水库大坝加固工程防渗墙设计与施工技术探讨

陈 灿

（永州市水利水电勘测设计院，湖南 永州 425000）

0 前 言

我国现存大量中小型水库工程修建于20世纪50～70年代，大部分水库大坝为土石坝。受当时社会经济发展水平、技术条件的限制，工程设计标准低、大坝填筑施工质量差、渗透系数大，导致部分大坝出现大面积散浸、流土、管涌等渗漏及渗透破坏现象；加上普遍存在“重建轻管”现象，导致个别垮坝事件偶有发生。因此，如何更有效地解决已建水库土石坝的渗漏及渗透破坏问题，成为了一个亟待解决的重要课题。塑性混凝土防渗墙因适应性强、防渗效果可靠、施工进度快、运行监测方便等优点，在水库大坝防渗除险加固设计中被广泛采用。

1 工程概况

半山水库位于湖南省宁远县南部湾井镇半山村境内潇水三级支流黄花源河上的半山峡谷中，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电及养殖等综合利用的中型水利工程。工程总库容为1 200万m3，装机容量为750 kW，半山水库工程等别为Ⅲ等，挡水建筑物级别为3级。坝址以上控制流域面积为28.54 km2，干流长度为13.55 km，干流平均坡降39.45‰。该工程于1959年动工兴建，1975年建成。水电枢纽工程主要包括大坝、溢洪道、输水建筑物、坝后厂房等。大坝为黏土斜心墙坝，最大坝高为49.2 m，坝顶轴线长133 m，坝顶宽4.85 m。

2 水库渗漏情况

水库蓄水运行后，发现存在下列问题：①坝基漏水严重，下游常年水流不断，平均渗流量约6L／s，最大渗流量达15L／s（如1998年5月20日、2007年6月10日），且出水点有黏土泥质物沉淀；②大坝左侧下游坡359.1～376.5 m高程范围内散浸现象十分严重，水库满蓄时散浸面积达690 m2，坝坡水草茂盛；③大坝左侧364 m高程处存在漏水点，漏水点四周塌陷，水库满蓄时出水量约1.5 L／s。

坝基和坝体存在渗漏的主要原因为：坝基清理不彻底，且建坝时未对基础进行帷幕灌浆处理，坝基接触面下部基岩表层因岩体风化和动水侵蚀作用，形成了一个松散结构带，是坝基漏水的主要通道。右坝端F4顺河向断层破碎带及影响带宽20～30 m，结构松散，胶结差。该工程属“三边”工程，技术落后，设计标准低，施工质量差，大坝填筑的密实性和均一性均较差，防渗斜心墙抗渗性不满足要求。

该水库自蓄水运行以来，一直“带病”运行，不能正常蓄水。这不但严重影响工程的安全，而且影响了工程的灌溉、发电、防洪等效益，所以对其进行除险加固十分必要。

3 防渗加固方案选择

针对水库大坝存在的渗漏问题，对大坝坝体和坝基渗漏处理做了3个防渗处理方案并进行比选：方案1是在二级平台上铺设“复合土工膜+高喷灌浆+帷幕灌浆”；方案2是在一级平台上铺设“复合土工膜+混凝土防渗墙+帷幕灌浆”；方案3是在坝顶轴线处设“混凝土防渗墙+帷幕灌浆”。其中方案1投资较小，但防渗整体性差，防渗效果较差；方案2一级平台马道宽，满足施工要求，防渗墙整体性好，施工质量有保障，防渗效果好，投资处于方案1与方案3之间；方案3坝顶较窄，不满足施工对平台宽度的要求，需降低坝顶1.0 m，投资较大。经比选，方案2较优，选择此方案作为设计推荐方案，方案2示意见图1。

图1 大坝加固设计横断面（单位：cm）

4 混凝土防渗墙设计

4.1 防渗墙布置

大坝上游侧一级平台宽11 m，满足混凝土防渗墙施工布置要求，因此，混凝土防渗墙轴线平行坝轴线方向，布置在大坝上游侧一级平台内侧，防渗墙浇筑范围为桩号0+025 m～0+153.5 m，最大孔深为45.6 m，墙底伸入建基面以下1.0 m，混凝土防渗墙下接帷幕灌浆，与坝基、坝肩帷幕灌浆连成连续、封闭的防渗体体系。

4.2 防渗墙材料的选择

防渗墙材料一般分为刚性材料和柔性材料两大类，具体而言有以下几种。

（1）纯混凝土。纯混凝土防渗墙在发展初期多被采用，其抗拉强度高，渗透性能小。在水下浇筑混凝土，要求有较大的流动性，坍落度一般在12～20 cm。这种防渗墙水泥用量大，一般采用C20混凝土，抗渗标号W6，允许水力梯度为80～100。

（2）钢筋混凝土。当防渗墙嵌入基岩内时，其水平变位比较大，墙内拉应力也大，纯混凝土一般难以承受较大的变位，需要靠钢筋承受拉力，这种情况下可采用钢筋混凝土防渗墙。

（3）塑性混凝土。防渗墙嵌入基岩内时与地基联合受力。由于地基覆盖层是松散的砂砾石，在水库蓄水后会产生较大的变形，刚度较大的混凝土防渗墙不可能抵抗这种变形，容易产生裂缝。为防止裂缝，可采用塑性混凝土防渗墙，即在混凝土内掺入不超过30%的黏土，以降低混凝土的变形模量。降低弹性模量后，使之与地基弹模相接近，以提高墙的抗拉强度，适应地基较大变形。

本工程在坝底和基岩面接触处为强风化灰白色、黄褐色、紫红色的砂岩夹薄层粉砂岩碎块及未清除的砂、卵砾石，为确保大坝防渗加固的效果，防渗墙须嵌入基岩内。经分析比选，确定本工程防渗墙材料采用塑性混凝土。

4.3 防渗墙厚度的确定

混凝土防渗墙厚度的选择，主要根据下列条件确定：①满足渗透稳定条件的要求；②满足结构应力要求；③考虑施工机械条件；④抗渗稳定决定于水力梯度，水力梯度随抗渗标号的提高而增强。一般根据最大水头和允许水力梯度，确定防渗墙的厚度。本工程大坝最大设计水头为49.09 m，经计算防渗墙厚度可取0.6 m，此时防渗墙运行渗透坡降为80.15，满足要求。防渗墙截面应力计算成果表明，本工程防渗墙最大压应力为4.1 N／mm2，最大拉应力为0.32 N／mm2，均小于允许应力值，表明墙体厚度选择是合适的。

4.4 防渗墙设计指标拟定

经初步计算及工程类比，确定本工程防渗墙主要设计指标：抗压强度范围4.0 MPa≤R28≤5.0 MPa（模强比150～500），抗折强度大于1.5 MPa。弹性模量在600～1 000 MPa间，渗透系数不大于1×10-7cm／s，允许比降为80～100。水泥采用普通硅酸盐水泥，标号为42.5，混凝土墙体材料入孔坍落度取18～22 cm，扩散度34～40 cm，坍落度保持15 cm以上时间不小于1 h，初凝时间不小于6 h，终凝时间不大于24 h，密度不小于2 100 kg／m3。塑性混凝土的胶凝材料总用量不小于240 kg／m3，其中水泥用量不宜少于80 kg／m3，膨润土用量不宜少于40 kg／m3，水泥与膨润土的合计用量不宜少于160 kg／m3，砂率不宜小于45%。由此，塑性混凝土采用一级配骨料。

5 混凝土防渗墙施工工艺与方法

5.1 防渗墙槽段划分及槽段连接

混凝土防渗墙槽段之间的连接部位是防渗墙的薄弱环节，是影响防渗质量的关键部位，也是防渗墙施工技术中的难点和重点。工程实践证明，槽段间接缝质量不良已成为大坝混凝土防渗墙防渗加固中的重大渗漏隐患之一，因此，在防渗墙施工中必须保证接缝质量。划分槽段越长，槽段数越少，套接接缝越少，墙体防渗性能越好。目前，槽段间连接的方法有套接法或搭接法、接头拔管法。

（1）套接法或搭接法。在一序槽孔混凝土浇筑达到一定强度后，将一序槽段两端分别挖去1／3以上，再浇二序孔混凝土，这种方式连接较好，但工效低，造价高。

（2）接头拔管法。在槽孔两端先立两根钢管当做模板，在浇筑混凝土过程中，当每一高程初凝后，即可用油压千斤顶逐步向上拔管，在混凝土板墙两端留下半圆形凹槽，以便与二序孔混凝土能较好连接。此法工效高，质量好。

根据本工程施工进度安排、混凝土浇注能力及施工特点，按两序槽段分序施工法划分槽段。坝体混凝土防渗墙共划分22个槽段，槽段长度6.0 m，其中单号为Ⅰ序槽段，计11个，双号为Ⅱ序槽段，计11个。先施工Ⅰ序槽段，再施工Ⅱ序槽段。混凝土板墙间采用钢管接头拔管法，槽段划分及接缝处理见图2。

图2 混凝土防渗墙槽段划分平面示意

5.2 防渗墙槽施工工艺和方法

混凝土防渗墙主要施工步骤为：轴线定位放样—修筑施工平台—修建导墙—抓斗机就位—槽孔施工—槽孔验收—清孔验孔—预埋灌浆钢管—下混凝土导管—混凝土浇筑。各主要步骤的施工工艺分析如下。

（1）轴线定位放样。按设计图提供的防渗墙轴线控制坐标，将混凝土防渗墙轴线从图上放样到实地坝体上，并根据槽段划分图及槽段尺寸、槽段分序编号，在施工现场（坝体上）分段分序标出。

（2）施工平台及导墙修筑。抓斗机移动、车辆行走、重型设备行走、出渣、浆液排出等均需要一个合适的工作平台。平台需坚固、平整，满足施工设备作业要求，且应高于施工期最高地下水位2.0 m以上。在设备进场前，施工平台应先修筑完成。本工程坝顶宽4.85 m，内坡一级平台宽11 m，施工平台要求工作面宽不小于8 m，满足施工要求。

为满足抓斗成槽机施工（移动、成槽等）的需要，防止施工过程中槽口坍方，在混凝土防渗顶部修建施工用的导墙，导墙中心线与防渗墙中心线重合，内侧净距0.8 m，导墙为倒“L”型断面，采用C20现浇钢筋结构，导墙高度1.2 m，厚0.6 m，顶部高程382.60 m，比工作平台地面高出0.2 m，防止废水、废浆、废渣入内。导墙应建在坚实的地基上，导墙外侧填土应夯实。夯实填土时，应采取措施防止导墙倾覆或位移。

（3）抓取成槽。防渗墙成槽时，常使用的造孔机具是钻机和抓斗，钻机主要有冲击式和回转式两种，也有回转两用的。钻机成槽，适用复杂地质条件的地层，在土层、砂层、卵石、砾石、块石、漂石、软岩及硬岩中都能使用，但是工效低，墙体整体性差，厚度不均匀。抓斗成槽适用土层和软岩层，特别适用于在含有卵石、砾石和块石的地层中成槽，且成槽速度快，墙体整体性好、厚度均匀，效率高，因此被广泛应用。根据本工程地层情况、墙体结构型式及设备性能等特点，采用HS843型液压抓斗成槽，即采用抓取法成槽，既提高成槽功效，同时也减少冲击钻造孔护壁泥浆溢出带来的环境污染和泥浆损耗。

（4）槽孔验收。验收工作主要是检验槽孔宽度、深度、垂直度是否达到设计和规范要求。槽壁应平整垂直，不应有梅孔、小墙等。孔位允许偏差不大于30 mm，孔斜率成槽施工时不应大于4‰，遇含孤石地层及基岩陡坡等特殊情况时，应控制在6‰以内。采用钻劈法时，接头套接孔的两次孔位中心在任一深度的偏差值不应大于设计墙厚的1／3，并应采取相应措施以保证设计墙厚。

（5）清孔换浆。槽孔验收合格后，应及时进行清孔换浆处理，以避免槽内泥浆长时间静置，引起槽壁坍塌。槽内浆液中悬浮的钻渣和槽底的沉渣均应清除。二期槽孔清孔换浆结束前，应用钢丝刷分段刷洗槽壁上的泥皮。清孔换浆宜选用泵吸法或气举法，槽孔较浅时也可采用抽桶法。

（6）验孔。清孔换浆完成1 h后应进行检验：孔底淤积厚度不大于100 mm，槽内泥浆密度不大于1.3 g／cm3，500／700 mL漏斗黏度不大于30 s。清孔换浆合格后，方可进行下道工序。清孔合格后，应于4 h内开浇混凝土。

（7）预埋灌浆钢管。混凝土防渗墙施工完成后，再进行坝基、坝肩帷幕灌浆，为了加快施工进度，避免钻孔对防渗墙可能造成破坏，在混凝土防渗墙中预埋钢管，通过钢管对坝基、坝肩进行钻孔灌浆。预埋钢管直径常取Φ100～114 mm，预埋钢管底部和上端采用角钢固定牢固，中部用钢筋定位架定位，其中，定位架间距6～12 m，以确保钢管在外力作用下不发生移位或变形。

（8）浇筑导管设置。浇筑导管的作用是将混凝土通过导管输送至槽底，采用泥浆下直升导管法浇筑，自下而上置换孔内泥浆，在浆柱压力的作用下自行密实。槽内混凝土的浇筑情况以及浇筑质量，与浇筑导管有直接关系。导管内径不小于混凝土骨料最大粒径的6倍，常用200～250 mm。为避免堵管，浇筑导管内径应一致。导管为钢管，管壁厚一般为3～5 mm。单个槽孔内设置两套以上导管浇筑时，导管中心距离不宜大于4.0 m，导管中心至槽孔端部或接头管壁碳的距离宜为1.0～1.5 m。开浇时，导管底口距槽孔底的距离应控制在150～250 mm范围内，当槽孔底部高差大于250 mm时，导管应布置在其控制范围的最低处，并从最低处开始浇筑，导管上端高出孔口的长度应尽量减少。浇筑导管安装完成后，即可进行混凝土浇筑，并注意控制导管提升速度和各处高差。

6 结 语

半山水库大坝经过防渗加固之后，经过5年汛期的严峻考验，防渗效果非常明显：坝基渗漏消失；下游坝面干燥，无散浸面，不再生长水草；水库能正常蓄水。通过防渗处理后，水库的安全性得到了提高，实现了防渗加固的预期目标。

随着科学技术日新月异的发展，混凝土防渗墙在水库大坝防渗加固处理中的应用日益广泛。近年来，防渗墙施工专用机械、设备及工具也向高科技方向发展，自动化程度越来越高，混凝土防渗墙施工技术也日趋成熟和完善，其防渗效果、经济效果不断提高，这为混凝土防渗墙在水利水电工程中的应用，特别是在除险加固、坝基防渗处理等方面的应用提供了更加有利的条件。在混凝土防渗墙的应用中，应确保精心设计、精心施工，重视设计、施工过程中各个重要环节的质量，对施工技术要点与质量控制关键点加强管控，按序施工，以确保工程防渗质量。