混凝土防滲墻在觀上水庫除險加固工程中的應(yīng)用

王 立

（忻州市水利局，山西 忻州 034000）

1 工程概況

觀上水庫位于原平市城區(qū)西南15 km的永興河出山口處，是一座以城鎮(zhèn)防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水為主，兼顧養(yǎng)魚、發(fā)電、旅游等綜合效益的中型水庫，總庫容1 560萬m3，控制流域面積150 km2。水庫始建于1958年，1960年攔洪蓄水，1976年進(jìn)行加壩改建。水庫樞紐由大壩、溢洪道、灌溉洞、水電站組成。大壩為水中填土均質(zhì)壩，最大壩高32.8m，壩頂高程935.44 m，壩頂長485.3 m，寬4.0 m。建庫50多年來，壩基滲漏及滲透變形破壞嚴(yán)重，經(jīng)部、省專家組鑒定為“三類壩”，是水利部認(rèn)定急需改造的病險庫之一。

2 水庫除險加固任務(wù)

工程建設(shè)主要內(nèi)容為大壩防滲加固、溢洪道改建、新增灌溉排砂洞、上壩交通道路工程及增設(shè)大壩觀測設(shè)施。

大壩防滲加固工程原初步設(shè)計方案為：根據(jù)壩基滲漏和滲透變形隱患，在大壩上游壩腳處做混凝土垂直防滲墻工程；防滲墻頂至大壩壩頂沿上游壩坡鋪設(shè)土工布，以增加壩體的防滲性；對下游壩坡及大壩壩頂進(jìn)行加固。由于工程量大、工期長，在壩腳處空庫施工做混凝土防滲墻與灌溉用水的矛盾難以協(xié)調(diào)，且地質(zhì)鉆探表明，1976年所加壩體施工質(zhì)量欠佳，單純采用土工布防滲達(dá)不到全面加固壩體的目的。因此，為最大限度地體現(xiàn)工程防滲加固效果，結(jié)合水庫實(shí)際，具體施工方案確定為：1976年所加壩體壩頂以下2 m全部清除，碾壓密實(shí)后作為混凝土防滲墻施工平面，混凝土防滲墻自此穿過壩體、壩基砂卵石覆蓋層至基巖面，并深入巖面下1 m，下游壩坡及大壩壩頂進(jìn)行相應(yīng)加固。

3 混凝土防滲墻設(shè)計

3.1 工程布置

結(jié)合加固質(zhì)量及施工平面布置要求，防滲墻軸線布置于壩軸線上游2.66 m處，平行于壩軸線。防滲墻頂布置于現(xiàn)壩頂2 m以下，墻頂高程932.94 m，墻頂長487.62 m，墻基（包括岸坡結(jié)合帶）深入巖面下1 m。

3.2 墻型選擇

防滲墻技術(shù)自1958年引進(jìn)我國以來，已形成了剛性墻和柔性墻兩個不同系列。20世紀(jì)80年代以來，從降低運(yùn)行過程中墻體自身實(shí)際應(yīng)力出發(fā)，運(yùn)用于土石壩防滲加固的混凝土防滲墻逐漸由最初的剛性墻向柔性墻發(fā)展。本次設(shè)計采用當(dāng)?shù)仞ね翞樗苄圆牧系牟郯迨饺嵝曰炷练罎B墻。

3.3 墻體厚度

混凝土防滲墻厚度應(yīng)綜合考慮墻體的抗?jié)B性、耐久性及造孔施工機(jī)具的高效作業(yè)等因素。根據(jù)忻州市米家寨水庫已建混凝土防滲墻工程經(jīng)驗(yàn)，用主、副孔方法建造防滲墻時，墻厚0.8 m可使沖擊鉆機(jī)在最高效率區(qū)工作，且厚度0.8 m的墻體在中小型水庫防滲加固實(shí)踐中運(yùn)用較廣，已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。柔性墻體目前所能承受的滲透比降可達(dá)90以上。有關(guān)資料表明，柔性墻體允許滲透比降為70。觀上水庫防滲墻承受最大水頭50 m，墻厚0.8 m，可滿足滲透穩(wěn)定要求，因此確定墻厚為0.8 m。

3.4 墻體材料

防滲墻能否滿足使用要求，墻體材料的合理選擇及科學(xué)配比至關(guān)重要。觀上水庫混凝土防滲墻是從土壩壩頂穿過壩體和壩基覆蓋進(jìn)入基巖的。由于土壩建成已有50余年，壩體變形基本完成，因而墻體兩側(cè)因變形差引起的摩擦力及墻頂豎向荷載很小，防滲墻所受荷載以水平荷載為主，與米家寨水庫混凝土防滲墻工作條件相同。根據(jù)米家寨水庫已建混凝土防滲墻在水壓力和地震荷載作用下的應(yīng)力反算結(jié)果可知，柔性混凝土防滲墻無論是在高水頭作用還是在地震荷載作用下均不會出現(xiàn)高應(yīng)力狀態(tài)。由于其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與其周圍土層的力學(xué)性能適應(yīng)較好，墻體結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)有較高的安全余量。因而，該類型的防滲墻設(shè)計指標(biāo)應(yīng)以在靜水壓力作用下的滲透穩(wěn)定性和耐久性為主。墻體抗壓強(qiáng)度指標(biāo)可在2～5 MPa之間酌定。

混凝土防滲墻所能承擔(dān)的水力坡降按70考慮，在墻體承受水頭50 m、墻厚0.8 m時，從墻體抗?jié)B透穩(wěn)定和耐久性考慮，可由梯比里斯建筑物與水能科學(xué)研究所公式估算墻體滲透系數(shù)指標(biāo)如下：

式中：K——防滲墻滲透系數(shù)；

a——使混凝土強(qiáng)度降低50%，淋蝕混凝土石灰所需之摻水量1.54～2.2 m3/kg；

c——1 m3混凝土的水泥量，根據(jù)米家寨水庫已建防滲墻施工試驗(yàn)配比，取169 kg/m3；

l——滲徑長度，即墻體有效厚度0.8 m；

B——安全系數(shù)，根據(jù)米家寨水庫已建防滲墻工程經(jīng)驗(yàn)，取 8～20；

J——允許水力坡降，取70；

T——使用年限，取50年。

代入上式可得 K=（1.3～2.4）×10-8cm/s。根據(jù)已建米家寨水庫混凝土防滲墻材料配合比試驗(yàn)結(jié)果表明，只要混凝土配合比適當(dāng)，K≤3.91×10-8cm/s能達(dá)到要求，能夠保證墻體抗?jié)B透的穩(wěn)定性和耐久性。

結(jié)合《混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》，參考塑性混凝土防滲墻施工實(shí)踐及有關(guān)理論研究成果，并在已建米家寨水庫施工配合比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，觀上水庫混凝土防滲墻主要設(shè)計施工參數(shù)如下：抗壓強(qiáng)度5 MPa，彈性模量1 000 MPa，滲透系數(shù)3.91×10-8cm/s，坍落度18～22 cm，擴(kuò)散度 34～38 cm。

在保證抗?jié)B透穩(wěn)定和耐久性的前提下，從就地取材、節(jié)約材料、降低成本等方面考慮，主要材料選用普硅42.5水泥、當(dāng)?shù)匮碌尊ね粒ち：?0%左右）、云中河砂及當(dāng)?shù)丶庸さ氖?。施工前進(jìn)行配比試驗(yàn)，確定合理的材料配合比以及外加劑摻入量、水灰比、水膠比等控制參數(shù)。

3.5 墻體與邊界的連接

根據(jù)混凝土防滲墻軸線地質(zhì)鉆探結(jié)果，覆蓋層下及兩岸坡基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚度大于10 m，從防滲堵漏角度考慮，防滲墻應(yīng)深入弱風(fēng)化巖石內(nèi)0.5～0.8 m。但已建工程經(jīng)驗(yàn)表明，防滲墻插入基巖深度大于1 m時，固端彎矩將會使墻體的受力狀況趨于復(fù)雜，出現(xiàn)防滲效果不利的較大拉應(yīng)力，且施工難度增大。當(dāng)高水頭和防滲要求較高時，一般采用在防滲墻底部增設(shè)灌漿帷幕的方法。該工程主要是除險加固，且風(fēng)化層單位吸水率小于10 Lu，滲透系數(shù)雖大于防滲墻但接近于壩體土，水庫滲漏帶及滲變隱患主要存在于砂卵石覆蓋層內(nèi)，因而從消除滲變隱患、減少滲漏考慮，防滲墻深入巖面以下1 m即可滿足要求。

3.6 造孔泥漿

造孔泥漿主要是固結(jié)孔壁、懸浮、攜帶鉆渣和冷卻鉆具，因此，泥漿應(yīng)具有良好的物理性能、流變性能、穩(wěn)定性及抗污染性能。拌制泥漿的黏土的物理特性為：黏粒含量大于50%，塑性指標(biāo)大于20，含砂量小于5%。

4 混凝土防滲墻施工

4.1 造孔

第一，孔位確定。首先根據(jù)設(shè)計移交的坐標(biāo)控制點(diǎn)復(fù)核坐標(biāo)系統(tǒng)，測出防滲墻軸線，然后根據(jù)防滲墻的長度、深度及地質(zhì)條件劃分槽段。導(dǎo)向槽做好后，用隔泥板將每個槽分隔開，用黏土將導(dǎo)向槽填滿，然后測定防滲墻軸線，并在導(dǎo)向槽兩端固定標(biāo)記，測定每個孔的位置（主孔和副孔），并用紅漆標(biāo)在導(dǎo)向槽的下游側(cè)，以便施工定位。

第二，主、副孔劃分。主孔為Ⅰ序孔，孔徑0.8 m，孔間距2.0 m，采用沖擊鉆孔造孔；副孔為Ⅱ序孔，長度1.2 m，采用“一鉆兩劈”法劈打成槽。防滲墻分Ⅰ序槽段和Ⅱ序槽段。造孔時，選用CZ-22型沖擊鉆，采用多臺鉆機(jī)分序、分段、同向、同時作業(yè)，每臺鉆機(jī)配置2個空心鉆頭和1個十字鉆頭。同時結(jié)合實(shí)際情況采用反循環(huán)泵清渣。

第三，鉆孔施工。先鋪設(shè)鉆機(jī)道軌平臺，再安裝移動臺車，在臺車上固定沖擊鉆。造孔前調(diào)整鉆機(jī)，使鉆頭垂直對準(zhǔn)孔位，施工時先Ⅰ序孔，待相鄰兩個Ⅰ序槽孔澆筑完成后，再打Ⅱ序孔，同一槽孔內(nèi)先打主孔，后打副孔，最后劈打小墻。槽孔完成后進(jìn)行混凝土澆筑，混凝土澆筑完成12 h后，立刻鉆打接頭孔。

第四，泥漿固壁。泥漿質(zhì)量對成孔成槽非常重要，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制泥漿標(biāo)準(zhǔn)：密度1.1～1.2 g/cm3，黏度18～25 s，含砂量小于5%。在造孔過程中始終保持孔內(nèi)泥漿面在導(dǎo)墻頂面下30～50 m，以防塌孔。

4.2 清孔換漿

造孔達(dá)到設(shè)計要求后，采用抽筒抽渣法和反循環(huán)泵吸法進(jìn)行清孔換漿，孔底淤積厚度不大于10 cm，孔內(nèi)泥漿密度不大于1.2 g/cm3，黏度不大于30 s，含砂量不大于10%。清孔換漿合格后進(jìn)行混凝土澆筑。

4.3 混凝土澆筑

混凝土澆筑順序?yàn)椋号渲脤?dǎo)管、安裝導(dǎo)管、混凝土拌制、混凝土澆筑。選配3套直徑219 mm的無縫鋼管作為混凝土澆筑導(dǎo)管，根據(jù)已驗(yàn)收槽孔的孔深確定導(dǎo)管長度，由專人進(jìn)行配置，統(tǒng)一編號，分段組裝，以便澆筑混凝土和提升導(dǎo)管。在已驗(yàn)收的槽孔內(nèi)安置3根導(dǎo)管，間隔2 m。導(dǎo)管下端距孔底20 cm，頂部一般設(shè)置數(shù)節(jié)長度為0.3～1.0 m的短管。導(dǎo)管固定在槽孔口，由沖擊鉆、卷揚(yáng)機(jī)配合提升，導(dǎo)管上端安置拉料漏斗，澆筑前將隔離球放入導(dǎo)管內(nèi)。導(dǎo)管連接必須密封可靠?；炷翝仓捎眉邪柚?，黏土采用泥漿加入的方法，管道泵壓力輸送，直升導(dǎo)管法澆筑。

澆筑混凝土?xí)r，先注入少量水泥砂漿，隨即澆入足量的混凝土，確保擠出隔離球，并埋住導(dǎo)管底部。澆筑應(yīng)連續(xù)作業(yè)，導(dǎo)管埋入混凝土中的深度應(yīng)在1~6 m之間，同一槽孔內(nèi)混凝土面應(yīng)均勻上升，上升速度不得小于2 m/h，同一上升面各點(diǎn)高差控制在0.5 m以內(nèi)。在澆筑過程中，至少每隔30 min測量一次槽孔內(nèi)混凝土面的高度，繪制混凝土上升曲線圖，以指導(dǎo)混凝土澆筑施工和導(dǎo)管拆卸，校對混凝土澆筑質(zhì)量、檢驗(yàn)澆筑質(zhì)量。當(dāng)混凝土面上升距孔口10 m左右時，因沉積泥漿含砂量大，稠度增加，混凝土澆筑壓差減小，澆筑難度加大，增用6 BS砂漿泵抽排泥漿?；炷磷罱K澆筑頂面應(yīng)高于導(dǎo)槽底部混凝土面50 cm。待成墻后，人工鑿除樁頭，鑿至設(shè)計墻頂高程。

4.4 接頭處理

接頭處理是防滲墻施工的關(guān)鍵工序，直接關(guān)系到墻體質(zhì)量和防滲效果。Ⅰ序槽孔澆筑完成后12 h，立即在其兩端主孔位置再鉆一孔，即Ⅰ序槽和Ⅱ序槽的接頭孔。Ⅱ序槽孔清孔換漿結(jié)束前，應(yīng)清除接頭孔壁的泥漿，方可進(jìn)行混凝土的澆筑。

5 結(jié)語

在觀上水庫除險加固工程中，采用混凝土防滲墻對其壩體和壩基處理后，取得了很好的效果。目前，觀上水庫已蓄水5年，運(yùn)行情況良好。