混凝土防渗墙工艺在土石坝防渗中的应用

朱万涛

(丽水利源工程咨询有限公司，浙江 丽水 323000)

1 工程概况

赤坑水库位于浙江省丽水市莲都区老竹镇，距丽水市区约50km，处于浙江省西南部，主河道长5.8km，主河道比降85.7‰，水库总库容248.61万m3，为小(Ⅰ)型水库，水库大坝坝型为黏土心墙坝，坝高27.3m，坝顶长76.7m。

赤坑水库1965年动工，1969年竣工，1975—2015年间，经历6次维修，2016年，经专家鉴定，赤坑水库被认定为病害水库，水库大坝存在黏土心墙压实度和渗透系数不满足规范要求、坝脚渗水等问题，对水库下游乡镇造成严重威胁。经专家领导与会讨论，决定对赤坑水库进行大坝防渗处理，经反复方案比较，最终确定采用混凝土防渗墙作为本水库大坝的防渗方案。

2 地质条件

2.1 区域地质情况

2.1.1地形地貌

赤坑水库库区处于低山山腰沟谷地带，山体表部植被发育较好，以果木、杂木为主。洪-坡积层少量发育，强风化基岩部分裸露，弱风化基岩零星裸露，相对平缓的坡地、坳地为阶梯状田地，山体坡度30°～65°，覆盖残坡积含碎石黏性土，自然岩土体处于稳定状态。

2.1.2地层岩性

区内出露的地层由老到新简述如下：侏罗系上统高坞组(J3g)浅灰、青色凝灰岩；第四系地层含碎石黏性土结构；第四系静水沉积(hlQ4)淤质砂土，分布于坝体上游；坝体填筑土(meQ)，分布于坝体部位。

2.1.3地质构造

工程区位于华南褶皱系浙东南褶皱带丽水-余姚深断裂的北西侧、温州-淳安大断裂的的南西侧及松阳-平阳大断裂的北东侧。区域褶皱构造不发育，断裂构造欠发育，以东北向压性为主，其次为西北向张性断裂。库区无断裂构造。场区主要发育有少量的节理，以压扭性质为主，陡倾角，呈闭合状。

2.1.4水文地质条件

库区地貌以低山为主，坝区内不存在污染源，水流垂直补给，基岩裂隙水含水层富水性受裂隙发育程度所控制，在地形低洼处及断裂破碎处以泉流方式排泄。根据区域水文地质资料、本场区附近水质水化学分析报告，判定水库中水及地下水对混凝土无腐蚀性。

2.2 坝基工程地质条件

本次大坝勘察以地质钻探和地表调查为主，大坝的主要地层为坝体填筑料，自上而下分述含砾砂粉质黏土(砂壤土)、粉质黏土(心墙)、角砾(反滤层)、碎石夹块石(堆石体)。

大坝基础和溢流堰基础均已开挖至侏罗系上统高坞组(J3g)弱风化凝灰岩。④-3层为弱风化凝灰岩层：浅青灰色凝灰质结构，节理发育闭合，呈弱透水性。

坝基条件评价如下：①坝基处理情况：库坝心墙和溢流堰基础均已开挖至弱风化凝灰岩，岩体抗压强度较高；②水文地质评价：库坝心墙和溢流堰基础均为④-3层弱风化凝灰岩透水率为3.20～4.80Lu，属弱透水体。

2.3 坝体填筑料质量

通过野外钻探、地表调查和资料收集分析显示：大坝为黏土心墙坝，黏土心墙土质空间分布上较均质，筑坝材料为含砾砂粉质黏土，夹有部分碎砾石，筑坝材料一般，土质均匀性较好。坝体下游坡面含砾砂粉质黏土(砂壤土)和碎石夹块石(堆石体)之间以角砾填筑，为人工碎石并进行人工级配，级配较好，为坝体反滤层。

坝体填筑材为：①-1层土料为含砾砂粉质黏土：呈现橘黄色，稍有光泽，稍湿可塑，土料中砾含量约占15%，砂含量约占25%，粉粒含量约占40%，黏粒含量约占20%。已做专门的压实处理；①-2层为粉质黏土心墙：呈现黄色，稍有光泽，稍湿可塑，土料中砾石含量占5%，砂含量占20%，粉黏粒含量占75%，为坝体黏土心墙填筑材料，已作专门的压实处理。

坝体③-3层角砾(反滤层)：浅灰、灰褐色，稍密，稍湿。以砾石为主，约占70%，粗砂次之约占30%，级配较好。为坝体反滤层。

坝体③-4碎石夹块石(堆石体)：浅灰、青灰色，中密。以碎石和砾石为主，含有少量块石和黏土，为坝体的堆石体的填筑材料，粒径一般为3～9cm。最大可达20cm。局部为干砌体，以块石为主，含少量的碎石和砾石，粒径一般以8～12cm。

赤坑水库大坝地质勘察成果参数见表1。

表1 大坝工程地质参数一览表

2.4 坝基地质条件及坝体土质评价

根据SL 189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》对坝体填筑料进行评价如下。

2.4.1坝体分区及坝型判别

大坝黏土心墙填筑料为粉质黏土，较均质，为凝灰岩区域的残-坡积土开挖搬运，压实、堆填，水溶盐含量小于3%，有机质含量小于2%，材料达到规范要求，经取样实验室测试，塑性指数9.2%～13.4%，液限28.8%～35.3%，经计算平均干密度1.47g/cm3，其中最大干密度1.63g/cm3，压实度为90%。

大坝反滤层填筑料为角砾：为人工碎石，进行人工级配，级配较好，符合规范要求。

大坝堆石体为碎石夹块石。碎石夹块石：浅灰、青灰色，中密。以碎石和砾石为主，含有少量块石和黏土，为坝体的堆石体的填筑材料，粒径一般以3～9cm。最大可达20cm。局部为干砌体，以块石为主，含少量的碎石和砾石，粒径一般以8～12cm。为山体开挖之物搬运堆填，原岩体为凝灰岩。

坡面砌石为弱风化-新鲜凝灰岩，岩石的坚硬程度、抗水性和抗风化性均能满足规范要求。坡面混凝土预制薄板的坚硬程度、抗水性和抗风化性均能满足规范要求。

2.4.2坝体填筑料防渗性能评价

坝体①-1层含砾砂粉质黏土渗透系数：K=5.40×10-3～9.50×10-2cm/s，属强透水性。

坝体①-2层粉质黏土(心墙)经取样作室内试验：渗透系数K=3.42×10-5～8.14×10-5cm/s，不满足规范所要求的不大于1×10-5cm/s。

根据室内土工试验：心墙黏土的压实度为90.2%，固结快剪的抗剪强度为C=16.0～32.0kPa，φ=13.0°～24.0°。根据SL 189—2013《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》规定，大坝压实度应为0.95～0.97，黏土心墙压实度不满足规范要求。

坝体①-3层角砾(反滤层)渗透系数K=4.40×10-3～4.40×10-3cm/s，属中等等透水性。

坝体①-4层碎石夹块石(堆石体)渗透系数K=4.40×10-2～6.10×10-2cm/s，属强透水性。

2.4.3坝体水文地质评价

坝体与坝基(弱风化凝灰岩)的接触良好，接触部位未发现有明显的渗漏。

3 大坝防渗方案比选

根据地质勘察成果及室内土工试验，赤坑水库大坝心墙黏土的压实度与渗透系数均不满足规范要求。水库除险加固设计中，大坝黏土心墙防渗为工程的重中之重。根据规范以及参照以往类似工程的处理方案，土石坝常规防渗处理方案主包括复合土工膜、黏土斜墙、冲抓套井回填黏土、高压喷射灌浆、混凝土防渗墙等方案，以上各防渗方案的优缺点详见表2。

表2 大坝防渗方案比较表

赤坑水库下游紧邻乡镇，大坝安全十分重要，初步比选中分别计算了高压喷射灌浆防渗方案和混凝土防渗墙方案的投资，经进一步计算，方案6比方案5节省50万元的防渗投资，加之方案6整体性更好，防渗墙底与基岩咬合接触更好，本工程选择方案6(混凝土防渗墙方案)作为大坝防渗方案。

4 混凝土防渗墙技术要点

4.1 混凝土防渗墙设计

赤坑水库大坝防渗方案采用混凝土防渗墙形式，其设计指标如下。

(1)确定混凝土防渗墙边界范围线：根据规范要求及同类工程参考，防渗墙嵌入坝基弱风化岩以下不小于0.5m，根据安全评价及地质勘察资料，大坝坝基总体抗渗条件较好，属弱透水地层，无产生重大渗漏的可能。为了节省工程投资，本阶段设计大坝坝基不设帷幕灌浆，而考虑通过适当加深混凝土防渗墙截断坝基接触渗漏通道，孔底深入弱风化岩2.0m。

(2)确定混凝土防渗墙厚度：以临界水力坡降破坏理论计算墙体厚度，既采用最大上下游水头差(取35m)与渗透破坏坡允许值(取300)相除，再乘以安全系数(取5)，计算防厚度为0.6m，结合同类工程经验，并考虑一定的强度，最终大坝混凝土防渗墙墙体厚度的确采用0.80m。

(3)确定防渗墙技术参数：根据浙江省已实施同类工程经验，低弹模混凝土耐久性不理想，防渗性能一般，故从耐久性和防渗性考虑，本阶段设计采用普通C15混凝土作为墙体材料。混凝土防渗墙设计指标为：墙体厚度0.8m，混凝土标号采用C15，混凝土的抗冻等级采用F50，抗渗等级采用W8，水泥强度等级不得低于32.5，骨料最大粒径不大于混凝土导管直径的1/6，采用一级配。

混凝土防渗墙成槽施工采用两钻一抓施工，每段槽长8m，槽段连接采用钻凿法，泥浆护壁，槽孔内采用泥浆平压，可保持槽空稳定。混凝土防渗墙纵断面如图1所示。

图1 混凝土防渗墙设计图

4.2 混凝土防渗墙施工

混凝土防渗墙主要施工流程为：坝顶开挖施工至高程233.00m→利用开挖土料培厚背水坡至高程233.00m→形成宽约13m的施工平台→混凝土防渗墙施工→混凝土岸墙施工→混凝土头墙施工→坝顶石渣填筑施工。

(1)施工场区布置：施工平台布置在坝顶上，坝顶长76.7m，施工平台及导墙采用钢筋混凝土型式，导墙采用矩形断面。由于该工艺需约13m宽的施工平台，故开挖坝顶至高程233.00m。防渗墙施工平台以上回填石渣，相对密度不小于0.75，导墙施工采用开挖后立模浇筑。

(2)成槽施工：单段槽段长为8m，共设9个槽段，在每一个槽段内均设有置主副孔。针对本工程地质特点和槽深分布情况，本工程采用两钻一抓施工方法，即用回旋钻机钻凿主孔，泥浆固壁，而用抓斗抓去副孔中的土体。

(3)泥浆护壁：为防塌孔，采用泥浆护壁，泥浆循环系统由制浆、储浆、振动过滤、供浆4部分组成。制浆、储浆和过滤系统布置在大坝左侧的平缓地带，通过泥浆供排循环完成泥浆护壁。

(4)混凝土浇筑：采用直升导管法，导管为厚壁管管，混凝土拌和机拌制，经泵送混凝土直接送至孔口，使混凝土进入槽孔内混凝土面底部。

(5)坝下涵管的处理：水库原坝下涵管中心线位于大坝桩号0+025.5处，为DN800mm钢筋混凝土管，原坝下涵管于2004年采用C20泵送混凝土封堵，本次混凝土防渗墙施工直接采用回旋钻机钻穿坝下涵管，并深入弱风化基岩2m，浇筑混凝土防渗墙，彻底阶段该部位可能存在的渗漏通道。

4.3 质量控制

在混凝土防渗墙施工过程中，对水泥、浆液以及各道施工工序进行实时动态监控，严格控制混凝土防渗墙的施工质量，其相关技术参数严格按照设计文件执行，施工过程中，如发现不合格需立即停工返修处理，施工过程中，除了对混凝土防渗墙严格检查外，也需确保两侧岸墙施工质量，使防渗墙嵌入两岸及坝基，形成有效的防渗整体。

5 结语

水利水电工程作为重要的国计民生项目，其具有规模大、投资高、影响重等特点，土石坝渗流机理复杂，难以精确建模计算，选择合适的大坝防渗方案，是关乎水库大坝安全的重要课题。混凝土防渗墙工艺有着技术成熟、成墙质量可靠、防渗效果良好等优点，可适用于各类土层，已有众多成功案例，是十分理想的土石坝防渗处理技术。