龍圣洞水庫防滲墻施工中產生壩頂裂縫的原因分析和應對措施

徐砜

（湖南百舸疏浚股份有限公司 長沙市 410007）

龍圣洞水庫防滲墻施工中產生壩頂裂縫的原因分析和應對措施

徐砜

（湖南百舸疏浚股份有限公司 長沙市 410007）

混凝土防滲墻技術已廣泛應用于病險水庫土石壩的防滲加固中，但在工程施工中，由于壩體土本身質量、施工等原因，壩頂常出現縱向裂縫。在龍圣洞水庫防滲墻液壓抓斗成槽過程中，槽孔下出現了塌孔現象，與此同時，混凝土導軌出現了下沉并產生裂縫。水庫曾經垮過壩，原壩體填土質量較差，時值防滲墻施工中正是雨季，大壩土體含水量漸趨于飽和，進入槽段兩側的滲流水引起空隙水壓力上升是造成裂縫的主要原因；布置在壩頂的混凝土防滲墻在施工期容易產生縱向裂縫。在施工中應加大分期成槽間距，縮短槽段長度，縮短成槽后到混凝土澆筑間隔時間，增加護壁泥漿濃度，同時避免在雨季施工。

混凝土防滲墻技術 混凝土導軌 裂縫 處理措施

1 工程概況

1.1 工程簡介

龍圣洞水庫位于清泉縣西北部浣溪鎮境內，地理位置坐標為東經121°51′52″，北緯33°46′05″，距浣溪鎮10.0 km，距清泉縣城30.0 km。

水庫壩址控制集雨面積23.1 km2，多年平均降雨量1 533.0 mm。正常庫容964.6萬m3，總庫容1 010.2萬m3，灌區設計灌溉面積為0.31萬hm2（4.72萬畝），保護下游耕地0.27萬hm2（4.1萬畝），保護人口1.5萬人，電站裝機2×200 kW，是一座以灌溉為主，結合防洪、發電、城鎮供水、養殖等綜合效益的中型水利工程。

樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水建筑物、電站等組成。水庫正常蓄水位304.0 m，相應正常庫容984.6萬m3；設計洪水位304.84 m，相應庫容1 027.0萬m3；校核洪水位305.10 m，相應庫容 1 040.2萬m3；死水位272.50 m，相應庫容31.0萬m3。

大壩為粘土心墻壩，壩頂高程為306.57 m，壩基高程264.3 m，最大壩高42.27 m，壩頂軸線長為463 m，壩頂寬為6 m，上游壩坡坡比為1∶1.8～1∶3.75，下游壩坡坡比1∶1.5～1∶2.75。

1.2 原壩體土質量狀況

（1）龍圣洞水庫大壩分三個階段建設而成，第二階段大壩填筑至30.85m后，在1975年10月庫內連續降特大暴雨，洪水漫頂后導致垮壩；垮壩復工后，新老壩結合面處理質量未達到設計要求，潰壩后的土體未能得到徹底清除。

（2）大壩填筑土90%的土料為灰巖風化溶蝕的殘積土，10%左右的土料為砂巖風化殘積的粘土夾碎石，大壩心墻主要由含礫的粘土、粉質粘土填筑而成，其粘粒含量的平均值為37.28，最大達42.5%，最小為30.1%；施工采用人工挖運、人工平倉、人工夯實等方式，壓實質量未能達到規范要求。

（3）壩體填土含水量過高，整個壩體抗剪強度偏低；1975年潰壩后的土體未能得到徹底清除，上游壩腳干砌石擋墻直接建于滑移土體上，大壩上、下游壩的抗滑穩定安全系數均不滿足規范要求。

2 防滲墻設計指標

混凝土防滲墻位于原大壩壩頂中間， 沿壩軸線布置，墻頂高程305.73 m，墻體厚度為0.6 m，墻底高度263.92 m，最大墻深約44.8 m，工程量15 050 m2，抗滲等級W6。防滲墻嵌入巖層深度為1.0m。混凝土防滲墻起訖樁號0+028～0+463，長435 m。

壩基帷幕灌漿孔位于防滲墻體正下方， 在澆筑防滲墻混凝土時預埋￠130焊管作為灌漿管道。大壩單排帷幕灌漿范圍為0+000-0+463,雙排帷幕灌漿范圍為0+283-0+322段。孔距2 m，排拒1.5 m，分3序孔施工。 灌漿底界深入強風化層或相對不透水層地基，防滲標準為q＜10 Lu。

按照設計要求，施工順序為先澆筑混凝土連續防滲墻，再利用預埋灌漿管進行壩基帷幕灌漿。

本工程導向墻采用直型導墻形式， 導向墻凈寬為0.80m,深度為1.2 m，直樣形混凝土導墻寬度1 m，導墻頂部高出施工平臺面0.01 m，以免積水流入槽內。防滲墻施工總長度為435m,設計成槽段長度為一期6.4 m、二期5.6 m。 槽段施工分一期、二期成槽施工，導墻及槽孔布置形式見圖1。

圖1 導墻及槽孔布置形式

3 成槽施工裂縫產生過程

（1） 槽孔塌孔。 本工程防滲墻成槽采用液壓抓斗開挖土體， 進入基巖面后， 換用沖擊鉆鉆入基巖1.0 m，施工方在采用液壓抓斗開挖38#槽孔的施工過程中槽孔內出現了塌孔現象。 本工程防滲墻設計槽段長度為6 m，在土體槽孔建造時Ⅰ序孔采用“三抓法”，即先抓左右側2.8 m，再抓中間0.8 m（液壓抓斗寬度為2.8 m），再調用沖擊鉆入基巖1 m；Ⅱ序孔采用“兩抓法”，38#槽孔屬于Ⅱ序孔施工，第一抓已挖至基巖面，開挖深度40 m，第二抓開挖至20 m左右深度的時候出現了塌孔現象（據液壓抓斗操作工事后陳述，第二抓15 m深度以上進尺相對其它槽孔而言容易很多，其它槽孔抓斗進尺約30 cm，而38#槽孔第二抓進尺約60 cm，15 m以下進尺恢復正常進尺標準），發生塌孔現象后，操作工在駕駛室內感覺機身有往前傾斜感覺，立即停止了抓孔進尺，將液壓抓斗機械移到了安全位置。

（2） 混凝土導軌下沉及壩頂產生裂縫。 在發現槽孔塌孔的相同時段，38#槽孔下游側混凝土導軌瞬間發生了沉降， 混凝土導軌靠大壩下游側作業平臺出現了泥漿涌出地面的現象， 施工平臺局部有下沉跡象，（下沉幅度50 cm左右），混凝土導軌在0+208和0+286樁號段分別出現了拉裂現象，混凝土導軌沉降變形后，與已澆筑的混凝土防滲墻產生了（3～5）cm不等的裂縫，裂縫深度通過測繩吊鋼筋預測達25 m， 通過現場施工人員檢查變形及沉降混凝土導軌長度達120 m，具體為大壩0+208～0+328樁號段。（注：在塌孔及混凝土導軌沉降過程中及發生后一段時間，槽孔始終沒有發生漏漿現象）

4 裂縫產生的原因分析

此險情發生后， 一方面督促施工單位采取工程措施防止裂縫進一步擴張（譬如對塌孔槽孔回填干土，抽排導向槽內的積水，清除壩坡荷載等），另一方面向上級及時作了匯報，組織相關水利專家及設計、監理單位對此現象進行研究、分析，制定處理措施。

（1） 原壩體土本身質量問題。 老壩體填筑質量較差，密實度不夠，土體空隙發育，含水量偏高，抗剪強度不均勻。通過對《龍圣洞水庫除險加固工程技施設計報告》的閱讀及研究發現：大壩填筑土90%的土料為灰巖風化溶蝕的殘積土，10%左右的土料為砂巖風化殘積的粘土夾碎石， 大壩心墻主要由含礫的粘土、粉質粘土填筑而成；施工采用人工挖運、人工平倉、 人工夯實等方式， 壓實質量未能達到規范要求；而且大壩在1975年垮過壩，潰壩后的土體未能得到徹底清除，造成原壩體新、老結合面處理未能達到規范要求。 由于壩體碾壓質量較差，密實度不佳，造成土體空隙發育，從而在造孔施工中，出現了劈裂現象，此次產生塌孔及裂縫的樁號段正是原來垮壩的部位。

（2） 壩頂施工外荷載的影響。 由于近期雨水比較豐沛，況且液壓抓斗機械自身重量較重（80t），壩頂受上覆壓力的影響，加上施工機械的外荷載，特別是機械長時間的振動，影響了槽段的穩定。

（3） 空隙水壓力上升的影響。 現假設在該土體單元附近開展了防滲墻成槽施工，槽內充滿了護壁泥漿，此時水源源不斷滲入到土體單元ó中，空隙水壓力升高了⊿u，圖2中的圓2向左移動至圓3位置，并與有效強度包線相切，這時土體就發生剪切破壞。沿槽段軸線方向的土體發生剪切破壞，就會出現縱向裂縫。 裂縫出現后，槽內水加速向土體滲流，引起土體的空隙水壓力加速上升， 從而引發沿壩軸線方向的劈裂現象。 對于防滲墻布置在壩頂位置的情況，由于防滲墻軸線靠近最小主應力面，因此更容易發生劈裂現象。

圖2 防滲墻成槽施工過程中引起的土體應力變化圖

（4） 壩頂施工平臺堆載的影響。 施工方在壩頂防滲墻成槽施工中， 將液壓抓斗開挖出來的泥漿就地堆放在施工平臺下游側壩坡上，增加了壩頂荷載，是導致壩體沿下游方向滑動的因素之一。

（5） 壩體土質含水量的變化。 由于施工時段雨水比較豐沛，致使壩體上部土體呈飽和狀態，從而導致壩體浸潤線抬高，槽壁下游側粘土內摩擦角減小，下滑力增加，加上壩頂施工外荷載的影響，繼而誘發了槽孔外壁粘土體由外而內產生了弧狀傾覆， 最終導致砼導軌發生沉降及裂隙。

由上所述，由于原壩體土質松軟，施工外荷載的影響，土質含水量的變化及空隙水壓力的上升，加上堆放在壩頂的棄土的下滑牽引力， 致使在防滲墻成槽施工中沿壩軸線方向產生了一條連續的裂縫。

5 裂縫預防與處理措施

5.1 預防措施

（1） 清除壩體堆放棄土。 責成施工方立即清除堆放在壩頂的棄土，并對下游一級壩坡削坡減載，保證卸載后的坡比不陡于1∶1.75。恢復防滲墻施工后，成槽開挖出來的泥漿當天必須清除外運。

（2） 加大槽段間隔，縮短槽段長度。下一步的成槽施工中，將槽段分Ⅰ、Ⅱ期施工改為分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期施工，并將原槽段長度6 m改為3 m；以期減少對壩體的縱向擾動，延長滲流水的滲徑，這樣不容易產生貫穿裂縫。

（3） 采用合適的泥漿護壁。 泥漿中的土顆粒進入土體中的空隙后，對空隙起封閉作用，減緩了空隙水壓力的上升速度，有利于減少裂縫的產生；因此在施工中應嚴格控制泥漿比重、粘度、靜切力、泥餅厚度等參數，適當摻加增強漿液粘滯度的外加劑。泥漿濃度也不宜太大，否則作用在槽壁的土壓力會增大，對壩坡穩定不利。

（4） 縮短成槽到混凝土澆筑的時間。 槽孔內的水是慢慢滲入土體的，時間越長，滲入的水量越多，空隙水壓力上升幅度也愈大，容易產生裂縫，因此施工中應盡量縮短從成槽到混凝土澆筑的時間。

5.2 處理措施

（1） 澆灌粘土水泥漿。 對壩體裂縫進行跟蹤變形監測，每日兩次，倘若裂縫趨于穩定沒有擴展，等汛期過后，先進行下游壩坡透水料的培厚，待培厚成型，大壩的抗滑穩定系數滿足設計要求后，再對裂縫進行套管灌粘土水泥漿，控制灌漿壓力＜5 N/cm2。假如在下游壩坡沒有培厚， 大壩抗滑穩定系數不滿足設計要求的前提下進行裂縫灌漿處理， 漿液對壩體槽壁土體的側向壓力可能造成裂縫的進一步擴張，一旦出現這種險情，處理起來將更加棘手和復雜。

（2）在裂縫兩端設減壓井。在已經形成的裂縫兩末端設置減壓井， 已降低作用在壩體的承壓水頭及滲透壓力，約束裂縫的進一步發展。

2017-02-16）

徐砜（1982-），男，大學本科，從事水利水電工程施工與管理工作。