水库主坝混凝土防渗墙加固设计分析

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【摘 要】水库土坝在我国普遍存在，但部分由于填筑质量差，抗渗坡降低，坝后发生大面积散浸、管涌、流土等渗透破坏现象，加之管理放松，因此垮坝事件时有发生，如何有效解决水库土坝的防渗问题成为当务之急。文章结合工程实际情况， 简要介绍了坝体混凝土防渗墙坝基帷幕灌浆处理方案的设计要点， 以及施工要求。

【关键词】混凝土；防渗墙；帷幕灌浆；设计

1工程概况

该水库是一座以灌溉为主，防洪、供水兼顾发电、养殖等综合利用效益的水利枢纽工程。水库于1958 年9 月动工兴建， 1965年8月建成并投入运行。水库坝址以上集水面积为426.8 km2， 水库总库容41.24 亿m3， 有效库容21.35 亿m3。主坝为均质土坝， 坝顶长330 m，最大坝高51.5m。

2 防渗加固的必要性

该水库建成投入运行至今47年，根据地质勘察成果及大坝现状安全复核结论， 存在的主要问题如下：

（1） 水库右侧坝体的填土渗透系数（215～4151）×10-4 cm/s，不满足现行规范规定均质土坝坝体填土渗透系数

（2） 设计、校核洪水位工况下，坝体浸润线在下游坡面有出逸点； 正常蓄水位工况坝体填土的最大渗透比降大于允许出逸比降，渗流不稳定；

（3） 坝体填筑土压实度≤91.3%，不满足现行规范规定均质土坝坝体填土压实度不小于96% 要求，在设计、校核洪水位工况下，下游坝坡抗滑稳定安全系数分别为1.11和1.08，小于现行规范要求的1.35 和1.25， 安全要求不满足。

鉴于本水库主坝存在以上问题，应对大坝进行彻底地防渗加固以消除安全隐患，确保大坝的安全运行。

3 防渗加固方案拟定

由于该水库主坝坝体、坝基存在渗流安全隐患，高水位时渗漏较严重，渗流亦不稳定，下游坝坡抗滑稳定不满足现行规范的安全要求。当前我国土石坝防渗加固的主要方法为高压喷射灌浆、帷幕灌浆以及混凝土防渗墙。

高压喷射灌浆为高压喷射水泥浆形成圆柱状或薄板状彼此联接形成帷幕达到防渗的目的。具有施工简单，速度快的特点，但由于施工中钻孔孔斜控制难度较大，容易造成“开裤衩”的问题。因此，当防渗墙体深度大于30m 时，不宜推荐。帷幕灌浆是在高压力作用下将水泥浆液灌注至岩土体的孔隙中形成防渗帷幕，是解决岩石渗漏的唯一方法， 但对于土体由于可灌性差，帷幕灌浆防渗效果不显著。混凝土防渗墙通过造成完整的槽孔，在泥浆下浇筑混凝土并且接头可靠， 可以在土体以及覆盖层中建成完整的地下连续墙，防渗效果优。

基于以上各加固方法的特点以及使用条件，考虑水库主坝为均质土坝， 坝体较高， 加固后最大坝高为52.2 m，以及主坝在整个工程的重要性。拟从安全可靠、施工方便等角度出发对主坝进行防渗加固， 对坝体采用混凝土防渗墙进行防渗，坝基则采用帷幕灌浆。

4 混凝土防渗墙设计

4.1 防渗墙范围及底线确定

根据规范规定[1] ，混凝土防渗墙沿主坝加固后的坝轴线布置， 下限线穿过坝基覆盖层， 并嵌入基岩0.5～1.0；顶高程与坝顶新建钢筋混凝土防浪墙底连接。防渗墙长327m，最大墙深53m。

4.2 防渗墙墙体材料的选择

为确保防渗墙的安全，必须根据其工作条件进行结构分析确定。该水库主坝为均质土坝，其上部压重很小，而静水压力起主要作用， 墙体受力为弯曲作用，将产生拉应力。根据对墙体内力分析研究中发现， 当墙体材料的弹性模量降低到1000 MPa以下时，已经和周围介质（坝体或地基土） 的弹性模量接近，此时墙体适应变形能力大为提高， 墙体的内力大为降低，特别是在一般情况下墙内不产生拉应力， 因而大大降低墙体因拉应力太大而开裂破坏。塑性混凝土具有初始弹性模量低，极限变形大，渗透系数低的特点，能适应较大的变形， 有利于改善防渗墙体的应力状态。所以本次加固设计防渗墙的墙体采用塑性混凝土，其抗压强度R 28= 2～4MPa，弹性模量≤1000MPa。

4.3 防渗墙厚度确定

按常规经验， 防渗墙设计中的防渗墙厚度是根据防渗墙破坏时的渗透比降来确定，即塑性混凝土防渗墙的厚度按下式计算：

式中： d—防渗墙厚度，m；

h—墙体最大作用水头；

[J]—墙体允许渗透比降，塑性混凝土[J]= 50～60。

经计算， 墙厚d= 0.72 m可满足要求，但考虑坝基帷幕灌浆需在墙体内预埋管的施工要求以及施工工艺等，参照国内已建工程经验， 防渗墙厚度采用0.8 m。

4.4 塑性混凝土主要技术指标及配合比设计

塑性混凝土主要技术指标： 抗压强度R 28= 2～4MPa，弹性模量≤1000 MPa，渗透系数K

塑性混凝土的配合比与常规混凝土的配合比之间存在较大差异。因此， 设计过程中应根据已建工程中塑性混凝土防渗墙的配合比经验， 结合本工程坝体岩土体的性质以及混凝土防渗墙墙体的受力情况， 初步拟定塑性混凝土防渗墙的配合比，最终通过工程的生产性试验确定。本工程塑性混凝土防渗墙的混凝土参考配合比如下表1。

表1 塑性混凝土参考配合比表

5 施工要求

在施工上，应针对塑性混凝土防渗墙墙体自身的特点，采取一些专门控制措施，并进行严谨的施工和有效的质量监控，以确保施工质量。

（1） 造孔： 根据我国现行的施工设备以及施工工艺，宜选择具有自我纠偏功能的液压抓斗设备抓挖成槽， 以确保槽孔的孔位偏差不大于3cm，孔斜率不大于0.4% ； 一二期槽孔接头套接孔的二次孔位中心在任一深度的偏差值不大于设计墙厚的1/3；

（2） 清孔： 采用经膨化的优质泥浆换浆，直至孔内淤积不再增加， 换浆结束后1h， 孔底淤积不超过10 cm，如采用粘土泥浆，孔内泥浆密度不大于1.3g/cm3， 粘度不大于30 s，含沙量不大于10%；如采用膨润土泥浆， 泥浆密度一般不大于1.2g/cm3，粘度不大于45s，含沙量不大于5%。同时一二期槽孔接头孔壁须采用钢丝刷刷洗干净，接合面检测不带泥；

（3） 混凝土拌制： 将粘土加入专用水池中， 进行充分搅拌并配制成一定浓度浆液， 然后加入砂石骨料和水泥进行拌合；

（4） 浇筑： 清孔结束后， 4h内应开盘浇筑。拌制足量混凝土， 连续浇筑混凝土面上升速度应控制在2～6m/h范围内， 并注意控制导管间平衡下料，保持混凝土面左右高差不超过50cm。

6 结语

该水库主坝为均质土坝， 最大坝高达52.2m，坝体为含碎石粉质粘土， 坝基为砂岩夹泥页岩，地质条件复杂。设计通过比较论证， 确定采用塑性混凝土防渗墙进行防渗加固。在坝高53m 地质条件复杂的土石坝中修建厚0.8m，高50多m的塑性混凝土防渗墙。选择国内具有丰富的防渗墙施工经验的队伍施工，同时加强施工过程监控， 通过生产性试验选定适宜本工程的各有关施工技术参数，并严把质量关是工程成败的关键。

参考文献：

[1]SL274- 2001， 碾压式土石坝设计规划[S]

[2]牛志丰，姬志军，莫振伟，小南海水库塑性混凝土防渗墙的设计[J].河南水利与南水北调，2010（11）.

[3]邹继佳，王红丽.塑性混凝土防渗墙技术在小城水库除险加固中的应用[J].民营科技，2010（11）.