土石壩除險加固超薄防滲墻組合防滲技術研究

吳天奇 翟澤冰

(1.江西省水利規劃設計研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工結構工程技術中心，江西 南昌 330029)

混凝土防滲墻作為一種可靠的垂直防滲設施，在水利防滲工程中得到廣泛應用并取得了較好的防滲加固效果[1]。混凝土防滲墻施工方法較多，有樁柱式、板樁灌輸式、槽板式、泥漿槽灌注式等，各有其適應性和優勢。受制于工程水文地質、防滲體結構體型、防滲深度和墻板厚度等因素，工程實踐應用中單一防滲技術很難兼顧技術、經濟和施工等方面，如：高噴灌漿噴射工藝對于地質適應性和防滲深度有很強優勢，但對于薄(超薄)防滲墻而言，因其工程量較小，工程投資經濟效益不高[2]；振動沉模技術因其施工工藝簡單，對工程量較小的防滲墻，具有施工工效高、價格優勢明顯的特點，但其防滲深度受施工機械設備的制約，最佳防滲深度為15～20m,最深僅達25m[3]。采用2種及以上技術進行聯合防滲，取各自優點進行互補，對于壩高超過25m的中小型土石壩薄(超薄)混凝土防滲墻的施工質量保障尤為重要。鑒于此，本文探討聯合傳統高噴灌漿與新型振動沉模，對七里坡水庫黏土心墻土石進行除險加固處理，在獲得較好防滲效果的前提下，經兩種施工技術的優勢互補，提高了施工工效，降低了防滲墻綜合造價。

1 組合防滲施工技術工作原理

對于地層相對較復雜、技術標準要求較低的中小型土石壩除險加固工程的防滲措施，設計要綜合考慮地質適應性、防滲深度和工程造價等因素。振動沉模技術作為一種新型防滲技術，通過雙模板交叉施工可實現無接縫、不開叉、一次連續平整成墻，成墻厚度為8～25cm，可實現薄(超薄)防滲墻成墻，在20m深度范圍內具有明顯經濟優勢，但其防滲深度淺，不能深入基巖相對不透水層成為其應用的制約因素[4]。高噴防滲墻作為一種傳統防滲技術，在地質適應性、防滲深度和可深入基巖等方面均具有優勢，但造價較高。針對中小型土石壩(壩高超過20m)的特點，考慮20m范圍內采用振動沉模，超出及深入基巖部分則采用高噴灌漿進行聯合施工，實現兩種防滲技術的優勢互補，在滿足防滲的基礎上，降低工程投資。

1.1 振動沉模工作原理

振動沉模防滲墻施工主要設備包括壓模系統和注漿系統兩部分，目前我國水利工程領域主要以“雙模板振動沉模”為主，其施工程序為：①通過機械式振動錘將模板A沉入到設計深度土層中→②緊挨著上一模板A將模板B沉入土層中→③向壓入模板A內部灌注漿液，并振動提升模板A→④啟動步履式樁機沿防滲軸線前移，并再次壓入模板A→⑤向壓入模板B內部灌注漿液，并振動提升模板B→⑥啟動步履式樁機沿防滲軸線前移，并再次壓入模板B，如此循環直至完成整道防滲墻的施工。雙模板振動沉模防滲墻施工程序如圖1所示。

圖1 雙模板振動沉模施工程序

1.2 高壓噴射灌漿工作原理

高壓噴射灌漿(簡稱高噴灌漿)采用鉆機鉆孔，將裝有特制噴嘴的注漿管下沉至設計預定深度，利用高速射流束沖擊、切割土體，通過強烈擾動摻攪后凝結成連續防滲結構體，改變原地層的結構和組成，達到提高地基或填筑體防滲性能和承載力的目的[5-6]。高噴灌漿施工程序為：①灌漿試驗(現場試驗確定灌漿施工參數)→②測量放線、灌漿孔定位(按照施工圖紙及規范要求進行樁位放樣定位，并進行定位樁編號標識)→③鉆孔(地質鉆機回旋轉進)→④下噴射管(高噴臺車就位，并試噴調試噴漿系統)→⑤供氣、供漿、灌漿(輸送水泥漿、壓縮空氣及高壓水進行噴射灌漿)→⑥終噴、封孔(回灌至施工平臺頂部封孔)，如圖2所示。

圖2 高噴灌漿施工程序

2 組合防滲應用實例分析

2.1 大壩病險現狀

七里坡水庫修建于1977年，竣工于1980年，是一座以灌溉為主兼引水發電、城市供水等綜合利用的小(1)型水庫。水庫控制流域面積7.52km2，總庫容357.5萬m3。大壩為黏土心墻壩，壩基高程561.75m，壩頂高程593.25m，最大壩高31.5m。大壩心墻基礎直接置于強風化巖石上，由于受當時建設標準、技術和投資資金等因素制約，大壩未做地質勘探，且屬于典型“三邊”工程，質量監管缺失，施工質量較差。建成蓄水試運行時就發現局部滲漏點，給水庫留下較大安全隱患，長期低水位帶病運行。1996年和2003年，分別對水庫進行除險加固處理，但僅限于大壩局部培厚加固、溢洪道改建等，未進行全面的安全鑒定。2015年，現場踏勘和鉆芯取樣試驗表明，大壩砌筑質量整體較差，但結構穩定性良好，未發現明顯變形及塌鼓等現象。在大壩下游壩坡右側排水溝及壩肩山坡低洼處存在明顯滲水現象，滲流量為1.2L/s。使用雷達探測和大地電導率法分別對滲水區域進行探測，表明下游壩坡馬道以下樁號0+075.500～0+086.500、0+123.500～0+129.000壩段2.6～13.5m深度范圍內存在軟弱層，透水性較強，且呈現從壩體內至外逐漸向右偏移的發展趨勢。大壩壩體填筑質量較差、壩基巖石強分化、壩體局部滲漏嚴重等，致使工程存在較多安全隱患且呈逐年增加趨勢，急需采取合理防滲措施進行加固處理，確保水庫功能正常穩定發揮。

2.2 除險加固防滲方案

防滲心墻直接置于強風化巖石上，深2.8m左右，風化巖石質地及完整性較差且節理裂隙發育，承載力較低導致壩體出現不規則裂縫。鑒于壩體土石填筑料均勻度較差、壩基巖石風化承載力低、壩體局部滲漏等問題，須通過灌漿和修筑防滲墻來提高壩基彈模、承載力和增強壩體防滲性能。鑒于七里坡土石壩最大壩高只有31.50m、防滲墻須貫穿壩頂至壩基等特點，經與劈裂灌漿和復合土工膜等防滲方案進行對比，振動沉模防滲墻施工技術不僅適用于20cm超薄防滲墻施工，同時其經濟效益和防滲效果更佳。考慮到壩高31.50m已經超過振動沉模技術的最優防滲深度20m以內，設計優化確定分段聯合振動沉模和高噴灌漿兩種施工技術，通過兩者間的優勢互補，在滿足防滲的基礎上，提高工程施工工效和投資經濟效益，即：壩體中上部(20m)采用振動沉模技術施工超薄防滲墻，厚20cm；壩基采用高壓噴射灌漿以提高壩基承載力，并向上與振動沉模防滲墻連接(高12.5m)，厚5～30cm；高噴灌漿與振動沉模間搭接1m。在壩基和壩體內部自下而上澆筑施工形成連續完整的垂直防滲幕墻，經防滲墻截水、阻水達到防滲目的。大壩除險加固組合防滲方案如圖3所示。

圖3 大壩除險加固組合防滲結構

2.2.1 高噴灌漿施工

壩基至相對不透水層3m以上及壩體574.25m高程以下12.5m范圍內均采用高壓旋噴工藝進行灌漿施工，鉆孔孔距0.8～1.2m(粒徑大取小值),孔徑不小于90mm；高壓水泥漿比重1.4～1.5，泥漿壓力不小于35MPa，漿量70～100L/min；壓縮空氣壓力不小于0.6～0.8MPa,流量0.8～1.2m3/min；噴漿管提升速率6～12cm/min(漏漿嚴重時取小值)；噴漿管旋轉速度8～10r/min，擺角360°；灌漿嵌入基巖深度不小于3m，達相對不透水層。按三序加密施工，相鄰間隔要求在24h以上，嚴格控制施工現場質量，并根據現場施工情況合理調整灌漿參數。對灌漿過程中質量把握不定的孔應待原因查明后，嚴格進行復灌處理。

2.2.2 振動沉模施工

鑒于七里坡水庫原防滲心墻的黏土特點，振動沉模防滲加固施工以水泥和優質黏土為主要材料。防滲板墻布置在壩體中上部20m，并分別向左右兩壩肩嵌入山體10m。防滲漿液采用普通硅酸鹽水泥和優質黏土配置(水泥∶黏土∶水的配比為1∶0.3∶1)，漿液比重不小于1.6。高頻液壓振動錘激振力為570kN，頻率為1050次/min。放樣測量誤差不大于2cm，平整6m寬作業平臺，并沿防滲墻軸線設置40cm(寬)×60cm(深)漿液導向槽，槽中心誤差不大于5cm；漿液泵灌漿量30m3/h；模板漿液灌滿后振動上拔提升速率2～3m/min。灌漿中要嚴格控制灌漿間隔時間和模板傾斜度，對于漏漿、冒漿等問題要根據現場實際情況合理采取限流、嵌縫、濃漿等補救措施，確保整個防滲板墻具有完整連續性和良好防滲質量。

3 黏土心墻土石壩防滲效果分析

3.1 壩基及壩體高噴灌漿防滲

七里坡水庫土石壩壩基與基巖接觸帶及壩體下部12.5m范圍內采用高壓旋噴工藝施工，共計完成鉆孔496孔，鉆孔總進尺8255m。防滲墻施工結束后，現場采用圍井鉆孔壓水和取芯樣室內試驗等方法進行墻體施工質量檢查。根據大壩整體布置在典型部位設置4處圍井，開挖進行外觀質量觀察，防滲墻墻體連續完整，搭接質量良好，有效墻厚(墻體最薄處墻厚約5.8cm、最寬處墻厚約30.5cm，平均墻厚約23.8cm)滿足規范要求。為檢測墻體抗壓強度和滲透指標能否滿足設計規范要求，對高噴灌漿試驗的4個圍井進行鉆孔取芯樣室內抗壓強度檢測和注水試驗，檢測結果見表1。

表1 高噴灌漿圍井鉆孔檢測結果

表1檢測結果表明，圍井鉆孔檢測的滲透系數為6.50×10-8～9.13×10-8cm/s，滿足不大于1×10-7cm/s規范指標要求；墻體單根芯樣連續完整，均勻密實度好，抗壓強度為2.96～4.25MPa，滿足不小于2.5MPa規范指標要求。通過高噴灌漿，壩基滲漏得到合理處理。

3.2 振動沉模防滲板墻防滲

大壩高噴灌漿結束后即進入壩體中上部20m深振動沉模防滲板墻施工，總歷時72天，共完成板墻(厚20cm)面積5168.80m2。通過圍井鉆孔取芯樣直觀觀察，在大壩中上部形成一道連續、完整的防滲墻帷幕。防滲板墻取芯樣室內試驗，檢測結果見表2。

表2檢測結果表明，圍井鉆孔檢測的滲透系數為1.89×10-8～4.25×10-8cm/s，滿足不大于1×10-7cm/s規范指標要求；破壞滲透坡降大于500；墻體單根芯樣連續完整，均勻密實度好，抗壓強度為4.65～6.28MPa，滿足不小于4.0MPa規范指標要求。通過振動沉模施工充填了壩體裂隙、空洞等滲漏通道，壩體整體滲透穩定得到提高，防滲加固修復效果明顯。

表2 振動沉模圍井鉆孔檢測結果

4 結 論

為解決七里坡水庫土石壩除險加固工程中防滲墻墻厚超薄、防滲深度深、須深入基巖相對不透水層和投資經濟效益低等問題，探討將高噴灌漿與振動沉模兩種防滲技術聯合。通過技術優勢互補，取得了較好防滲效果和投資經濟效益。主要研究結論如下：

a.振動沉模具有施工工效高、經濟性高等優點，但其防滲深度和難以深達基巖相對不透水層是其應用制約因素；高噴灌漿雖可克服振動沉模的不足，但其造價高、經濟性較低。將高噴灌漿與振動沉模聯合，利用優勢互補分段進行組合防滲，其技術上可行、經濟上優越。

b.七里坡水庫大壩壩基及壩體下部12.5m范圍內采用高噴灌漿，壩體中上半部20m采用振動沉模施工防滲墻，有效阻斷了壩基和壩體滲漏通道。圍井鉆孔試驗表明，防滲墻體連續完整、密實度高，抗壓強度和滲透系數均滿足規范要求，防滲加固效果好。

c.防滲墻竣工投運后，大壩壩基及壩體滲漏問題得到有效治理。組合防滲技術應用于地層相對較復雜、技術標準要求較低的中小型土石壩除險加固工程，防滲效果好、施工工效高、投資經濟效益高，具有較好的推廣應用前景。