塑性砼防滲墻在三坑水庫除險加固工程中的應用

胡杰+陳小平

摘 要：本文以三坑水庫為例，對塑性砼防滲墻的功能進行了介紹，分析了塑性砼防滲墻在水庫大壩除險加固方面的應用，并驗證了塑性砼防滲墻對水庫大壩等存在的滲流問題的處理效果。

關鍵詞：水庫 塑性砼 防滲墻 除險加固

塑性砼防滲墻與普通的剛性砼防滲墻相比，具有彈性模量低、極限應變大、對周圍土體的適應性強、和易性好等特點，又具有成本低、成墻整體性好、質量可靠、防滲效果和耐久性較好的優點，從而保證水庫工程的質量。本文以三坑水庫的工程為例，簡要介紹了塑性砼防滲墻的設計應用情況，以供同行參考。

1.工程概況

三坑水庫位于廣州市花都區赤坭鎮北部，大官坑河支流三坑河上游，屬北江水系，建成于1956年，是一座以灌溉為主，兼有防洪、水土保持功能的水庫。水庫壩址以上集雨面積19.68km2，河長10.6km，河流平均坡降為6‰。2002年經除險加固后，設計總庫容2389萬m3，設計灌溉面積2.2萬畝。三坑水庫是中型水庫，屬Ⅲ等水利工程，主要建筑物級別3級，次要建筑物級別為4級。水庫防洪標準為100年一遇洪水設計，1000年一遇洪水校核。工程樞紐主要由主壩、副壩、輸水涵及和溢洪道等建筑物組成。

主壩位于東坑、三步坑、鐵屎坑三條坑匯合的沙河上，壩體左側為瑞嶺山，右側為大嶺頭山。主壩建成于1956年，為碾壓式均質土壩，主壩壩頂高程為135.70m（赤炭高程），最大壩高為18.60m，壩長240.00m；壩頂寬7.00m，其下游側設有排水溝。迎水坡為砼面板護坡，背水坡為草皮護坡，坡腳設有排水棱體。

2.主壩壩址工程地質條件及大壩存在的主要險情

2.1主壩壩址工程地質條件

通過地質測繪、地質勘探，知壩體填筑土為褐黃色，稍濕-飽和，可塑-硬塑，填土料系取自附近山坡上的表層風化殘積土，受當時施工條件限制，壩體全依靠人工肩挑、小車推土、拖拉機碾壓與人工夯實完成。

根據土工試驗，填筑土的干密度ρd=1.26g/cm3～1.59g/cm3，平均值為1.39g/cm3，填筑土的密實度較大，天然含水量w=22.3%～43.6%，平均值為32.3%；根據標貫試驗成果，填筑土多呈松散～稍密狀，密實度一般～較差。據擊實試驗結果最大干密度平均值為1.55 g/cm3，最優含水率為23.5%，計算得出壓實度為89.7%，填土壓實度低，含水量偏高，未達到《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）的要求。

2.2主壩存在的主要險情

根據大壩安全鑒定記載，大壩興建于上世紀五十年代，由于受當時生產力水平所限，大壩施工質量難以得到保證，1959～1964年間均出現反濾體頂部發生滲漏，并有所發展，1964年開導滲溝處理后此情況才得以緩解。此后多次大壩進行灌漿處理。

三坑水庫主壩存在的主要問題有：壩體填筑質量較差，填土壓實度達不到設計要求，滲透系數較大，雖然此后多年進行過灌漿處理，但仍未徹底解決問題。在主壩壩基存在中等透水性的粗砂層和強風化層，且粗砂層沿壩基上下游均有分布，連通性較好，滲透性較強，結合主壩勘探過程分析，壩基可能存在滲漏通道。

2.3主壩現狀滲流情況分析

滲流分析選擇土壩典型斷面進行計算，計算斷面以實際壩體斷面的外部輪廓線為基礎，結合大壩地質勘察的結果，擬定計算邊界輪廓。

滲流穩定分析采用有限元分析方法，本文主要討論大壩在正常蓄水位132.87m時的滲流情況，通過理正巖土進行滲流分析計算，得出正常蓄水位時主壩浸潤線見圖1，滲流量約1.12m3/m.d，跟實際較為吻合。

3.主壩防滲方式比選

針對水庫的滲漏問題，目前常用的解決方法有劈裂灌漿、防滲土工膜、剛性砼防滲墻和塑性砼防滲墻等。

劈裂灌漿法是沿著壩軸線布置豎向鉆孔，以壓力灌漿的方式劈開壩體，然后向壩體內灌注水泥砂漿，在壩體內部形成連續的防滲墻。這種方法存在達到注漿設計目的的可靠性差、耐久性差，隔幾年需補灌漿一次，因此，本次除險加固不建議采用該種方法。

防滲土工膜法是近年來比較常用的防滲加固法，通過在壩坡上游鋪設土工膜，利用防滲層加強壩體的防滲性能。這種方法適用范圍廣，成本低，施工速度快，但土工膜本身的抗老化性較差，且需要將水庫放工才能進行施工，因此在實際操作中也有一定的難度。

剛性砼防滲墻也一種較常見的防滲加固法，在各類建筑工程中都發揮了良好的效益。但剛性砼防滲墻由于彈性模量高、極限應變小，與大壩土體彈模相差較大，適應壩體變形能力差，當地基發生較大變形時容易開裂破壞，且相對來說造價較高。

塑性砼是一種以膨潤土、粘土等摻合材料取代普通砼中部分水泥而形成的低強度、低彈性模量的防滲墻材料。與剛性砼相比，塑性砼在漿液中加入粘土和膨潤土，可節省工程投資，同時塑性砼彈性模量與大壩土體的彈性模量較為接近，因此，其適應壩體變形的能力更好。塑性砼防滲墻施工時通過沿壩軸線建造混凝土墻來截斷壩體與基巖之間的滲透通道，可以在不放空水庫的條件下進行施工。因此，綜合比較了以上幾種方法的特點，最終決定以塑性砼防滲墻技術進行三坑水庫的除險加固工作。

4.塑性砼防滲墻的設計

根據三庫水庫主壩壩體存在的滲漏問題（歷史上多次采用灌漿處理仍未根治滲流問題），本次除險加固時初步擬采用塑性砼防滲墻技術。

塑性砼是一種強度介于土與普通砼之間的柔性工程材料，主要技術特性是強度和彈性模量低、變形和抗滲性能好，因此被廣泛用于土石壩和壩體防滲墻以及病險壩體的修復加固等工程中。我國自1989年開始采用塑性墻，先后建成了十三陵抽水蓄能電站尾水圍堰和庫北圍堰防滲墻、水口水電站主圍堰防滲墻、小浪底土壩上游圍堰防滲墻和長江三峽二期圍堰防滲墻等。

本次設計采用塑性砼防滲墻對壩體和壩基進行防滲處理，防滲長度為240m。塑性砼防滲墻軸線位于壩軸線上游2.0m處，與壩軸線平行。墻體厚度600mm，墻頂高程134.70m，低于壩頂1.0m，墻底深入相對不透水層不小于2.0m，最大深度29.50m。塑性砼防滲墻防滲系數小于1.0×10-6cm/s，塑性砼強度C5。塑性砼防滲墻施工擬采用液壓抓斗成槽工藝進行施工，基巖以下可配合采用重錘沖擊鉆進施工，接頭施工采用接頭管工藝進行處理。

根據同類工程設計經驗，對塑性砼防滲墻進行了相關的砼配合比設計及技術參數確定，水泥180kg，膨潤土含量40%，砂率60%，水膠比1.03，坍落度220（要求石子最大粒徑不超過20mm）。

5.效果分析

通過模擬分析，除險加固后主壩最大斷面上的滲流規律符合一般加固防滲墻的效果，并消殺了50%左右的水頭，滲流量明顯減少（除險加固后正常蓄水位時滲流量降至0.24m3/m.d），達到了防滲加固的目的，加固后浸潤線見圖2。

6.結論

根據塑性砼防滲墻在三坑水庫除險加固工程中的應用情況，塑性砼防滲墻不存在太大的技術難度，具備較強的適應性的可行性；且由于塑性砼防滲墻采用粘土和膨潤土取代普通砼中的水泥，施工時節約水泥，有效控制了工程的成本投入；與其他類型的施工技術相比，塑性砼本身的彈性模量較低，極限應變較大，塑性砼防滲墻在承受一定的荷載之后，墻內應變較低，由此增加了墻體的耐久性，因此在水庫除險加固工程中具有較大的應用優勢，有助于提升施工質量。

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