壩體超深混凝土防滲墻加固技術研究★

熊 威 胡小龍 田 波

(1.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010；2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

1 概述

我國是世界上大壩建造數量最多的國家，截至2016年年底，我國已建成各類水庫大壩9.8萬多座[1]，其中大型水庫500多座，中小型水庫8.6萬多座。由于大多數水庫修建于20世紀50年代～70年代，歷史上發生過病險的水庫約3.7萬多座。統計成果顯示，病險水庫大壩壩型主要為土石壩，占93.3%，其次是漿砌石壩5.6%，其余為混凝土壩。土石壩主要的病險表現為壩體滲透破壞或壩坡失穩問題。土石壩在壩體內增設混凝土防滲墻處理壩體滲流破壞險情，是一種成熟可靠的處理手段。60多年來，混凝土防滲墻在病險水庫防滲加固中的應用已經極為普遍，不僅解除了病險水庫大壩的滲流安全隱患，也標志著大壩采用混凝土防滲墻加固技術的不斷提高[2]。

我國目前建成數以萬計常規深度的防滲墻工程，但在土石壩壩體內建造深度超過60 m的超深混凝土防滲墻工程較為少見。隨著壩體防滲墻深度的增加，工程設計難度和施工難度都大大增加。因此對于超深防滲墻的設計和施工中的關鍵技術進行研究探索勢在必行。

2 超深防滲墻設計技術

2.1 防滲墻類型

1)普通混凝土防滲墻。

普通混凝土防滲墻是膠凝材料除水泥外不摻加其他混合材料的高流動性泥漿下澆筑的混凝土。

普通混凝土彈性模量一般為22 000 MPa～31 500 MPa。普通混凝土防滲墻配制水泥用量一般不小于350 kg/m3，水灰比不宜大于0.6，砂率不小于40%。

2)粘土混凝土防滲墻。

普通混凝土在拌制過程中摻入一定數量粘土的高流動性混凝土叫粘土混凝土。

粘土混凝土彈性模量一般為12 000 MPa～20 000 MPa，比普通混凝土彈性模量降低30%～50%左右。粘土混凝土的水泥用量不宜小于350 kg/m3，水灰比不宜大于0.65，砂率不宜小于36%。粘土的摻加量占膠凝材料總量的20%左右，最多不宜大于25%。

3)塑性混凝土防滲墻。

塑性混凝土是用粘土和(或)膨潤土取代普通混凝土中的大部分水泥形成的一種柔性墻體材料。塑性混凝土彈性模量一般為500 MPa～2 000 MPa，比普通混凝土彈性模量降低10倍以上。塑性混凝土彈性模量與周圍土體的變形模量相近，能很好地適應地基的變形，大大地減小了墻體內的應力，避免了墻體開裂變形。

2.2 防滲墻的適用類型

我國最早使用混凝土防滲墻對大壩進行防滲加固是在甘肅武威黃洋河水庫心墻土壩中應用，其后在江西柘林水庫粘土心墻壩、丹江口水庫土壩加固等加固工程中得到應用。早期采用烏卡斯鉆機施工，施工速度較慢，費用較高，隨著液壓抓斗的使用，成墻速度提高，費用降低。目前，混凝土防滲墻已廣泛應用于水庫滲漏加固處理中，如黑龍江象山水庫、安徽花涼亭水庫、江西油羅口水庫、湖北陸水水庫、安徽盧村水庫、湖南六都寨水庫、廣西石枧水庫、廣西澄碧河水庫等均采用混凝土防滲墻加固。

防滲墻的墻體材料多種多樣，性能各異。不同種類的墻體材料有不同的性能適用范圍，其材料組成、施工方法及造價也各不相同，應根據具體用途和工程條件選擇墻體材料。墻體材料各項性能指標之間的匹配應合理，否則在施工中難以兼顧各項性能要求，既造成資源浪費，也不利于工程質量評定。

各種墻體材料性能的一般適用范圍如表1所示[3]。土石壩壩體防滲墻墻體深度不小于60 m時，墻體承受的水頭高，要求墻體允許滲透坡降一般在60～80以上，抗滲等級在W6以上。為保證防滲墻的質量安全和耐久性，多采用普通混凝土和粘土混凝土等墻體材料，塑性混凝防滲墻在超深土石圍堰等臨時工程中應用較廣泛。

表1 防滲墻墻體材料的性能及適用范圍

2.3 防滲墻墻體材料研究

澄碧河水庫大壩為混凝土心墻與粘土心墻結合的土壩，最大壩高70.4 m，壩頂高程190.40 m，加固防滲墻位于原防滲墻下游4.0 m，最大墻深約75.2 m，墻厚80 cm。加固防滲墻墻體材料選取普通混凝土、粘土混凝土和塑性混凝土等三種方案，對比分析不同墻體材料超深防滲墻的應力變形性狀，防滲墻墻體材料計算參數見表2。

有限元計算采用基于Biot固結理論的有效應力分析方法。土石體計算模型為采用Duncan E-υ參數的南水雙屈服面彈塑性模型。有限元計算網格模型由739個單元，776個節點組成，具體見圖1。老防滲墻和加固防滲墻順河向均剖分3排單元，并在墻體周邊設置3 cm厚泥皮單元，在墻底設置15 cm厚沉渣單元，以模擬防滲墻與周邊土體的接觸特性。

表2 防滲墻墻體材料計算參數

有限元計算結果如表3所示，計算結果表明：

1)在壩體填筑和蓄水均相同時，隨著防滲墻材料剛度的降低，防滲墻的變形有所增大。對于本工程，相比普通混凝土防滲墻，粘土混凝土防滲墻撓度極值要高15%左右，塑性混凝土防滲墻撓度極值則要高30%左右。

2)在壩體填筑和蓄水均相同時，隨著防滲墻材料剛度的降低，防滲墻的應力有很大改善。對于本工程，相比普通混凝土防滲墻情況，粘土混凝土防滲墻壓應力雖下降幅度有限，但拉應力極值下降幅度在50%左右，而塑性混凝土防滲墻不僅未出現拉應力，且壓應力也下降明顯，壓應力極值下降幅度在35%左右。

3)對于本工程，普通混凝土、粘土混凝土和塑性混凝土防滲墻壓、拉應力均符合材料強度要求，防滲墻均是安全的。普通混凝土結構安全裕度最大，但由于水泥用量大，工程造價高；塑性混凝土水泥用量少，工程造價低，但由于塑性材料抗壓強度低，結構的安全裕度最小；粘土混凝土由于水泥用量較普通混凝土少，工程投資經濟，結構安全裕度較塑性材料大，工程中往往運用得最多。因此，在防滲墻材料強度滿足要求的情況下，設計時應盡量選擇低彈性模量材料，降低防滲墻與周圍土體的剛度比值，使得防滲墻既有較高的強度抵抗高應力，又具有良好的柔性能適應較大的變形。

表3 防滲墻有限元計算成果表

3 壩體超深防滲墻施工技術

3.1 超深防滲墻孔斜控制技術

在土石壩壩體建造60多米高的超深防滲墻孔斜的控制是技術難點之一。以廣西澄碧河水庫大壩加固為例，大壩防滲墻最大墻深75.2 m，防滲墻的主要施工設備機具為上海金泰SG46,SG40A液壓抓斗和利勃海爾HS885HD鋼絲繩抓斗。各單孔中心線位置在設計防滲墻中心線允許偏差不大于30 mm。槽孔壁面平整垂直，防止偏斜，成槽施工時孔斜率不大于4‰，遇含孤石地層及基巖陡坡等特殊情況，控制在6‰ 內。在造孔過程中，全程進行孔斜控制，采用液壓抓斗測斜和自動糾偏裝置或“抓斗法”或“重錘法”進行測量，造孔過程中應加強孔斜測量頻次，提前發現偏斜，利用斗體安裝的糾偏板糾偏，終孔驗收時應測量孔斜。

造成地連墻發生孔斜的原因有很多，其中地層原因是最主要的。當槽孔施工發生孔斜時，將使墻體的有效厚度減少以及影響墻體的連續性，因此，孔斜的控制尤為重要，采取下列措施：采用帶有自動糾偏裝置的抓斗成槽。上海金泰重型液壓抓斗均安裝有測斜和自動糾偏裝置，操作手可直觀的在顯示屏中時時觀測到孔深、孔斜等參數指標，當發現孔斜有超標趨勢時，可利用自動糾偏裝置及時處理。

3.2 超深防滲墻泥漿固壁技術

泥漿在防滲墻施工中的作用主要是保持孔壁穩定、懸浮鉆渣以及冷卻鉆具,是成槽的關鍵因素之一。以廣西澄碧河水庫大壩加固為例，工程施工時研制一種新型NNC固壁泥漿，其中膨潤土采用新制鉆井液級膨潤土，分散劑采用工業碳酸鈉(NaCO3)，增粘劑為中粘類羧甲基纖維素鈉(CMC)，新制NNC固壁泥漿性能指標如表4所示。

表4 新制NNC泥漿性能指標

澄碧河水庫防滲墻采用研制的NNC漿液較傳統漿液性能有了很大的改善，使固壁泥漿充分發揮了支撐孔壁、穩定地層、較大的懸浮及攜帶巖屑的作用，防滲墻造孔施工中未發生塌孔事故，為防滲墻工程的順利完成起到了關鍵作用和保障。

3.3 超深防滲墻清孔換漿技術

超深防滲墻清孔換漿應根據地層特點、槽孔建造工藝綜合確定。澄碧河水庫大壩為粘土和粉質粘土分層分階段填筑而成，下部為強—中等風化砂巖構成。根據地層特點采用“氣舉正反循環法”清孔換漿。平緩壩段采用正循環，陡坡壩段采用反循環。正循環法是將排砂管下入孔內距離孔底20 cm～50 cm，啟動空壓機，孔底漿碴被空氣循環吸出孔外至泥漿凈化系統，被凈化后的泥漿流回槽孔內；同時，漿液缺失部分補充新鮮泥漿。清孔時還可以下入鉆頭不斷攪動孔底沉積物，以徹底清除沉碴。一個單孔清孔完畢后，移動排砂管，逐孔進行清孔。

陡坡基巖段采用反循環法。反循環清孔是利用空壓機的壓縮空氣，通過安裝在導管內的風管送至端孔內，在導管內混合器底端形成負壓，下面的泥漿在負壓的作用下上升，并在氣壓動量的聯合作用下，不斷補漿，上升至混合器的泥漿與氣體形成氣漿混合物后繼續上升，從而形成流速、流量極大的反循環，攜帶沉碴從導管內反出，排出導管以外。

實踐證明“氣舉正反循環法”的結合使用在超深混凝土防滲墻平緩壩段孔和陡坡基巖段清孔換漿效果均取得很好的效果。

4 結語

防滲墻技術引進我國近60年來，在水利水電行業獲得了廣泛的應用。據統計我國目前已經建造的混凝土防滲墻面積已經大于500萬m2。在各個行業的地下連續墻工程中，水工建筑物防滲墻是數量最多、規模最大、發展最快的技術[2]。

本文對土石壩壩體超深混凝土防滲墻的墻體材料和適用范圍進行了研究分析，對壩體超深防滲墻的孔斜控制技術、泥漿固壁技術和清孔換漿技術進行了研究，可為同類工程的設計和施工提供參考。

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