陳 燦

（永州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 永州 425000）

0 前 言

我國(guó)現(xiàn)存大量中小型水庫(kù)工程修建于20世紀(jì)50～70年代，大部分水庫(kù)大壩為土石壩。受當(dāng)時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、技術(shù)條件的限制，工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、大壩填筑施工質(zhì)量差、滲透系數(shù)大，導(dǎo)致部分大壩出現(xiàn)大面積散浸、流土、管涌等滲漏及滲透破壞現(xiàn)象；加上普遍存在“重建輕管”現(xiàn)象，導(dǎo)致個(gè)別垮壩事件偶有發(fā)生。因此，如何更有效地解決已建水庫(kù)土石壩的滲漏及滲透破壞問(wèn)題，成為了一個(gè)亟待解決的重要課題。塑性混凝土防滲墻因適應(yīng)性強(qiáng)、防滲效果可靠、施工進(jìn)度快、運(yùn)行監(jiān)測(cè)方便等優(yōu)點(diǎn)，在水庫(kù)大壩防滲除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中被廣泛采用。

1 工程概況

半山水庫(kù)位于湖南省寧遠(yuǎn)縣南部灣井鎮(zhèn)半山村境內(nèi)瀟水三級(jí)支流黃花源河上的半山峽谷中，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電及養(yǎng)殖等綜合利用的中型水利工程。工程總庫(kù)容為1 200萬(wàn)m3，裝機(jī)容量為750 kW，半山水庫(kù)工程等別為Ⅲ等，擋水建筑物級(jí)別為3級(jí)。壩址以上控制流域面積為28.54 km2，干流長(zhǎng)度為13.55 km，干流平均坡降39.45‰。該工程于1959年動(dòng)工興建，1975年建成。水電樞紐工程主要包括大壩、溢洪道、輸水建筑物、壩后廠房等。大壩為黏土斜心墻壩，最大壩高為49.2 m，壩頂軸線長(zhǎng)133 m，壩頂寬4.85 m。

2 水庫(kù)滲漏情況

水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)存在下列問(wèn)題：①壩基漏水嚴(yán)重，下游常年水流不斷，平均滲流量約6L／s，最大滲流量達(dá)15L／s（如1998年5月20日、2007年6月10日），且出水點(diǎn)有黏土泥質(zhì)物沉淀；②大壩左側(cè)下游坡359.1～376.5 m高程范圍內(nèi)散浸現(xiàn)象十分嚴(yán)重，水庫(kù)滿蓄時(shí)散浸面積達(dá)690 m2，壩坡水草茂盛；③大壩左側(cè)364 m高程處存在漏水點(diǎn)，漏水點(diǎn)四周塌陷，水庫(kù)滿蓄時(shí)出水量約1.5 L／s。

壩基和壩體存在滲漏的主要原因?yàn)椋簤位謇聿粡氐?，且建壩時(shí)未對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行帷幕灌漿處理，壩基接觸面下部基巖表層因巖體風(fēng)化和動(dòng)水侵蝕作用，形成了一個(gè)松散結(jié)構(gòu)帶，是壩基漏水的主要通道。右壩端F4順河向斷層破碎帶及影響帶寬20～30 m，結(jié)構(gòu)松散，膠結(jié)差。該工程屬“三邊”工程，技術(shù)落后，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，施工質(zhì)量差，大壩填筑的密實(shí)性和均一性均較差，防滲斜心墻抗?jié)B性不滿足要求。

該水庫(kù)自蓄水運(yùn)行以來(lái)，一直“帶病”運(yùn)行，不能正常蓄水。這不但嚴(yán)重影響工程的安全，而且影響了工程的灌溉、發(fā)電、防洪等效益，所以對(duì)其進(jìn)行除險(xiǎn)加固十分必要。

3 防滲加固方案選擇

針對(duì)水庫(kù)大壩存在的滲漏問(wèn)題，對(duì)大壩壩體和壩基滲漏處理做了3個(gè)防滲處理方案并進(jìn)行比選：方案1是在二級(jí)平臺(tái)上鋪設(shè)“復(fù)合土工膜+高噴灌漿+帷幕灌漿”；方案2是在一級(jí)平臺(tái)上鋪設(shè)“復(fù)合土工膜+混凝土防滲墻+帷幕灌漿”；方案3是在壩頂軸線處設(shè)“混凝土防滲墻+帷幕灌漿”。其中方案1投資較小，但防滲整體性差，防滲效果較差；方案2一級(jí)平臺(tái)馬道寬，滿足施工要求，防滲墻整體性好，施工質(zhì)量有保障，防滲效果好，投資處于方案1與方案3之間；方案3壩頂較窄，不滿足施工對(duì)平臺(tái)寬度的要求，需降低壩頂1.0 m，投資較大。經(jīng)比選，方案2較優(yōu)，選擇此方案作為設(shè)計(jì)推薦方案，方案2示意見(jiàn)圖1。

圖1 大壩加固設(shè)計(jì)橫斷面（單位：cm）

4 混凝土防滲墻設(shè)計(jì)

4.1 防滲墻布置

大壩上游側(cè)一級(jí)平臺(tái)寬11 m，滿足混凝土防滲墻施工布置要求，因此，混凝土防滲墻軸線平行壩軸線方向，布置在大壩上游側(cè)一級(jí)平臺(tái)內(nèi)側(cè)，防滲墻澆筑范圍為樁號(hào)0+025 m～0+153.5 m，最大孔深為45.6 m，墻底伸入建基面以下1.0 m，混凝土防滲墻下接帷幕灌漿，與壩基、壩肩帷幕灌漿連成連續(xù)、封閉的防滲體體系。

4.2 防滲墻材料的選擇

防滲墻材料一般分為剛性材料和柔性材料兩大類(lèi)，具體而言有以下幾種。

（1）純混凝土。純混凝土防滲墻在發(fā)展初期多被采用，其抗拉強(qiáng)度高，滲透性能小。在水下澆筑混凝土，要求有較大的流動(dòng)性，坍落度一般在12～20 cm。這種防滲墻水泥用量大，一般采用C20混凝土，抗?jié)B標(biāo)號(hào)W6，允許水力梯度為80～100。

（2）鋼筋混凝土。當(dāng)防滲墻嵌入基巖內(nèi)時(shí)，其水平變位比較大，墻內(nèi)拉應(yīng)力也大，純混凝土一般難以承受較大的變位，需要靠鋼筋承受拉力，這種情況下可采用鋼筋混凝土防滲墻。

（3）塑性混凝土。防滲墻嵌入基巖內(nèi)時(shí)與地基聯(lián)合受力。由于地基覆蓋層是松散的砂礫石，在水庫(kù)蓄水后會(huì)產(chǎn)生較大的變形，剛度較大的混凝土防滲墻不可能抵抗這種變形，容易產(chǎn)生裂縫。為防止裂縫，可采用塑性混凝土防滲墻，即在混凝土內(nèi)摻入不超過(guò)30%的黏土，以降低混凝土的變形模量。降低彈性模量后，使之與地基彈模相接近，以提高墻的抗拉強(qiáng)度，適應(yīng)地基較大變形。

本工程在壩底和基巖面接觸處為強(qiáng)風(fēng)化灰白色、黃褐色、紫紅色的砂巖夾薄層粉砂巖碎塊及未清除的砂、卵礫石，為確保大壩防滲加固的效果，防滲墻須嵌入基巖內(nèi)。經(jīng)分析比選，確定本工程防滲墻材料采用塑性混凝土。

4.3 防滲墻厚度的確定

混凝土防滲墻厚度的選擇，主要根據(jù)下列條件確定：①滿足滲透穩(wěn)定條件的要求；②滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)力要求；③考慮施工機(jī)械條件；④抗?jié)B穩(wěn)定決定于水力梯度，水力梯度隨抗?jié)B標(biāo)號(hào)的提高而增強(qiáng)。一般根據(jù)最大水頭和允許水力梯度，確定防滲墻的厚度。本工程大壩最大設(shè)計(jì)水頭為49.09 m，經(jīng)計(jì)算防滲墻厚度可取0.6 m，此時(shí)防滲墻運(yùn)行滲透坡降為80.15，滿足要求。防滲墻截面應(yīng)力計(jì)算成果表明，本工程防滲墻最大壓應(yīng)力為4.1 N／mm2，最大拉應(yīng)力為0.32 N／mm2，均小于允許應(yīng)力值，表明墻體厚度選擇是合適的。

4.4 防滲墻設(shè)計(jì)指標(biāo)擬定

經(jīng)初步計(jì)算及工程類(lèi)比，確定本工程防滲墻主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：抗壓強(qiáng)度范圍4.0 MPa≤R28≤5.0 MPa（模強(qiáng)比150～500），抗折強(qiáng)度大于1.5 MPa。彈性模量在600～1 000 MPa間，滲透系數(shù)不大于1×10-7cm／s，允許比降為80～100。水泥采用普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為42.5，混凝土墻體材料入孔坍落度取18～22 cm，擴(kuò)散度34～40 cm，坍落度保持15 cm以上時(shí)間不小于1 h，初凝時(shí)間不小于6 h，終凝時(shí)間不大于24 h，密度不小于2 100 kg／m3。塑性混凝土的膠凝材料總用量不小于240 kg／m3，其中水泥用量不宜少于80 kg／m3，膨潤(rùn)土用量不宜少于40 kg／m3，水泥與膨潤(rùn)土的合計(jì)用量不宜少于160 kg／m3，砂率不宜小于45%。由此，塑性混凝土采用一級(jí)配骨料。

5 混凝土防滲墻施工工藝與方法

5.1 防滲墻槽段劃分及槽段連接

混凝土防滲墻槽段之間的連接部位是防滲墻的薄弱環(huán)節(jié)，是影響防滲質(zhì)量的關(guān)鍵部位，也是防滲墻施工技術(shù)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。工程實(shí)踐證明，槽段間接縫質(zhì)量不良已成為大壩混凝土防滲墻防滲加固中的重大滲漏隱患之一，因此，在防滲墻施工中必須保證接縫質(zhì)量。劃分槽段越長(zhǎng)，槽段數(shù)越少，套接接縫越少，墻體防滲性能越好。目前，槽段間連接的方法有套接法或搭接法、接頭拔管法。

（1）套接法或搭接法。在一序槽孔混凝土澆筑達(dá)到一定強(qiáng)度后，將一序槽段兩端分別挖去1／3以上，再澆二序孔混凝土，這種方式連接較好，但工效低，造價(jià)高。

（2）接頭拔管法。在槽孔兩端先立兩根鋼管當(dāng)做模板，在澆筑混凝土過(guò)程中，當(dāng)每一高程初凝后，即可用油壓千斤頂逐步向上拔管，在混凝土板墻兩端留下半圓形凹槽，以便與二序孔混凝土能較好連接。此法工效高，質(zhì)量好。

根據(jù)本工程施工進(jìn)度安排、混凝土澆注能力及施工特點(diǎn)，按兩序槽段分序施工法劃分槽段。壩體混凝土防滲墻共劃分22個(gè)槽段，槽段長(zhǎng)度6.0 m，其中單號(hào)為Ⅰ序槽段，計(jì)11個(gè)，雙號(hào)為Ⅱ序槽段，計(jì)11個(gè)。先施工Ⅰ序槽段，再施工Ⅱ序槽段。混凝土板墻間采用鋼管接頭拔管法，槽段劃分及接縫處理見(jiàn)圖2。

圖2 混凝土防滲墻槽段劃分平面示意

5.2 防滲墻槽施工工藝和方法

混凝土防滲墻主要施工步驟為：軸線定位放樣—修筑施工平臺(tái)—修建導(dǎo)墻—抓斗機(jī)就位—槽孔施工—槽孔驗(yàn)收—清孔驗(yàn)孔—預(yù)埋灌漿鋼管—下混凝土導(dǎo)管—混凝土澆筑。各主要步驟的施工工藝分析如下。

（1）軸線定位放樣。按設(shè)計(jì)圖提供的防滲墻軸線控制坐標(biāo)，將混凝土防滲墻軸線從圖上放樣到實(shí)地壩體上，并根據(jù)槽段劃分圖及槽段尺寸、槽段分序編號(hào)，在施工現(xiàn)場(chǎng)（壩體上）分段分序標(biāo)出。

（2）施工平臺(tái)及導(dǎo)墻修筑。抓斗機(jī)移動(dòng)、車(chē)輛行走、重型設(shè)備行走、出渣、漿液排出等均需要一個(gè)合適的工作平臺(tái)。平臺(tái)需堅(jiān)固、平整，滿足施工設(shè)備作業(yè)要求，且應(yīng)高于施工期最高地下水位2.0 m以上。在設(shè)備進(jìn)場(chǎng)前，施工平臺(tái)應(yīng)先修筑完成。本工程壩頂寬4.85 m，內(nèi)坡一級(jí)平臺(tái)寬11 m，施工平臺(tái)要求工作面寬不小于8 m，滿足施工要求。

為滿足抓斗成槽機(jī)施工（移動(dòng)、成槽等）的需要，防止施工過(guò)程中槽口坍方，在混凝土防滲頂部修建施工用的導(dǎo)墻，導(dǎo)墻中心線與防滲墻中心線重合，內(nèi)側(cè)凈距0.8 m，導(dǎo)墻為倒“L”型斷面，采用C20現(xiàn)澆鋼筋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)墻高度1.2 m，厚0.6 m，頂部高程382.60 m，比工作平臺(tái)地面高出0.2 m，防止廢水、廢漿、廢渣入內(nèi)。導(dǎo)墻應(yīng)建在堅(jiān)實(shí)的地基上，導(dǎo)墻外側(cè)填土應(yīng)夯實(shí)。夯實(shí)填土?xí)r，應(yīng)采取措施防止導(dǎo)墻傾覆或位移。

（3）抓取成槽。防滲墻成槽時(shí)，常使用的造孔機(jī)具是鉆機(jī)和抓斗，鉆機(jī)主要有沖擊式和回轉(zhuǎn)式兩種，也有回轉(zhuǎn)兩用的。鉆機(jī)成槽，適用復(fù)雜地質(zhì)條件的地層，在土層、砂層、卵石、礫石、塊石、漂石、軟巖及硬巖中都能使用，但是工效低，墻體整體性差，厚度不均勻。抓斗成槽適用土層和軟巖層，特別適用于在含有卵石、礫石和塊石的地層中成槽，且成槽速度快，墻體整體性好、厚度均勻，效率高，因此被廣泛應(yīng)用。根據(jù)本工程地層情況、墻體結(jié)構(gòu)型式及設(shè)備性能等特點(diǎn)，采用HS843型液壓抓斗成槽，即采用抓取法成槽，既提高成槽功效，同時(shí)也減少?zèng)_擊鉆造孔護(hù)壁泥漿溢出帶來(lái)的環(huán)境污染和泥漿損耗。

（4）槽孔驗(yàn)收。驗(yàn)收工作主要是檢驗(yàn)槽孔寬度、深度、垂直度是否達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。槽壁應(yīng)平整垂直，不應(yīng)有梅孔、小墻等?？孜辉试S偏差不大于30 mm，孔斜率成槽施工時(shí)不應(yīng)大于4‰，遇含孤石地層及基巖陡坡等特殊情況時(shí)，應(yīng)控制在6‰以內(nèi)。采用鉆劈法時(shí)，接頭套接孔的兩次孔位中心在任一深度的偏差值不應(yīng)大于設(shè)計(jì)墻厚的1／3，并應(yīng)采取相應(yīng)措施以保證設(shè)計(jì)墻厚。

（5）清孔換漿。槽孔驗(yàn)收合格后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清孔換漿處理，以避免槽內(nèi)泥漿長(zhǎng)時(shí)間靜置，引起槽壁坍塌。槽內(nèi)漿液中懸浮的鉆渣和槽底的沉渣均應(yīng)清除。二期槽孔清孔換漿結(jié)束前，應(yīng)用鋼絲刷分段刷洗槽壁上的泥皮。清孔換漿宜選用泵吸法或氣舉法，槽孔較淺時(shí)也可采用抽桶法。

（6）驗(yàn)孔。清孔換漿完成1 h后應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)：孔底淤積厚度不大于100 mm，槽內(nèi)泥漿密度不大于1.3 g／cm3，500／700 mL漏斗黏度不大于30 s。清孔換漿合格后，方可進(jìn)行下道工序。清孔合格后，應(yīng)于4 h內(nèi)開(kāi)澆混凝土。

（7）預(yù)埋灌漿鋼管。混凝土防滲墻施工完成后，再進(jìn)行壩基、壩肩帷幕灌漿，為了加快施工進(jìn)度，避免鉆孔對(duì)防滲墻可能造成破壞，在混凝土防滲墻中預(yù)埋鋼管，通過(guò)鋼管對(duì)壩基、壩肩進(jìn)行鉆孔灌漿。預(yù)埋鋼管直徑常取Φ100～114 mm，預(yù)埋鋼管底部和上端采用角鋼固定牢固，中部用鋼筋定位架定位，其中，定位架間距6～12 m，以確保鋼管在外力作用下不發(fā)生移位或變形。

（8）澆筑導(dǎo)管設(shè)置。澆筑導(dǎo)管的作用是將混凝土通過(guò)導(dǎo)管輸送至槽底，采用泥漿下直升導(dǎo)管法澆筑，自下而上置換孔內(nèi)泥漿，在漿柱壓力的作用下自行密實(shí)。槽內(nèi)混凝土的澆筑情況以及澆筑質(zhì)量，與澆筑導(dǎo)管有直接關(guān)系。導(dǎo)管內(nèi)徑不小于混凝土骨料最大粒徑的6倍，常用200～250 mm。為避免堵管，澆筑導(dǎo)管內(nèi)徑應(yīng)一致。導(dǎo)管為鋼管，管壁厚一般為3～5 mm。單個(gè)槽孔內(nèi)設(shè)置兩套以上導(dǎo)管澆筑時(shí)，導(dǎo)管中心距離不宜大于4.0 m，導(dǎo)管中心至槽孔端部或接頭管壁碳的距離宜為1.0～1.5 m。開(kāi)澆時(shí)，導(dǎo)管底口距槽孔底的距離應(yīng)控制在150～250 mm范圍內(nèi)，當(dāng)槽孔底部高差大于250 mm時(shí)，導(dǎo)管應(yīng)布置在其控制范圍的最低處，并從最低處開(kāi)始澆筑，導(dǎo)管上端高出孔口的長(zhǎng)度應(yīng)盡量減少。澆筑導(dǎo)管安裝完成后，即可進(jìn)行混凝土澆筑，并注意控制導(dǎo)管提升速度和各處高差。

6 結(jié) 語(yǔ)

半山水庫(kù)大壩經(jīng)過(guò)防滲加固之后，經(jīng)過(guò)5年汛期的嚴(yán)峻考驗(yàn)，防滲效果非常明顯：壩基滲漏消失；下游壩面干燥，無(wú)散浸面，不再生長(zhǎng)水草；水庫(kù)能正常蓄水。通過(guò)防滲處理后，水庫(kù)的安全性得到了提高，實(shí)現(xiàn)了防滲加固的預(yù)期目標(biāo)。

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，混凝土防滲墻在水庫(kù)大壩防滲加固處理中的應(yīng)用日益廣泛。近年來(lái)，防滲墻施工專用機(jī)械、設(shè)備及工具也向高科技方向發(fā)展，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，混凝土防滲墻施工技術(shù)也日趨成熟和完善，其防滲效果、經(jīng)濟(jì)效果不斷提高，這為混凝土防滲墻在水利水電工程中的應(yīng)用，特別是在除險(xiǎn)加固、壩基防滲處理等方面的應(yīng)用提供了更加有利的條件。在混凝土防滲墻的應(yīng)用中，應(yīng)確保精心設(shè)計(jì)、精心施工，重視設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中各個(gè)重要環(huán)節(jié)的質(zhì)量，對(duì)施工技術(shù)要點(diǎn)與質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)加強(qiáng)管控，按序施工，以確保工程防滲質(zhì)量。