大江洞水庫(kù)壩體塑性混凝土墻防滲加固設(shè)計(jì)探討

黃檢

（岳陽(yáng)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 岳陽(yáng)市 414000）

1 工程概況

大江洞水庫(kù)位于平江縣南江鎮(zhèn)鳳陽(yáng)村，距平江縣城57km，水庫(kù)控制集雨面積19.79km2（另有外引集雨面積12.6km2）,壩址以上干流長(zhǎng)度 5.37km，干流平均坡降56.9‰。水庫(kù)正常蓄水位377.20m，相應(yīng)正常庫(kù)容3040.0萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪水位378.45m，相應(yīng)庫(kù)容3260.6萬(wàn)m3，校核洪水位378.96m，相應(yīng)總庫(kù)容3440萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)灌溉面積0.186萬(wàn)hm2(2.8萬(wàn)畝)，該水庫(kù)是一座以防洪、灌溉為主，兼有發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水利工程。

工程始建于1975年冬，1979年4月建成蓄水。大壩為心墻壩，最大壩高61.7m，壩頂高程381.7m，壩頂寬8 m，壩頂軸線長(zhǎng)170m；心墻頂部高程為373.2m，頂部寬度為10m，底部最大寬度為30m。

水庫(kù)大壩存在的主要問(wèn)題有：壩基清基不徹底、壩體心墻土體質(zhì)量較差、心墻中部頂高程低于正常蓄水位，壩基、壩體滲漏嚴(yán)重，大壩下游左端一級(jí)至三級(jí)平臺(tái)之間壩坡塌陷嚴(yán)重。近幾年來(lái)，該水庫(kù)蓄水量控制均在2500萬(wàn)m3（相應(yīng)水位374.10m）或以下運(yùn)行，以保證水庫(kù)的運(yùn)行安全。

2008年，水利部大壩安全管理中心核定大壩為三類壩，樞紐工程需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

2 防滲加固方案選擇

根據(jù)地質(zhì)勘察，大壩心墻及壩殼料均為礫質(zhì)壤土，壩址位置弱風(fēng)化層頂埋深較大，除大壩中部部分壩基清基至弱風(fēng)化層外，其他部分均只清基至強(qiáng)風(fēng)化基巖層，且壩基面起伏大，局部坡度達(dá)49°，兩壩肩基巖透水率達(dá)（28.5～12.6）Lu。

經(jīng)現(xiàn)狀滲流、穩(wěn)定計(jì)算，現(xiàn)大壩壩體下游浸潤(rùn)線較高、下游最大逸出坡降及壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

鑒于大壩目前存在的實(shí)際問(wèn)題及大壩現(xiàn)狀滲流、穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)采用了三種方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，并擇優(yōu)選取較佳方案作為本次大壩防滲的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案。

方案一：壩體塑性混凝土防滲墻+壩基帷幕灌漿方案。

方案二：壩體為塑性混凝土墻（壩高高于35m的部位）+高壓旋噴樁（壩高小于35m的部位）防滲墻，壩基帷幕灌漿。

方案三：大壩上游壩坡355.00m高程以上的采用復(fù)合式土工膜進(jìn)行防滲，高程355.0m平臺(tái)以下壩坡采用在355.00m平臺(tái)處進(jìn)行高壓旋噴注漿進(jìn)行防滲，壩基及兩岸壩坡進(jìn)行帷幕灌漿進(jìn)行防滲。

方案一技術(shù)先進(jìn)，壩體、壩基、壩肩防滲體系結(jié)構(gòu)安全可靠，工序較少，施工方法單一，但投資稍大；方案二技術(shù)先進(jìn)，投資小，但施工工序多，防滲體系結(jié)構(gòu)安全可靠性較方案一稍差；方案三因本大壩為心墻壩不適宜采用土工膜鋪砌方案，且根據(jù)《土石壩養(yǎng)護(hù)修理規(guī)程》的要求，鋪設(shè)土工膜時(shí)壩坡的坡度不得陡于1∶2.5，本次大壩上游一級(jí)壩坡陡于1∶2.5，不適宜鋪砌土工膜，該方案予以否定。

原設(shè)計(jì)推薦采用方案二，但考慮到大江洞水庫(kù)大壩軸線不長(zhǎng)、壩身較高、防滲要求高等特點(diǎn)，經(jīng)專家評(píng)審后予以否定，因此推薦采用塑性混凝土防滲墻方案。

3 塑性混凝土防滲墻設(shè)計(jì)

3.1 防滲墻布置

大江洞水庫(kù)大壩心墻頂寬10m，兩側(cè)為厚3.0m的砂礫石過(guò)渡帶，考慮到混凝土防滲墻軸線如布置在砂礫石過(guò)渡帶會(huì)給施工帶來(lái)困難，本次將混凝土防滲墻布置在大壩壩頂沿壩軸線偏上游2.0m處，混凝土防滲墻軸線與大壩軸線平行，混凝土防滲墻從大壩左壩肩至右壩肩全范圍布置，布置軸線長(zhǎng)度為170m。根據(jù)大壩水文地質(zhì)剖面圖，大壩中部54m長(zhǎng)壩底為弱風(fēng)化基巖,防滲墻底緣深入至壩底弱風(fēng)化基巖面0.3m；大壩其他部分壩底為強(qiáng)風(fēng)化基巖，防滲墻底緣深入至壩底強(qiáng)風(fēng)化基巖面0.8m。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料分析計(jì)算，防滲墻最大深度61.2m。防滲墻底部均接壩基帷幕灌漿。

3.2 防滲墻厚度確定

根據(jù)工程地質(zhì)勘察大壩下游最低水位水320.5m，水庫(kù)校核洪水位為379.42m。經(jīng)滲流計(jì)算，防滲墻上下游水位最大水頭差為38.10m。

防滲墻厚度δ=△Hmax／Jp

式中 △Hmax——作用在防滲墻上的最大水頭（m）；

Jp——塑性混凝土防滲墻允許水力梯度，根據(jù)國(guó)內(nèi)外已建工程統(tǒng)計(jì)，計(jì)算厚度時(shí)允許水力梯度建議采用Jp= 50～60，本工程取Jp=50。

則δ=38.10／50=0.762m。

受造孔機(jī)具限制，參考國(guó)內(nèi)同類工程經(jīng)驗(yàn)，取混凝土防滲墻厚度0.8m。

3.3 防滲墻滲流計(jì)算

（1）計(jì)算工況。

滲流分析計(jì)算根據(jù)規(guī)范要求按以下工況進(jìn)行：

①上游正常蓄水位，下游無(wú)水；②上游設(shè)計(jì)洪水位，下游相應(yīng)水位；③上游校核洪水位，下游相應(yīng)水位；④上游1/3壩高庫(kù)水位，下游無(wú)水。⑤上游校核洪水位速降至死水位，下游相應(yīng)水位。

（2）計(jì)算方法及計(jì)算參數(shù)。

大壩加固后壩體滲流分析計(jì)算，采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所的《滲流分析軟件》有限元法計(jì)算。

大壩各滲透區(qū)材料的水平垂直滲透系數(shù)采用地質(zhì)報(bào)告中的推薦值，混凝土防滲墻區(qū)滲透系數(shù)取1.0×10-7cm/s。

（3）計(jì)算成果。

加固后大壩在上述運(yùn)行工況下，下游壩腳墊褥式排水前端滲流逸出處最大滲流坡降Jman為0.46，上游坡面滲流逸出處最大滲流坡降Jman為0.07，滲流穩(wěn)定均滿足要求，同時(shí)加固后壩體下游側(cè)浸潤(rùn)線下降明顯，可明顯提高下游壩坡穩(wěn)定安全。

3.4 防滲墻混凝土主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

本工程選用長(zhǎng)江山峽二期土石圍堰防滲墻材料的設(shè)計(jì)配合比為參考類型，采用工程類比法確定塑性混凝土防滲墻的配合比。塑性混凝土防滲墻混凝土的主要技術(shù)指標(biāo)為：

（1）混凝土入孔坍落度（l8～22）cm，擴(kuò)散度（34～40）cm，坍落度保持在15cm以上的時(shí)間不小于1.5h

（2）初凝時(shí)間不小于6h，終凝時(shí)間不大于24h

（3）抗壓強(qiáng)度R28=（4.0～5.0）MPa，墻高大于40m，R28以5.0MPa控制

（4）抗折強(qiáng)度T28≥1.5MPa

（5）彈性模量:初始模量E0=（500～700）MPa、E28≤1500MPa

（6）滲透系數(shù)K20≤1.0×10-7cm/s；允許滲透比降J＞50；最大骨料粒徑不大于40mm。防滲墻頭墻采用C20混凝土。

4 塑性混凝土防滲墻施工設(shè)計(jì)

4.1 施工方法

根據(jù)本工程為壩頂塑性混凝土防滲墻施工，場(chǎng)地狹小，槽孔較深（最大槽孔深61.2m）的特點(diǎn)，防滲墻的成槽施工采用鉆抓法成槽法施工。

4.2 槽段劃分

工程共按兩期槽段分期施工法，先施工Ⅰ期槽，后施工Ⅱ期槽。槽段長(zhǎng)度根據(jù)墻體深度、厚度、地質(zhì)水文情況、泥漿護(hù)壁能力及混凝土澆筑速度等確定為（6.0～8.0）m。混凝土防滲墻軸線170m，共劃分為28個(gè)槽段，單序號(hào)為Ⅰ期槽段，雙序號(hào)為Ⅱ期槽段，其中1號(hào)槽段長(zhǎng)8.0m，其余槽段長(zhǎng)6.0m。在同一槽內(nèi)又分為7～9個(gè)孔，單序號(hào)為主孔，雙序號(hào)為副孔。

4.3 主要施工工藝

混凝土防滲墻主要施工工藝：測(cè)量、放樣→開(kāi)挖施工平臺(tái)→修筑導(dǎo)墻→鉆機(jī)鉆孔成槽→槽形驗(yàn)收→清孔→驗(yàn)孔→預(yù)埋灌漿鋼管→下設(shè)澆筑導(dǎo)管→水下混凝土澆筑。

4.4 塑性混凝土防滲墻施工

（1）測(cè)量、放樣。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定出防滲墻施工軸線。大江洞壩體塑性混凝土防滲墻是在窄粘土心墻中施工，施工部門(mén)應(yīng)根據(jù)投入的設(shè)備重量、設(shè)備安裝、導(dǎo)墻布置，固壁泥漿比重等因素核實(shí)開(kāi)挖槽段壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定。

（2）開(kāi)挖施工平臺(tái)、修筑導(dǎo)墻。

施工平臺(tái)包括鉆機(jī)平臺(tái)、倒渣平臺(tái)和排漿溝，要求平臺(tái)堅(jiān)固、平整，適合重型設(shè)備和車輛行走（吊車、鏟車），寬度要能滿足施工需要，本大壩原壩頂面寬僅8.0m，不能滿足施工布置要求，本次在混凝土墻施工前，削低壩頂1.2m，防滲墻施工工作面高程為380.50m，施工工作面寬為13.16m，可以滿足施工要求。鉆機(jī)行走平臺(tái)布置在防滲墻軸線兩側(cè)，平臺(tái)上均勻鋪設(shè)枕木，枕木上架設(shè)道軌，便于鉆槽機(jī)移動(dòng)，軌道間距根據(jù)鉆機(jī)底座輪距確定。本次施工槽段長(zhǎng)（6～8）m，采用鐵釘在枕木上標(biāo)記出每個(gè)槽段的主孔、副孔位置。防滲墻軸線下游側(cè)鉆機(jī)行走平臺(tái)外側(cè)布置倒碴平臺(tái)和排漿溝及施工通道。

（3）修筑導(dǎo)墻。

為滿足沖擊鉆施工，防止槽口跨塌，在防滲墻頂部臨時(shí)修建施工導(dǎo)墻，施工導(dǎo)墻選用C20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻頂高程380.50m.為矩形斷面，導(dǎo)墻埋深1.0m，厚0.5m，導(dǎo)槽中心軸線與防滲墻軸線重合，內(nèi)側(cè)凈間距90cm。

（4）鉆機(jī)、鋼繩抓斗鉆抓成槽。

根據(jù)工程的地質(zhì)條件及進(jìn)度要求，擬投入4臺(tái)沖擊鉆機(jī)及2臺(tái)國(guó)產(chǎn)GSD-80鋼繩抓斗完成所有槽段壩體填土層、基巖層和混凝土接頭孔的成槽任務(wù)，施工按照先主孔后副孔的“兩鉆一抓”順序進(jìn)行，根據(jù)劃分的槽段長(zhǎng)度、抓斗寬度，確定主孔數(shù)量、位置和副孔的抓取長(zhǎng)度。

沖擊鉆機(jī)的型號(hào)為CZ-30A，由鉆頭、機(jī)架、卷?yè)P(yáng)機(jī)3部分組成，鉆頭由卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引提升，鋼絲繩自由懸掛，無(wú)動(dòng)力下放，為使槽孔垂直，下鉆應(yīng)使吊索保持一定張力，引導(dǎo)鉆頭垂直成槽，下鉆速度應(yīng)取決于泥碴排出能力及土質(zhì)的軟硬程度，抓斗型號(hào)為國(guó)產(chǎn)GSD-80型鋼繩抓斗，掘削的鉆渣用抽砂筒和抓斗排出槽外。

主孔開(kāi)孔前，孔口預(yù)填粘土加以固化，為副孔施工作好準(zhǔn)備工作。壩體填土層中主孔鉆進(jìn)時(shí)，槽段做好防漏、防塌工作。沖擊鉆鉆入基巖后，要及時(shí)抽取巖樣并參照地質(zhì)勘察資料鑒定巖層界面及風(fēng)化程度，以確定單孔終孔深度。副孔采用抓斗抓取，副孔底部基巖采用沖擊鉆進(jìn)行鉆進(jìn)。形成槽孔后，用鉆機(jī)上下拉動(dòng)槽頭刷清理槽壁至符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。成槽必須做到槽形規(guī)范、槽寬合格、槽底和槽壁沒(méi)有探頭石和小墻。

大壩壩體兩端槽孔較淺的槽段，一次性單孔鉆至槽底，壩體中部槽段較深，采用每10m為一階層，分階層鉆抓進(jìn)行。每個(gè)槽段先充鉆主孔1、3、5、7，再用抓斗抓取副孔2、4、6、8。沖鉆過(guò)程中，如跨槽，則停止沖鉆，馬上回填粘土，邊回填邊沖鉆，擠壓密實(shí)。

（5）護(hù)壁泥漿制備。

在大壩右壩肩處，建造一個(gè)粘土制漿站，長(zhǎng)20m，寬10m。制漿站主要由制漿平臺(tái)、制漿池、供漿池組成。制漿平臺(tái)安設(shè)1臺(tái)ZJ-400型高速攪拌機(jī)，制漿能力為175m3/d，制漿池、供漿池容積均為75.0m3，池深1.6m。在壩肩公路旁分布有粘土貯存庫(kù)，面積約200m2，貯存庫(kù)可存放（80～100）t制漿材料，以滿足施工高峰期需要。粘土貯存庫(kù)和攪拌機(jī)建在同一個(gè)高程處，以利于制漿，在臨近防滲墻軸線下游側(cè)壩肩修建沉淀池。施工產(chǎn)生的廢漿、廢水，采用自流方式直接流入沉淀池內(nèi)。沉淀池內(nèi)的沉碴，定期用反鏟挖掘機(jī)和拉碴車清理，以維護(hù)周圍環(huán)境。漿站采用集中供漿方式，供漿點(diǎn)至施工現(xiàn)場(chǎng)間鋪設(shè)管路，把漿液通過(guò)供漿管路采用自流方式輸送至槽孔口。漿液密度控制在（1.1～1.2）g/cm3之間。在成槽過(guò)程中要不斷向槽內(nèi)補(bǔ)充新漿液，使其充滿整個(gè)槽段。泥漿應(yīng)應(yīng)保持在導(dǎo)墻頂面以下（0.3～0.5）m。

（6）槽形驗(yàn)收。

檢驗(yàn)指標(biāo)為槽寬、槽深、垂直度。槽寬、垂直度的檢驗(yàn)可采用儀器測(cè)量法或探籠法，要求槽孔斜率不得大于0.4%，接頭套節(jié)孔的兩次孔位中心在任一深度的偏差值不得大于設(shè)計(jì)墻厚的1/3；槽深的檢驗(yàn)采用用測(cè)繩進(jìn)行量測(cè)，同時(shí)還要由有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員根據(jù)抽取的巖樣與地質(zhì)勘察資料對(duì)比，確定是否已深入至弱風(fēng)化巖層面0.3m或深入強(qiáng)風(fēng)化層0.8m以上，并會(huì)同工程有關(guān)各方進(jìn)行研究確定。

以上槽寬、槽深、垂直度均符合要求，且軸線偏差不超標(biāo)（孔位偏差不大于3cm），方可進(jìn)行下一道工序施工。

（7）清孔換漿。

槽孔孔形驗(yàn)收結(jié)束后，必須及時(shí)進(jìn)行清孔換漿，清除槽內(nèi)漿液中懸浮的鉆碴和槽底的沉碴，亦防止槽孔內(nèi)漿液靜置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，引起槽壁塌坍。清孔換漿采用抽筒進(jìn)行清孔換漿，及時(shí)用新鮮優(yōu)質(zhì)漿液補(bǔ)充，將槽內(nèi)浮碴和槽底沉碴帶出槽外清出，直至漿中無(wú)明顯粒狀碎屑。

Ⅱ期槽段在清孔換漿前，必須用專用刷具認(rèn)真將一期槽段混凝土側(cè)壁所附泥皮及殘留物清刷干凈。

清孔換漿結(jié)束后1h，應(yīng)達(dá)到下列指標(biāo)：①孔底淤積厚度不大于10cm，②孔內(nèi)漿液密度不大于1.3g/cm3，粘度不大于30s，含砂量不大于10%。清孔檢驗(yàn)合格后，應(yīng)在4h內(nèi)開(kāi)始澆筑塑性混凝土，進(jìn)入澆筑塑性混凝土工序。

（8）預(yù)埋灌漿鋼管。

為有利于塑性混凝土防滲墻施工完畢后，壩基、壩肩基礎(chǔ)帷幕灌漿，在塑性混凝土防滲墻體中預(yù)埋Φ114mm的鋼管。預(yù)埋管間距根據(jù)帷幕孔布置間距定為2.5m，每個(gè)槽段預(yù)埋3根鋼管，鋼管管底割成鋸齒狀，防止在基巖面上滑動(dòng)，中間每10m套一個(gè)固定支架，控制管身往兩端偏移，管口用“井”字架焊在軌道上固定。

（9）設(shè)置澆筑導(dǎo)管。

槽段內(nèi)混凝土澆筑質(zhì)量好與壞、澆筑成功與否，與澆筑導(dǎo)管質(zhì)量密切相關(guān)，故在導(dǎo)管下設(shè)前，必須作好澆筑導(dǎo)管的配制和檢查工作。

每槽段內(nèi)根據(jù)需要下設(shè)2～3套導(dǎo)管，兩導(dǎo)管間距不大于3.5m，每根導(dǎo)管間距離槽頭Ⅰ期槽段不大于1.5m，Ⅰ1期槽段不大于1.0m，當(dāng)槽底高差大于25cm時(shí)，導(dǎo)管應(yīng)布置在其控制范圍的最低處。本工程導(dǎo)管管徑選用Φ250 mm，導(dǎo)管分節(jié)長(zhǎng)度：底節(jié)為（2500～4000）mm，中間節(jié)（1000～2000）mm，漏斗下導(dǎo)管長(zhǎng)度為1000mm。每根導(dǎo)管均置于槽寬的1/2處，距槽底（20～25）cm，導(dǎo)管采用鉆機(jī)配合下設(shè)、起吊。

（10）塑性混凝土澆筑。

本工程澆筑混凝土選用泵送混凝土，一個(gè)槽段混凝土的首次灌入量，按導(dǎo)管埋入混凝土內(nèi)的深度不小于1.0 m計(jì)算,開(kāi)始澆筑時(shí)，同時(shí)拉開(kāi)儲(chǔ)料斗活門(mén)，混凝土料連續(xù)進(jìn)入漏斗并沖開(kāi)漏斗活板，順導(dǎo)管沖入孔底,全部?jī)?chǔ)料進(jìn)入槽孔后，連續(xù)進(jìn)行混凝土澆筑作業(yè)，混凝土上升速度不小于2m/h。

漏斗的容量應(yīng)滿足混凝土封底并達(dá)1.0m以上的要求，漏斗容量如不滿足開(kāi)澆量要求，則需增設(shè)儲(chǔ)料斗。

導(dǎo)管在混凝土中埋的深淺一般應(yīng)控制在（2.5～4）m的埋深，在混凝土坍落和擴(kuò)散穩(wěn)定的情況下，當(dāng)混凝土澆筑面距地面較深時(shí)以3.0m為宜，這時(shí)混凝土入導(dǎo)管沖擊力大，擴(kuò)散力強(qiáng)，當(dāng)混凝土澆筑面靠近大壩頂部時(shí)（距壩頂面距離小于8m），由于混凝土面上淤積的泥漿濃度加大，重量增加，混凝土的沖擊力逐漸減小，出導(dǎo)管擴(kuò)散僅有翻升的力量，這時(shí)導(dǎo)管埋深應(yīng)控制在4.0m，便于混凝土在壓力下的擴(kuò)散摻合上升，不致形成凹狀，夾裹泥漿。

混凝土開(kāi)澆后，應(yīng)立即測(cè)量槽內(nèi)混凝土頂面高程，核對(duì)計(jì)算混凝土量與實(shí)際上升高度是否吻合，隨時(shí)掌握混凝土澆筑成墻的質(zhì)量。同時(shí)澆筑過(guò)程中應(yīng)及時(shí)抽取試樣，制作混凝土試塊，每單元槽孔取一組作抗壓試驗(yàn)，按槽孔數(shù)量的8%～10%作抗?jié)B試驗(yàn)。混凝土面各處上升高差控制在50cm左右，通過(guò)吊鉛球來(lái)跟蹤測(cè)量，調(diào)節(jié)相鄰導(dǎo)管注入量來(lái)控制。

塑性混凝土終澆頂面應(yīng)高于設(shè)計(jì)高程50cm。

（11）槽段連接成墻。

Ⅱ期槽段連接時(shí)，必須校正軸線，保證套接端的最小墻厚滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。本工程槽段連接，采用“鉆鑿法”方式施工。利用沖擊鉆機(jī)在Ⅰ期槽端孔位置重新鉆鑿已澆筑混凝土，形成2個(gè)Ⅱ期槽端孔，在進(jìn)行Ⅱ期槽混凝土澆筑前，對(duì)兩端孔必須采用鋼絲刷進(jìn)行清洗且達(dá)到規(guī)范要求，以確保Ⅰ、Ⅱ期槽段連接質(zhì)量。

塑性混凝土防滲墻施工完成28天后，塑性混凝土防滲墻頂高程379.420m以上采用壩殼料回填至原壩頂381.70m。

1 王清友,等.塑性混凝土防滲墻[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008 .

2 袁光裕.水利工程施工[M].北京：水利水電出版社，1999 .