塑性混凝土防渗墙在水库除险加固工程中的应用研究

朱宇星

（安徽省蚌埠市水利勘测设计院有限公司 蚌埠 233000）

1 水库概况

山东省枣庄市东北村水库，是一座具有防洪、蓄水灌溉效益的小（2）型水库，该水库建成于1972年，主要由大坝、放水涵、溢洪道三部分组成。大坝为壤土均质坝，经过近50年的运行，坝体渗漏严重，下游坝坡出现渗水。根据地质勘察报告，坝体基岩为④层全风化片麻岩，风化较深、岩芯破碎，岩体基本质量等级为V 级；坝体为壤土填筑，填筑质量一般，具弱～中等透水性；坝基基岩与坝体壤土间存在厚0.5m 的粗砾砂夹层。

2 塑性混凝土防渗墙设计

2.1 防渗加固方案的选择

土石坝防渗设计原则是“上堵、中截、下排”，即上游坝体进行防渗、坝中进行截渗，下游坝体进行排水。经对现状坝体渗流稳定复核计算，现状坝体浸润线较高，下游坝坡和坝脚在设计洪水位、校核洪水位和水位降落期工况下的最大渗透出逸比降均大于土颗粒的允许渗透坡降，坝体渗透稳定不满足要求。结合地质勘察资料分析，该水库渗漏的主要原因为坝体壤土填筑质量一般，坝体、坝基接触面存在粗砾砂层渗漏通道。

因此，本工程拟采取在坝中靠上游侧设置垂直防渗墙进行截渗，以降低坝体浸润线和渗透坡降，保证坝体渗流和抗滑稳定。经综合分析比选，因塑性防渗墙截渗效果较好，施工技术成熟、工期短，节省投资，故本工程坝体截渗采用塑性混凝土防渗墙方案。

2.2 防渗墙布置

2.2.1 防渗墙平面布置

现状坝顶宽4m，防渗墙中心线位于坝体中心线上游侧1.2m 处，总长220m。

2.2.2 防渗墙高度

（1）墙底高程

拟定防渗墙墙底嵌入坝基强风化片麻岩1m，即防渗墙墙底高程为71.42～74.20m。

（2）墙顶高程

本工程正常运用条件下的设计洪水位为79.57m，非常运用条件下的校核洪水位为80.32m，坝顶路面高程81.00m。根据规范要求，防渗墙设计墙顶高程应高出设计洪水位不小于0.3m，且不低于校核洪水位。同时，墙顶附近的混凝土浇筑过程中与泥浆接触，易存在混浆层造成墙体质量较差，需在成墙后挖除设计墙顶高程以上不小于0.5m 范围的墙体。经综合分析，确定防渗墙墙顶终浇高程为80.85m。

2.2.3 防渗墙厚度

防渗墙厚度应根据墙体材料的抗渗性、耐久性，并结合工程地质、机械设备和施工情况综合确定，参考《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中式

6.6.4 进行计算。

式中：D—墙体厚度，m；

△H—上下游水头差，取校核洪水位至下游坝脚排水沟底高度，为5.84m；

J允—墙体材料的允许渗透比降，塑性混凝土防渗墙为70。

经计算，塑性混凝土防渗墙所需计算厚度为0.08m，综合周边已建工程确定厚度为0.35m。

3 坝体渗流稳定计算

3.1 计算工况

3.1.1 正常运用工况

工况①：坝前为兴利水位77.50m，坝后无水。

工况②：坝前为设计洪水位79.57m，坝后无水。

3.1.2 非常运用工况

工况③：坝前为校核洪水位80.32m，坝后无水。

工况④：坝前为校核洪水位80.32m 降落至兴利水位77.50m，坝后无水。

3.2 计算方法和计算参数的选择

大坝采取防渗措施后的坝体渗流稳定分析，采用理正岩土软件渗流分析模块进行计算。塑性混凝土防渗墙的渗透系数取1×10-7cm/s，坝体和坝基相关系数均采用地质勘察报告中的数值。

3.3 计算结果

经计算，在以上工况下下游坝坡最大渗透出逸比降0.29，下游地面最大渗透出逸比降0.28，均小于坝体土料允许渗透坡降0.50，加固后下游坝坡及坝脚地面处均满足渗透稳定要求，渗流稳定计算结果见表1。

表1 采取防渗墙后下游坝坡、坝基最大出逸比降表

4 坝坡抗滑稳定计算

4.1.计算工况

计算工况除考虑前述渗流稳定计算中4 个工况外，还需增加工况⑤非常运用II-地震工况（坝前水位为兴利水位77.5m，遭遇地震，坝后无水）。

4.2 计算方法和计算参数的选择

大坝采取防渗措施后的坝坡抗滑稳定分析计算采用简化毕肖普法，各工况均采用有效应力法计算，其中工况④水位骤降期同时采用总应力法计算。计算程序采用理正岩土软件边坡稳定分析模块，坝体及坝基物理力学指标采用地质勘察报告中的数值。

4.3 计算结果

经计算，在以上工况下加固后的上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均大于规范规定的最小安全系数，坝坡稳定满足规范要求。坝坡抗滑稳定计算结果见表2。

表2 采取防渗墙后大坝上、下游坝坡稳定计算成果表

5 防渗墙墙体主要设计指标

墙体材料：塑性混凝土，级配骨料，胶凝材料总质量大于240kg/m3。

混凝土密度：2300kg/m3。

抗压强度：28d 龄期单轴无侧限抗压强度3～5MPa。

抗拉强度：大于0.3MPa。

弹性模量：300MPa ≤E ≤1000MPa。

允许渗透坡降：70。

渗透系数：K ≤1×10-7cm/s。

混凝土入孔坍落度应为180～220mm，扩散度340～400mm，塌落度保持150mm 以上时间不小于1h；初凝时间不小于6h，终凝时间不大于24h。

6 塑性混凝土防渗墙施工技术要求

6.1 导墙施工

开挖前应修建导墙防止槽口垮塌，沿防渗墙纵轴线布置，对称分布。导墙采用C25 钢筋混凝土结构，内侧净间距不小于550mm。

6.2 槽段划分

以防渗墙为基准，槽段划分为I、II 两序，每序槽段长度均为6m，奇数槽段为I 序槽，偶数槽段为II 序槽。I 序槽先行施工，完成后II 序槽方可施工，最后再进行I 序槽的清槽换浆。

6.3 成槽施工

结合防渗墙墙厚和地层情况，采用薄型液压抓斗抓取法成槽施工。施工按照先抓取两侧2.5m 的主孔，再抓取中间1.0m 的副孔的“三抓成槽”施工工艺。

6.4 泥浆固壁

为防止槽壁坍塌，采用膨润土拌制的泥浆固壁，并根据设计要求和施工材料、条件等进行试验确定泥浆配合比。在坝体东端荒地处侧设置制浆站，泥浆通过管道泵送入槽。制浆站主要由制浆池、供浆池、废浆池和材料仓库等组成。膨润土泥浆应采用高速搅拌机拌制，浆池内泥浆应经常搅动以保持泥浆性能指标一致。

6.5 浇筑成墙

塑性混凝土应具有良好的施工性能，槽孔内混凝土浇筑应不间歇、连续进行，泥浆下成墙采用直升导管法，导管内径不应小于混凝土骨料最大粒径6 倍。开浇前，导管内应放入可浮起的隔离球塞；开浇时，先注入少量水泥砂浆，随即注入足够的混凝土，挤出球塞并埋住导管底端。导管应从其控制范围的最低处开始浇筑，混凝土面上升速度应大于2m/h。当混凝土顶面接近设计墙顶高程时，采用泥浆泵抽出浓浆，导管埋深可适当减小，但应大于1m。防渗墙墙体应均匀完整，不应有混浆、夹泥、断墙、孔洞等。

6.6 墙段连接

墙段连接采用接头管法。接头管应能承受最大的混凝土压力和起拔力，管表面应平滑、无其他结构，管段连接应稳固可靠。接头管起拔应在混凝土浇筑完后、混凝土具有一定强度后分时分段拔出，具体起拔时间根据混凝土初凝、气温、接头管埋深等因素通过试验确定，拔出过程中应防止槽口坍塌，并及时向接头孔内充填泥浆。

6.7 墙体质量检查

墙体质量检查应在成墙后28d 后进行，检查内容为墙体物理力学性能指标、是否达到设计深度、有无短墙断墙、墙段接缝和可能存在的缺陷等，一般采用钻孔取芯法、超声波法和弹性波透射层析成像法等对墙体质量进行综合评价。

7 结语

塑性混凝土防渗墙防渗技术在枣庄市东北村水库除险加固工程中应用后，下游坝脚渗水量明显减少，蓄水灌溉效益明显。本文通过对塑性混凝土防渗墙设计关键点和施工重点技术要求的研究，进一步优化其设计、施工方案，为今后类似工程提供借鉴和学习。随着坝体防渗技术的不断发展和施工工艺、机械的不断创新，塑性混凝土防渗墙的使用将更加广泛■