混凝土防渗墙穿坝下涵管施工方案探讨

2013-08-15赫振平

中国水利 2013年12期

赫振平

（山西省大同市册田水库管理局，037300，大同）

混凝土防渗墙技术在我国水利水电工程中的应用始于20世纪50年代末期，目前防渗墙施工技术已趋成熟，防渗墙作为一种有效、安全、可靠的防渗手段，在土石坝及堤防除险加固工程中的应用也越来越广泛。

由于防渗墙采用后施工法，将不可避免地遇到防渗墙穿越坝下涵管的问题，目前，这方面的研究工作还不多见。在防渗墙施工中一般采用钻劈法、钻抓法、抓取法和铣削法等槽孔建造的方法均会破坏地下涵管,如果防渗墙与坝下涵管交接处理不当，势必会对水库坝体、坝基的渗透稳定性产生影响，成为工程隐患，甚至威胁整个工程的安全。

以某水库在除险加固工程中遇到的防渗墙穿越坝下涵管实际问题为背景，提出沉井、高喷墙、上游导排、封堵等四种方案，以期对其他水利工程防渗墙施工中的同类问题提供参考。

一、工程及坝下涵洞概况

1.工程概况

某水库总库容5.8亿m3是一座大（2）型水库，大坝为均质土坝，最大坝高42 m，坝基坐落在Q1喷出的厚5～30 m玄武岩基础上，下部为相对不透水湖相沉积亚黏土层。

在除险加固设计中，主坝和副坝的防渗处理采用了塑性混凝土防渗墙，防渗墙位于坝轴线上游2 m，深入基岩4 m，帷幕灌浆通过玄武岩进入下部湖相沉积亚黏土层5 m，防渗墙设计厚度0.8 m，混凝土强度等级为C15，抗渗标号为W6。其中，北副坝（0+150～0+440）地层地质条件复杂，玄武岩节理裂隙发育，各岩层的渗透特性差别较大，顶部渗透系数最大达208m/d，中部一般为 2～5 m/d，个别可达5～10 m/d。筑坝时坝基未作处理，坝体直接坐落于玄武岩之上，填土与基岩间未作反滤。

2.坝下涵洞概况

在北副坝0+230～0+280段上游坝角内侧玄武岩岸壁约933 m高程向下游位置有一排串珠状泉水出露，流量约24 L/s，在建坝时评价为北岸地下水补给的下降泉。由于此泉水位于大坝基础之上，1958年在水库建坝时，将此泉水通过涵洞穿越坝体，从坝后坡脚将泉水导出，坝下涵洞的施工方法为：首先对泉眼集中处进行清基，然后用砂子、石子、干堆块石对泉水进行过滤及覆盖，以#100水泥砂浆、浆砌块石砌筑了长3 m、宽2 m的集水坑，又以#100水泥砂浆、厚0.5 m的浆砌石筑了长 102 m、宽 0.5 m、高 0.6 m、坡降1/100的拱形涵洞将泉水集中引至坝后坡脚排出,使泉水与坝基及坝体全部隔离，出口高程932.5 m。排水涵洞外侧每隔20 m筑有一道截水环。

二、防渗墙穿越坝下涵洞施工方案

由于在除险加固工程初步设计时未对坝下排水涵洞给予足够重视，防渗墙在筑至此部位附近时因不能隔断坝下涵洞出流导致防渗墙施工无法进行而停工，给水库以后的运行造成安全隐患。因此，提出不改变坝下涵洞排水现状的沉井、高喷墙施工方案和改变坝下涵洞排水现状的上游导排、封堵四种施工方案。

1.沉井方案

沉井方案是在防渗墙与坝下涵洞交点处做一现浇钢筋混凝土结构沉井。沉井的施工特点是：占用场地面积小、可靠性好、适用的土质范围较广（淤泥土、砂土、黏土、砾砂等均可施工），最大施工深度可达100 m等。沉井的结构可根据计算确定，设计时应充分考虑浇筑防渗墙塑性混凝土时的侧压力，必要时可采取高压旋喷处理防渗墙与沉井的衔接问题。

2.高喷墙方案

高喷防渗墙是采用高压浆液形成高速喷射流束，冲击、切割、破碎地层土体，并以水泥基质浆液充填、掺混其中，形成桩柱或板墙状的凝结体，用以提高地基防渗或承载能力的施工技术，由旋喷柱形桩、摆喷扇形断面桩或定喷板状墙段，其中的1～3种彼此组合搭接起来，形成的地下防渗墙。

由于高压喷射成墙不需要对地层进行开挖，可通过坝体、涵洞等建筑物对数十米以下土层、砂砾层、隐患进行处理。相对成槽法造墙工艺，高压喷射无须护壁浆液和混凝土制作浇筑系统，对施工场所的要求不高，因此，在坝下涵洞两侧一定范围内，采用高压喷射成墙施工工艺修筑防渗墙到涵洞顶或基岩面，其他部位依旧使用成槽法造墙工艺施工。

3.上游导排方案

首先，在防渗墙上游侧排水涵洞适当位置处通过钻孔修筑一垂直抽水井，用以排除坝下涵洞水；然后，对涵洞下游段进行灌浆封堵；最后，按照原除险加固设计进行混凝土防渗墙施工。

采用此方案时，应注意：①对抽水井的坐标精度要求较为严格，必须精确控制；②封堵时可先利用下游坝肩处的检查井进行人工封堵，然后计算注浆量采用自密实混凝土进行封堵；③上游导排需要长期运行维护并且消耗一定电能，但是可以通过回收弃水得到补偿。由计算可知，采用上游排导方案时，每年需要电费约7.41万元，每年回收弃水的水费18.9万元，有一定的经济收益。

4.封堵方案

由于坝下涵管一般埋深较大，经长期运行后，在涵管外周边易形成渗漏通道，同时涵洞洞体老化破坏问题严重程度难以查明，问题一旦发展则对大坝威胁极大，处理起来难度也很大，这也是其他水库的共性问题。如果经过论证与上游导排方案运行一段时间验证后，确认坝下涵洞内不存在承压水时，可以采用上游封堵方案，这样既保证了防渗墙施工的整体性，又解决了坝下埋管的隐患，解决问题较为彻底，不留隐患。

采用本方案施工时首先对坝下涵洞直接进行灌浆封堵，然后进行防渗墙施工。必要时可先在涵洞上游对坝基进行帷幕灌浆以进一步减少涵洞渗水量。

由于封堵方案可能导致坝下涵洞附近范围渗水变为承压水，那么将对大坝渗透稳定造成重大不利影响，因此本方案需经论证后谨慎处理。现经分析后认为，涵洞封闭后基本不存在承压水可能，理由如下：

所以AC2(BD1·BD2)=AB2·BC2-AB2·BC·(BD1+BD2)+AB2(BD1·BD2)，

（1）坝下涵洞流量与库水位关系

在建库区前，泉水流量稳定在24 L/s；1960年7月，当库水水位升高到高程939.0 m时，涵洞流量增加到45 L/s；库水水位升高到941.8 m，流量增至120 L/s；当库水水位升高到943.8m时，流量为124 L/s。由于库水直接补给涵洞，对大坝造成威胁，1961年4月对涵洞水源头进行灌浆，灌浆后流量减少到32.7 L/s，后帷幕线又延伸200 m，流量减少并稳定在19 L/s。以后当库水位从943.3 m上升到953.5 m时，流量与库水水位升高关系不明显。分析认为造成库水与泉水关系不明显的因素主要是涵洞集水坑在施工中用砂砾石三级过滤进行覆盖，其上用浆砌石砌成圆拱形，砌石上覆水中倒土坝体，坝上厚15 m左右。以后涵洞口上游附近又经帷幕截隔，加上坝前淤积厚约10 m，对防止库水渗入更为有利。因此库水渗入清泉洞水是极其缓慢和有限的，而库水位的变化对涵洞流量变化响应时间较长，因此关系亦不太密切。

（2）涵洞水的来源问题论证

在1958年建坝时评价为北岸地下水补给的下降泉，1985年8月，在距水库岸边约600 m的钻孔测得地下水水位为948.45 m，而库水水位为950.3 m，库水水位高于地下水水位近2 m。说明水库蓄水以后，北岸水文地质条件发生改变，对于原来地下水赖以径流和储存的玄武岩裂隙被库水占据，库水像一堵墙阻止了原地下水水流，而库水对地下水的顶托作用使原来的地下水水力坡度逐渐变缓以至于向北岸倾斜，在距库边500～600 m处原地下水与库水混合形成一深槽向下游排泄，且根据建库前的资料和北岸钻孔，未发现承压水。

后又委托中科院对其进行氢氧稳定同位素分析，对库水和左坝肩附近地区钻孔采的水样，用稳定同位素δD和δ18O进行对比，论证结果为：坝前形成了完整的帷幕线，已改变了以前的水文地质条件，涵洞水是由库水通过左岸玄武岩裂隙、淤积层及坝体渗透补给。

三、各方案对比分析

沉井方案：施工的可靠度较高，不影响坝下涵洞的排水现状，可在沉井内观测涵洞的运行状况，同时还可以在沉井口储备反滤料，在坝下涵洞出现险情时可进行及时处理。但是与其他方案相比施工难度较大，沉井与防渗墙的衔接处不易处理，基岩防渗需采取帷幕灌浆予以加强，坝下涵洞的隐患仍然存在。

高喷墙方案：施工难度相对较小，可靠度较高，不影响坝下涵洞排水现状。缺点是基岩防渗需采取帷幕灌浆予以加强，坝下涵洞的隐患仍旧存在。

上游导排方案：不影响塑性混凝土防渗墙的施工，防渗墙能够形成封闭的整体有利于防渗和抗震，同时年可回收弃水90多万m3，有一定的经济效益。缺点是以后的运行与维护较为麻烦，存在一定风险。

封堵方案：不影响防渗墙的施工，防渗墙能够形成封闭的整体，有利于防渗和抗震，与上游导排方案相比，无后期运行维护费用，与其他方案相比，既解决了坝体的渗漏问题又解决了坝下涵洞隐患，解决问题较为彻底。缺点是封堵后如果涵洞水为承压水，上游侧坝体的渗透稳定存在安全隐患。因此，必须经论证和上游导排方案运行验证后才可采用本方案。