塑性混凝土防滲墻在水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用

袁國(guó)培

(廣西南寧水利電力設(shè)計(jì)院 南寧 530001)

1 前言

廣西壯族自治區(qū)的水庫(kù)大壩大部分為土壩,工程多數(shù)建于二十世紀(jì)50～70年代。受當(dāng)時(shí)歷史條件、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和技術(shù)水平的限制,有些工程規(guī)劃設(shè)計(jì)不合理,大壩施工質(zhì)量差。大壩在高水位運(yùn)行時(shí),壩體出現(xiàn)裂縫,甚至潛在滑坡,致使土壩的變形穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定得不到保證。為了確保水庫(kù)的安全,水庫(kù)管理部門(mén)長(zhǎng)期采用限制水位運(yùn)行,致使水庫(kù)不能充分發(fā)揮其設(shè)計(jì)效益。

2 土壩滲漏成因分析

大壩出現(xiàn)的主要問(wèn)題是土壩的變形穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定得不到保證,通過(guò)對(duì)多座中型水庫(kù)大壩的結(jié)構(gòu)安全復(fù)核和地質(zhì)勘察成果表明,有以下共同成因:

(1)壩體填筑時(shí)碾壓不實(shí)或不碾壓,留有土體疏松帶,使壩體某些土區(qū)抗?jié)B坡降降低,壩后出現(xiàn)過(guò)剩水頭,浸蝕土體;或受白蟻掏洞等生物破壞,會(huì)在壩體內(nèi)產(chǎn)生集中滲流,形成洇濕滲流區(qū)。壩體土樣干容重偏低,壩體填筑土滲透系數(shù)偏大,未滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)壩體填土壓實(shí)度及滲透系數(shù)要求。大壩滲流穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核表明,多數(shù)大壩在設(shè)計(jì)、校核洪水情況下,浸潤(rùn)線下游壩坡逸出點(diǎn)高,滲流量大,一些大壩下游出逸滲透坡降大于土體的允許坡降,大壩穩(wěn)定安全系數(shù)未滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

(2)且大壩壩基大多數(shù)存在透水性較強(qiáng)的天然覆蓋層,未采取防滲措施,或者對(duì)強(qiáng)覆蓋層地基清理不徹底,防滲措施不完善。滲流通過(guò)壩基透水層,從下游壩腳或壩腳以下覆蓋層的薄弱部位逸出,嚴(yán)重的會(huì)造成壩后管涌、流土和沼澤化。穿壩涵管與壩體結(jié)合處,未做止水措施,施工回填土夯實(shí)質(zhì)量差,有壓水通過(guò)裂隙沿管壁薄弱部位滲出,造成滲水通道。

(3)壩基上部基巖節(jié)理裂隙發(fā)育,或存在斷層破碎帶,未按現(xiàn)行規(guī)范要求作灌漿帷幕處理,壩體和壩基未建有完整的防滲體系,使壩趾下基巖的漏水通道保留下來(lái)。對(duì)于大中型水庫(kù),蓄水運(yùn)行后,在長(zhǎng)期高水頭的壓力作用下,漏水量大增,在與大壩接觸面部位發(fā)生沖蝕破壞,危及大壩安全。

3 防滲技術(shù)方案

土壩出現(xiàn)的險(xiǎn)情主要表現(xiàn)為壩體、壩基覆蓋層及壩底和基巖接觸帶的滲透破壞及變形破壞,因此把基巖、壩基覆蓋層到壩體內(nèi)防滲體結(jié)合起來(lái),建立連續(xù)有效完整的防滲體系,控制大壩和壩基滲流穩(wěn)定是除險(xiǎn)加固的關(guān)鍵所在。多數(shù)水庫(kù)建成蓄水后,由于發(fā)電和供水需要以及放水底洞過(guò)高,不允許或不能放空水庫(kù)進(jìn)行進(jìn)行處理,因此建造垂直連續(xù)的防滲帷幕,使帷幕的厚度和密實(shí)度滿足設(shè)計(jì)提出的抗?jié)B坡降要求,是土壩防滲加固最有效方法。當(dāng)前我國(guó)建造垂直連續(xù)的防滲帷幕主要有三種工程技術(shù)措施。

(1)壩體采用劈裂灌漿技術(shù),壩基覆蓋層和基巖接觸帶采用高壓噴射灌漿技術(shù),基巖采用帷幕灌漿處理。

(2)壩體、壩基覆蓋層到基巖接觸帶采用高壓噴射灌漿技術(shù),基巖采用帷幕灌漿處理。

(3)壩體、壩基覆蓋層到基巖接觸帶采用塑性混凝土防滲墻技術(shù),基巖采用帷幕灌漿處理。

劈裂灌漿技術(shù),目前使用深度達(dá)到60m壩高;高壓噴射灌漿技術(shù),深度已達(dá)70m;塑性混凝土防滲墻技術(shù),造孔深度已達(dá)100m。劈裂灌漿技術(shù)要根據(jù)灌漿深度、次數(shù)嚴(yán)格控制灌漿壓力、灌漿量及控制壩頂?shù)呐验L(zhǎng)度和寬度,同時(shí)要嚴(yán)格控制壩體的位移和沉降量,施工要求技術(shù)含量高,需要選擇很專業(yè)化有經(jīng)驗(yàn)的施工隊(duì)伍。高壓噴射灌漿和塑性混凝土防滲墻技術(shù),施工技術(shù)要求相對(duì)簡(jiǎn)單,可選擇施工隊(duì)伍多;能一次性建造形成穿過(guò)壩體、壩基覆蓋層直達(dá)基巖接觸帶連續(xù)的防滲帷幕,與基巖界面緊密結(jié)合,建立防滲體系完整。塑性混凝土防滲墻適用高度范圍更廣,能按設(shè)計(jì)防滲要求一次性建成較厚的防滲帷幕,施工速度快,帷幕滲透系數(shù)小,能比較徹底截?cái)酀B透水流,防滲效果更好、質(zhì)量可靠。大壩防滲加固先施工基巖面以上的混凝土防滲墻,后進(jìn)行基巖的灌漿帷幕施工,更有利于上下不同防滲體接觸面的牢固結(jié)合,建立連續(xù)完整的防滲體系。壩基巖面以上防滲帷幕較高,或水資源比較缺乏珍貴,工程重要,要求控制嚴(yán)格水庫(kù)滲漏量的水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固,適宜優(yōu)先考慮塑性混凝土防滲墻綜合防滲技術(shù)方案。

4 塑性混凝土防滲墻設(shè)計(jì)

4.1 防滲墻布置

防滲墻軸線布置在壩頂范圍內(nèi),平行于壩軸線,其位置應(yīng)結(jié)合防滲墻施工平臺(tái)布置設(shè)計(jì)確定。墻頂應(yīng)高出設(shè)計(jì)洪水位0.3～0.6m,且不低于較核洪水位。墻底應(yīng)穿越壩基強(qiáng)風(fēng)化覆蓋層,與基巖界面緊密結(jié)合;兩側(cè)延伸至與岸坡基巖界面進(jìn)行可靠結(jié)合,防止結(jié)合面漏水和產(chǎn)生集中滲流。

4.2 墻頂施工平臺(tái)

防滲墻槽孔造孔,使用較多的是液壓抓斗式成槽機(jī)或者鉆機(jī)造孔。所造槽孔寬度大,施工機(jī)械設(shè)備龐大,為了滿足施工要求,需要在墻頂設(shè)置施工導(dǎo)墻及上、下游施工平臺(tái)。

(1)導(dǎo)墻:是挖掘機(jī)具造孔、澆注地下連續(xù)墻施工前必須首先修筑的鋪助設(shè)施,是對(duì)稱布置在防滲墻的上、下游兩側(cè),在墻頂施工平臺(tái)地層表面沿防滲墻軸線方向設(shè)置的連續(xù)混凝土墻,導(dǎo)墻之間的凈距離比防滲墻厚度大0.1m。導(dǎo)墻的形式多采用倒L型,垂直方向深度為1.2～2.0m,背側(cè)要用粘性土分層回填并夯實(shí),不得有漏漿;地面水平方向?qū)挾葹?.0～1.2m,頂部應(yīng)保持水平并高出平臺(tái)0.1m;墻厚度0.15m～0.25 m,為了保持導(dǎo)墻的整體性,應(yīng)配置構(gòu)造鋼筋。導(dǎo)墻下游設(shè)置排水溝,在澆注防滲墻時(shí)將置換的固壁泥漿回收再利用。(2)施工平臺(tái)交通:導(dǎo)墻上游側(cè)施工平臺(tái)應(yīng)滿足沖擊機(jī)、埋管定位提升吊機(jī)架等設(shè)備的交通布置要求,一般應(yīng)大于2.5m。導(dǎo)墻下游側(cè)施工平臺(tái)應(yīng)滿足挖掘機(jī)具及和及運(yùn)輸車(chē)輛交通要求,一般應(yīng)大于7.0m。

墻頂施工平臺(tái)總寬度不應(yīng)小于13m,大多數(shù)原壩頂寬度不能滿足要求,因此應(yīng)降低壩頂進(jìn)行平臺(tái)布置設(shè)計(jì),并做恢復(fù)壩頂部分壩體設(shè)計(jì)。為了保護(hù)平臺(tái)以下壩體和行車(chē)要求,平臺(tái)頂面應(yīng)設(shè)置0.2～0.3m厚的泥結(jié)沙礫承重保護(hù)層,施工完成后應(yīng)進(jìn)行清除,然后才進(jìn)行上部壩體填筑施工。

4.3 帷幕厚度的確定

主要從保證壩體滲透穩(wěn)定條件來(lái)考慮,帷幕厚度必須滿足下列設(shè)計(jì)條件:

(1)使壩體滲漏量降低到要求的流量以下。

(2)使壩體下游浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)高度小于或等于設(shè)計(jì)規(guī)定高度,并使出逸滲透坡降小于土體的允許坡降。

(3)防滲墻帷幕上、下游水位差所形成滲透坡降應(yīng)控制在防滲墻帷幕允許坡降以內(nèi)。根據(jù)已建成的塑性混凝土防滲墻統(tǒng)計(jì)資料可以得知,實(shí)際承受的滲透坡降可達(dá)100,考慮到施工和混凝土老化等綜合因素,一般取允許滲透坡降為60～80。

(4)要考慮到滿足施工機(jī)械所能造槽孔厚度的條件。目前我國(guó)常用土壩防滲墻厚為0.4～0.8m,已建成碧口土壩防滲墻厚達(dá)到1.3m。

參照類似工程,擬定防滲墻帷幕厚度范圍,根據(jù)土壩各分區(qū)的物理力學(xué)指標(biāo),進(jìn)行滲透分析計(jì)算,可求出不同帷幕厚度情況下壩體的滲漏量,浸潤(rùn)線,壩體下游浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)高度及作用在防滲墻帷幕上的上、下游水位差,最終確定符合設(shè)計(jì)要求的防滲墻帷幕厚度。

4.4 槽段劃分布置

混凝土防滲墻是由許多段板墻套接而成,墻段少,套接接縫少,墻防滲效果越好。槽孔段劃分長(zhǎng)度首先要保證造孔及大壩的安全,符合施工挖掘機(jī)具成孔條件,同時(shí)要合理考慮混凝土攪拌設(shè)備和運(yùn)輸能力。根據(jù)我國(guó)已建成的塑性混凝土防滲墻統(tǒng)計(jì)資料可以得知,槽孔段長(zhǎng)度為5m ～17m不等。目前我區(qū)混凝土防滲墻施工成槽機(jī)械設(shè)備大多采用液壓抓斗式成槽機(jī),一次抓槽寬度為3m,采用兩抓成槽,劃分一個(gè)槽孔段長(zhǎng)度為6m。

槽孔段劃分為Ⅰ序槽孔和Ⅱ序槽孔,相隔布置。施工時(shí),先建造Ⅰ序槽孔混凝土墻,后建造Ⅱ序槽孔混凝土墻,由Ⅰ序槽孔和Ⅱ序槽孔混凝土墻套接成連續(xù)的混凝土防滲墻。

圖1 槽段劃分布置圖

4.5 壩底基巖帷幕灌漿管埋設(shè)布置

由于歷史原因,我區(qū)大部分水庫(kù)土壩壩底基巖未按現(xiàn)行規(guī)范要求進(jìn)行帷幕灌漿防滲處理。為了避免用鉆機(jī)造灌漿孔,破壞混凝土防滲墻結(jié)構(gòu),應(yīng)在防滲墻內(nèi)埋設(shè)灌漿管 (孔)。灌漿管埋設(shè)在防滲墻中心線上,孔距與帷幕灌漿設(shè)計(jì)孔距一致。

灌漿管采用內(nèi)徑為130mm的鋼管或塑料管。采用塑料管應(yīng)內(nèi)套外徑為110mm的專用鋼管,用于定位及保持埋管的的垂直度,防滲墻混凝土完成凝固后將鋼管撥出。厚度大于等于0.8m,墻高小于30m的防滲墻,也可以先埋鋼管,待混凝土達(dá)到初凝后將鋼管撥出,節(jié)約鋼管用量。

4.6 設(shè)計(jì)施工技術(shù)要求

(1)防滲墻采用塑性混凝土。壩基覆蓋層是松散體,在水壓力作用下產(chǎn)生較大變形,防滲墻嵌入基巖內(nèi),與壩基聯(lián)合受力,采用普通剛性混凝土抵抗不了這種變形,將會(huì)產(chǎn)生裂縫。塑性混凝土彈性模量與土體相接近,與土體變形協(xié)調(diào)性好,能適應(yīng)地基較大變形,防止墻體與土脫開(kāi)和出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致墻體斷裂的情況發(fā)生。

(2)塑性混混凝土防滲墻設(shè)計(jì)物理指標(biāo):滲透系數(shù)K ≤10-7cm/s;抗壓強(qiáng)度3Mpa≤R28d≤5Mpa;彈性變形模量300Mpa≤E28d≤1000Mpa;極限應(yīng)變值0.33%～0.7%;允許滲透比降J≥80。

(3)塑性混凝土配合比[1]:一般以28d強(qiáng)度、變形模量和抗?jié)B指標(biāo)綜合確定。水泥標(biāo)號(hào)不應(yīng)小于325號(hào),用量80kg/m3～200kg/m3;粘土和膨潤(rùn)土一起雙摻,采用粘粒含量不小于 25%的無(wú)塊狀、無(wú)有機(jī)質(zhì)的均質(zhì)土,用量以含泥率30%以內(nèi)確定,膨潤(rùn)土占粘土摻量的20%左右;含沙率為40%～60%,粗骨料宜采用一級(jí)配;在滿足施工機(jī)械和工藝要求的前提下,應(yīng)盡量選擇較少的水灰比,要求坍落度18mm～20mm。

(4)泥漿固壁:泥漿在地下防滲墻造孔中起到固壁、攜渣、冷卻鉆具和潤(rùn)滑的作用。泥漿在槽壁上形成不透水泥皮,使泥漿柱體的壓力有效抵抗作用在槽壁上的土壓力和水壓力,防止了地下水滲入和槽壁剝落坍塌,是造槽孔成墻的關(guān)鍵。泥漿采用膨潤(rùn)土拌制,泥漿配合比為:水1000kg;膨潤(rùn)土50kg;NaCO31kg;固壁泥漿性能指標(biāo)密度＜1.1g/cm3、漏斗粘度＞25s、含砂量＜3%。在成槽過(guò)程中,槽孔孔口泥漿面保持在導(dǎo)向槽頂面以下30m～50m范圍內(nèi)。清孔時(shí),采用抓斗抓取淤泥,利用下設(shè)潛水排水污泵抽漿,并及時(shí)用新鮮泥漿補(bǔ)充。清孔換漿結(jié)束 1h后,孔底淤泥積厚度小于10cm。

(5)接頭處理:相鄰兩槽段混凝土墻的銜接部分成為接頭,接頭形式有鉆鑿式和預(yù)留式。一般采用鑿除法進(jìn)行接頭連接施工,在進(jìn)行Ⅱ序槽段造孔時(shí),將Ⅰ序槽段混凝土端頭套抓去35cm,再澆注Ⅱ序槽段混凝土。此外,鉆鑿式接頭施工還有套打一鉆法和雙反弧法,預(yù)留式接頭施工有接頭管撥管法和拉管法。施工方法應(yīng)根據(jù)適用地層組成情況、糟孔深度、施工設(shè)備及施工技術(shù)能力來(lái)綜合分析選定。

(6)特殊地層處理:在壩頂部開(kāi)槽孔,槽孔進(jìn)入壩體內(nèi)松軟夾層、覆蓋層是松散體、斷層破碎帶、空洞,或遇穿壩涵管時(shí),會(huì)發(fā)生漿液漏失現(xiàn)象,造成槽壁剝落坍塌等事故,所以必須采取有效措施進(jìn)行預(yù)防和處理。

槽壁出現(xiàn)局部剝落坍塌時(shí),加大泥漿密度;出現(xiàn)大面積塌孔時(shí)用優(yōu)質(zhì)粘土 (摻入20%水泥)回填到坍塌處以上1～2m,待沉積密實(shí)后再進(jìn)行施工。

出現(xiàn)漏漿時(shí)采用處理措施有:①粘土球堵漏。將粘土球投入槽內(nèi)流失部位,為了增加效能,可在粘土中摻入鋸末、麻刀、干草等纖維質(zhì)物,擠壓搗實(shí)堵漏后再鉆進(jìn);②泥漿堵漏。在漏失地層鉆進(jìn)時(shí),應(yīng)正確選用適當(dāng)?shù)亩侣┠酀{,采取以預(yù)防為主的原則。對(duì)于輕微、中等流失,用石灰泥漿、鋸末堿擠泥漿和水泥泥漿堵漏。③水泥漿堵漏。對(duì)漏失嚴(yán)重的地層用速凝水泥等特殊材料處理,必要時(shí)對(duì)槽孔進(jìn)行回填。

松散地層,造孔應(yīng)循序漸進(jìn),預(yù)防在先,穩(wěn)中求快;保證泥漿供應(yīng)強(qiáng)度和質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)漏漿及時(shí)補(bǔ)充。

遇穿壩涵管時(shí)要慎重考慮處理措施,在設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)弄清穿壩涵管的位置及埋設(shè)高程及其結(jié)構(gòu)形式。在施工中曾出現(xiàn)過(guò)將涵管挖穿,漿液突然漏失,造成嚴(yán)重坍槽,危及大壩安全的工程事故。一般情況不要輕易將壩涵管挖除,該部分改用涵管內(nèi)外充填灌漿進(jìn)行防滲處理。

5 工程實(shí)例[2]

那降水庫(kù)位于廣西隆安縣城西北面7km處,是一座以城鎮(zhèn)供水、灌溉為主的中型水庫(kù)。水庫(kù)集雨面積63km2,總庫(kù)容2717萬(wàn)m3;設(shè)計(jì)灌溉面積2.64萬(wàn)畝,城鎮(zhèn)設(shè)計(jì)供水規(guī)模為4m3/d,是向縣城區(qū)及其周邊村鎮(zhèn)供水的唯一水源。大壩為均質(zhì)土壩,經(jīng)地質(zhì)勘察表明,壩基強(qiáng)風(fēng)化層、覆蓋層未做防滲處理措施;壩體填筑土夾有粗粒碎石塊石多,壓實(shí)度小,滲透系數(shù)大。大壩左、右壩腳存在兩處常年的漏水點(diǎn),在水庫(kù)正常蓄水位下實(shí)測(cè)總滲漏量為32.6L/s;大壩兩端與山體接觸帶及壩體中部在高水位時(shí)存在洇濕滲流區(qū),壩體及壩基滲漏嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)滲流穩(wěn)定計(jì)算分析,在設(shè)計(jì)、校核洪水情況下,浸潤(rùn)線下游壩坡逸出點(diǎn)較高,出逸滲透坡降大于土體的允許坡降,滲漏量大,大壩滲透穩(wěn)定存在安全隱患。

大壩先后四次培厚加固,并對(duì)壩體、壩基進(jìn)行了進(jìn)行充填灌漿防滲加固,但是壩體壩基滲漏現(xiàn)象仍然沒(méi)有消除。為了徹底消除滲漏安全隱患,大壩改用塑性混凝土防滲墻帷幕防滲處理。施工防滲墻時(shí),同時(shí)進(jìn)行壩腳排水棱體的拆除重建及下游河道護(hù)岸施工,進(jìn)行基坑排水作業(yè),來(lái)水量主要有大壩滲漏和右岸魚(yú)塘滲漏兩部分,實(shí)測(cè)來(lái)水量為50L/s。隨著大壩防滲墻逐步形成,來(lái)水量明顯減少,防滲墻完全建成后,基坑來(lái)水量降至約5.6L/s,說(shuō)明塑性混凝土防滲墻帷幕防滲效果良好。(參考文獻(xiàn)略)