要的施工环节去对待，否则，一旦出现塌孔，将导致施工中断，而断开段的处理相当困难。因此，各工序必须严格按规程进行操作，控制进度和质量，同时应加强机械设备的维修养护，保证完好率，确保混凝土防渗墙连续作业，达到保证混凝土防渗墙施工质量的目的。

⑦质量检查

按照规范，质检人员应对槽孔建造、泥浆配置及使用、清孔换浆、混凝土浇筑等质量进行检查与控制。成墙一个月后，应打检查孔检查混凝土防渗墙的浇筑质量。检查内容为墙体的均匀性、可能存在的缺陷和墙段接缝。检查可采用钻孔取芯和其它无损检测等办法。检查孔的位置和数量由发包单位、监理单位会同有关单位研究决定，检查孔的数量最少每槽段应设一个。

3 土工膜设计

本次设计，上游坝坡混凝土防渗墙以上到坝顶统一铺设一层防渗复合土工膜，复合土工膜防渗结构自上而下依次为250 mm厚的护坡干砌块石、200 mm厚粒径2～40 mm的级配碎石、100 mm厚的砂砾石、复合土工膜、150 mm厚的粗砂垫层。

复合土工膜规格的选择与下垫层平整度、材料允许拉应力、材料弹性模量、铺设范围内的最大水头及覆盖层最大粒径等有关，土工膜厚度设计除应考虑主要由水压力要求的强度外，尚应考虑暴露、埋压、气候、使用寿命等应用条件，并按国家现行有关标准的规定确定设计厚度及实际厚度。经综合分析计算，本工程坝坡防渗层采用规格为350 g／m2、0.5 mm厚的针刺短线涤纶两布一膜(PE膜)。

复合土工膜与防渗墙的连接采用锚固的方式，详见图1。