黃有文

(廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣州 510635)

1 工程概況

西坑水庫位于廣東省佛山市高明區(qū)，主要建筑物有土壩、溢洪道、輸水涵管，是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、備用水源等綜合利用的中型水庫。水庫大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程為113.80 m，防浪墻頂高程為114.20 m，最大壩高為29.50 m，壩頂長度為225 m。

根據(jù)現(xiàn)場檢查及檢測，土壩背水坡在相對高水位運(yùn)行時(shí)，一級(jí)馬道和二級(jí)馬道之間存在“牛皮脹”現(xiàn)象。據(jù)管理人員反應(yīng)，土壩的“牛皮脹”現(xiàn)象存在已久。水庫于1967年竣工，根據(jù)歷史資料查看，分別在2004年、2009年對土壩的滲流問題采取過處理措施，均未得到有效解決。

針對“牛皮脹”現(xiàn)象，探測及使用高密度電法儀、表面波地震儀以及探地雷達(dá)等檢測手段對土壩的滲漏問題進(jìn)行了分析。

① 高密度電法儀檢測顯示：壩體電阻率反演整體呈層性，從壩頂?shù)綁位娮杪室来蜗陆?；在一二?jí)馬道之間浸潤線貼近坡面，在二級(jí)馬道以上14 m范圍內(nèi)存在有多處可能溢出點(diǎn)。

② 表面波地震儀探測分析：壩體的波速剖面形態(tài)分布波速值在70～380 m/s之間，說明壩體填筑質(zhì)量整體較差，在大壩背水坡一級(jí)和二級(jí)馬道之間中部以及靠右側(cè)局部區(qū)域存在填土不密實(shí)情況。

③ 探地雷達(dá)檢測表明：距大壩右壩肩0～35 m，55～85 m和93～122 m范圍內(nèi)，同相軸中斷，回波較弱，該部分壩體均勻性差，土體不密實(shí)；距右壩肩140～183 m范圍內(nèi)同相軸中斷，回波破碎，該部分壩體填筑質(zhì)量差。

上述檢測結(jié)果在一定程度上說明西坑水庫土壩壩體填土填筑質(zhì)量相對較差，結(jié)合勘察注水試驗(yàn)結(jié)果，大壩背水坡存在透水性為中等透水的部位，且壩體填土壓實(shí)度為81.57%。分析認(rèn)為填土填筑質(zhì)量差是產(chǎn)生“牛皮脹”現(xiàn)象的主要原因。

2 防滲設(shè)計(jì)

2.1 方案比選

土壩防滲加固技術(shù)應(yīng)根據(jù)水利工程的實(shí)際情況選擇，并嚴(yán)格按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)施[1]。本次防滲設(shè)計(jì)擬對充填灌漿、塑性混凝土防滲墻、高壓噴射灌漿以及黏土防滲斜墻四種方案進(jìn)行比選，分別從四種防滲措施的工程效果和施工難易程度等因素進(jìn)行綜合分析，防滲方案對比分析見表1所示。

表1 壩體防滲方案分析

高壓噴射灌漿防滲體的整體性能上不如混凝土防滲墻，且不能入巖，耐久性差，防滲體容易分叉。高壓噴射灌漿方案最大孔深為35.0 m，即使采用先進(jìn)鉆機(jī)，也難以保證偏斜率小于1.2%，此時(shí)，兩孔偏差就有可能達(dá)到0.84 m以上，防滲墻下部可能搭接不上。黏土斜墻方案需要大量黏土，土料場距離遠(yuǎn)大于10 km，實(shí)施起來不夠經(jīng)濟(jì)[2]。充填灌漿成本相對較低，但效果往往不理想。經(jīng)綜合分析，本次擬采用塑性混凝土防滲墻對原壩體進(jìn)行防滲處理。

2.2 塑性混凝土防滲墻設(shè)計(jì)

2.2.1防滲墻厚度設(shè)計(jì)

防滲墻的厚度主要由防滲要求、抗?jié)B耐久性、墻體的應(yīng)力與強(qiáng)度及施工設(shè)備等因素確定。其中，防滲墻的耐久性是指抵抗?jié)B流侵蝕和化學(xué)溶蝕的性能，這兩種破壞作用均與水力梯度有關(guān)。目前，防滲墻厚度δ主要是根據(jù)水力梯度考慮確定的，即：

(1)

(2)

式中：

JP——防滲墻的允許水力梯度；

Jmax——防滲墻破壞時(shí)的最大水力梯度；

H——防滲墻的工作水頭，m；

K——安全系數(shù)，一般采用K=3～5。

參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，我國已建大部分塑性混凝土防滲墻工程的允許水力梯度均小于60，并安全運(yùn)行。塑性混凝土防滲墻的允許水力梯度建議采用JP=50～60為宜[3]。本工程取防滲墻允許水力梯度JP=55。校核洪水位112.77 m時(shí)，模擬修建了防滲墻后的水庫，計(jì)算得出浸潤線后，水頭H=27.77 m，計(jì)算所需厚度δ=0.505 m。參考國內(nèi)已有的經(jīng)驗(yàn)為0.6～1.3 m，故本次設(shè)計(jì)取防滲墻厚度為0.6 m(計(jì)算結(jié)果見表2所示)。

表2 防滲墻厚度計(jì)算

2.2.2防滲墻設(shè)計(jì)深度

考慮到防滲墻施工時(shí)，會(huì)在孔底淤積一定的泥漿、巖石碎屑或軟土等沉渣，如果嵌入基巖太小，這些淤積物在高水頭作用下可能會(huì)失去穩(wěn)定而形成滲漏通道。參考國內(nèi)土壩防滲墻施工技術(shù)案例，一般對于表層屬于弱風(fēng)化、滲透系數(shù)小的基巖，防滲墻入巖深度一般0.5～1.0 m即可，對于強(qiáng)風(fēng)化、滲透系數(shù)較大的基巖，其入巖深度因施工難度不大可以適當(dāng)加深到1～3 m。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，西坑水庫壩基層依次為礫質(zhì)粘性土層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層、中風(fēng)化花崗巖層。其中礫質(zhì)粘性土層層厚約為3～10 m，滲透系數(shù)為5.2×10-5cm/s，滲透系數(shù)不大。本次設(shè)計(jì)防滲墻墻底嵌入礫質(zhì)粘性土層5.0 m，設(shè)計(jì)最大深度約35.0 m。

2.2.3塑性混凝土墻體材料

本工程采用工程類比法設(shè)計(jì)塑性混凝土的配合比，以節(jié)省配合比的設(shè)計(jì)工程量。查找國內(nèi)已建塑性混凝土防滲墻的工程設(shè)計(jì)資料，初步提出配合比。其要求如下：

抗壓強(qiáng)度：R28=1.0～2.5 MPa；

滲透系數(shù)：K28≤2.0×10-7cm/s；

初始模量：E28≤500 MPa；

坍落度：18～22 cm；

模強(qiáng)比：E28/R28=200～500；

擴(kuò)散度：35～45 cm。

結(jié)合《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》(SL174—2014)7.0.6規(guī)定：“塑性混凝土的膠凝材料的總量不宜少于240 kg/m3，其中水泥用量不宜少于80 kg/m3，膨潤土用量不宜少于40 kg/m3，水泥與膨潤土的合計(jì)用量不宜少于160 kg/m3，砂率不宜小于45%。”本次設(shè)計(jì)提出防滲墻塑性混凝土的配合比參考值見表3，具體數(shù)值仍需根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行確定。

表3 塑性混凝土配合比參考值

2.2.4施工平臺(tái)與導(dǎo)墻設(shè)計(jì)

防滲墻施工的施工平臺(tái)應(yīng)堅(jiān)固、平整，適合重型設(shè)備和運(yùn)輸車輛行走，寬度要滿足施工需要，其高度應(yīng)高出地下水位1.5 m以上和施工期水位，應(yīng)能順暢排出廢水、廢漿、廢渣。平臺(tái)可以布置在導(dǎo)向槽的一側(cè)或兩側(cè)，平臺(tái)寬度一般為10～15 m。本工程施工平臺(tái)頂高程高于校核洪水位0.5 m；大壩現(xiàn)有壩頂寬度僅為5.5 m，無法滿足施工要求，設(shè)計(jì)通過在背水坡回填土并加擋土墻的方式拓寬平臺(tái)寬度至12.0 m。平臺(tái)上部先鋪設(shè)15 cm厚的塊石墊層，再在其上鋪筑10 cm厚的混凝土，以便行走重型機(jī)械設(shè)備。

導(dǎo)墻也稱導(dǎo)向槽，它的主要作用：① 標(biāo)定防滲墻位置;② 加固和固定槽口;③ 防止廢泥漿、雨水和污水流入槽孔內(nèi);④ 是挖槽機(jī)械的支撐平臺(tái)。

本工程采用“[”形混凝土導(dǎo)墻，其優(yōu)點(diǎn)是易于施工，比較堅(jiān)固，質(zhì)量較易控制，既可承受較大的地面荷載，又利于土體的保護(hù)。兩導(dǎo)墻的中心線與防滲墻軸線重合，兩導(dǎo)墻內(nèi)側(cè)間距宜比防滲墻厚度大40～100 mm。

2.2.5泥漿的制備

建造槽孔時(shí)泥漿的功用是支撐孔壁，懸浮、攜帶鉆渣和冷卻鉆具。本工程采用優(yōu)質(zhì)膨潤土護(hù)壁，膨潤土采用二級(jí)鈣基膨潤土，分散劑為工業(yè)碳酸鈉。泥漿性能指標(biāo)主要考慮比重、馬氏漏斗粘度、含沙量等。設(shè)計(jì)泥漿性能指標(biāo)參數(shù)及泥漿配合比分別見表4和表5。漿液制備時(shí)應(yīng)選用潔凈的淡水，采用高速攪拌機(jī)進(jìn)行拌制，拌制方法和時(shí)間應(yīng)通過試驗(yàn)確定。應(yīng)按規(guī)定的配合比配制泥漿，各種成分的加量誤差不得大于5%。儲(chǔ)漿池內(nèi)的泥漿應(yīng)經(jīng)常攪動(dòng)，保持泥漿性能指標(biāo)均一。

表4 泥漿性能指標(biāo)參數(shù)

表5 泥漿配合比 kg

2.2.6槽孔建造設(shè)計(jì)

常用的成槽方法有鉆劈法、抓取法、鉆抓法等。抓取法是用抓斗施工，是目前國內(nèi)較新的槽孔建造方法，適用于細(xì)顆粒地層，工效高于鉆劈法和鉆抓法。本工程采用液壓抓斗進(jìn)行施工。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，抓取法施工時(shí)，主孔長度等于抓斗開度，副孔長度宜為主孔長度的1/2～2/3，有利于使抓斗施工副孔時(shí)便于切割土體，并保證槽孔的連通。設(shè)計(jì)單元槽段主副孔長度如圖1所示。

圖1 單元槽段示意

2.2.7質(zhì)量檢查與控制

防滲墻質(zhì)量檢查程序分工序質(zhì)量檢查和墻體質(zhì)量檢查。

1) 工程質(zhì)量檢查包括：終孔、清孔、接頭管(板)吊放、鋼筋籠制造及吊放、混凝土攪拌與澆筑等檢查，以及基巖巖樣與槽孔嵌入基巖深度等。

2) 墻體質(zhì)量檢查應(yīng)在成墻28 d以后進(jìn)行，檢查內(nèi)容為墻體的物理力學(xué)性能指標(biāo)、墻段接縫和可能存在的缺陷。檢查可采用鉆孔取芯、注水試驗(yàn)或其他檢測方法。對防滲墻墻體取芯后進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)所取得的成果，以及鉆孔注水試驗(yàn)的成果，是評(píng)價(jià)墻體質(zhì)量的重要依據(jù)。

3 結(jié)語

西坑水庫的塑性混凝土防滲墻施工方案已通過專家技術(shù)評(píng)審并獲得批復(fù)?，F(xiàn)階段工程尚未施工，無法補(bǔ)充說明施工后防滲效果。本文主要從設(shè)計(jì)的角度論述土壩防滲的處理措施并提供本工程的推薦方案，待施工完成后針對塑性混凝土防滲墻的施工工藝、檢測手段及效果再做進(jìn)一步論述。