低弹模混凝土防渗墙在土坝除险加固中的设计应用.pdf

低弹模混凝土防渗墙在土坝除险加固中的 设计应用 唐 丽 汾 ( 福建省水利规划院，福建 福州3 5 0 0 0 1 ) 摘要 ：该文根据土坝存在的渗漏问题 ，选择采用新型防渗材料低弹模混凝土防渗墙技 术进行坝 体防渗加 固。施工后坝体湿坡消失，防渗效果显著，可供类似工程推广应用。 关键词：低 弹模混凝土防渗墙 ；土坝 ；除险加 固；渗流分析 中图分类号： T V 6 9 8 2 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 2 3 0 1 1 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 5 8 0 3 1 工程概况 三溪 口水库坝址位于福建省 闽侯县祥谦镇 ，闽 江支流淘江上游。坝址以上集雨面积 1 4 k m ，正常 蓄水位 4 8 9 7 m，总库容 1 0 8 9 m 。大坝为均质 土 坝 ，最大坝高 3 2 5 m，坝顶高程 5 4 3 7 m，宽 6 5 5 m，长 2 0 0 m。水库工程于 1 9 5 9年 1 1月动工 ，1 9 6 4 年 8月建成蓄水 ，主要任务为灌溉供水。限于 当时 的设计施工水平及资金投入 ，工程质量较差。经多 年运行 ，坝体渗漏 问题严重。大坝背水坡桩号 0+ 0 8 0 0+1 3 0、高程 3 7 5 m左右存在湿坡现象 ，面 积约 2 0 0 m 。背水坡桩号 0+ 0 3 7 、高程 4 2 8 7 m的 位置存在湿坡现象 ，长有大量杂草 ，面积约 3 0 m 。 虽经多次灌浆处理 ，但未能彻底解决大坝渗漏 问题 。 2 0 0 8年 3月安全鉴定确认大坝为 类坝。2 0 0 9年 3 月大坝进行除险加 固处理。 2 防渗加固方案选择 根据土坝坝体存在的渗漏问题 ，结合类似坝高 的工程经验 ，拟定 3种防渗加固方案进行比较。 方案一 ( 低弹模 混凝土 防渗墙 ) ：利用抓 斗机 形成薄壁槽孔 ，在施工形成 的槽孔 内灌注 塑性混凝 土防渗材料 ，形成连续 的柔性防渗墙 。槽孔抓取时 采用粘土泥浆护壁 ，以防槽孔坍塌。槽孔分成 间隔 的 I 、期 。为保证墙体有效 的搭接厚度 ，施 工采 取 “ 接头管” 法连接槽段。I 期槽孔成槽后 ，将接 头管置人槽孔两端 ，依据初凝时间、浇筑混凝土 的 速度 、气温等 因素 ，确定起拔时 间。全部拔出后形 成接头孔 ，等 期槽孔浇筑时 ，混凝土嵌入 I 期槽 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 60 7 S 8 孔形成连续墙 。本方案在土体及岩基都有一定 的作 用 ，防渗厚度均匀连续 ，防渗效果和耐久性好 ，工 期短。 方案二 ( 劈裂灌浆) ：利用坝体最小主应力面 和坝轴线方 向一致 的规律 ，根据土体水力劈裂 的原 理 ，顺坝轴线布孔 ，在灌 浆压力下 ，以适宜的泥浆 液为能量载体 ，有控制地劈裂坝身 ，将与浆脉连通 的所有裂缝、空洞、空隙等隐患用泥浆充填密实， 将坝体填土压密 ，最终在坝 内沿 坝轴线形成密实 、 垂直 、连续 、有一定厚度 的浆液防渗固结体 ，达 到 防渗加固的目的。通过浆、坝互压和湿陷，使坝体 内部应力重新分布，提高坝体的稳定性。施工采用 “ 少灌多复” 的方法 。待第一序孔灌 浆结束后 ，才 能进行第二序孔灌浆。本方案只适用于土质及粉细 砂的地质 ，不适合岩基。施工时灌浆压力较难控制 ， 如原坝填土质量差 ，有可能造成劈裂方 向错位 。工 期较长 ，施工质量不好控制。 方案三 ( 三管高压摆 喷防渗墙 ) ：采用 泥浆 固 壁循环钻进法成孔后 ，下入喷杆的同时制备好水泥 浆备用 ，喷杆到位 ，调节好喷射方向和摆动角度后 ， 用高压泵将预制好 的水泥浆加压 ，经过高压软管输 送到喷头 ，从 喷嘴中喷射 出来 ，冲击和切割土体 ， 以水泥质浆液强制搅拌充填、参 昆其中。以水、气 、 浆为介质 ，使用一对水平喷嘴喷出 3 5 3 8 MP a的被 压缩空气保护 的高压水柱射流切 割破坏被灌地 层 ， 出浆 口垂直 于高压水 嘴。在 高喷管 底部灌 入 比重 1 51 7 g e lT I 的水泥浆充填被高压水劈开的空间 ， 将地层中的小颗粒部分排出地面，剩余 的在水泥浆 气作用下重新分布后 ，与水泥浆一起形成高喷防渗 板墙。本方案只能适用于土质及岩基地质 ，灌浆 时 采用折线连接 ，灌浆压力及孔斜率较难控制 ，工期 长，施工质量不好控制 。 经 比较 ，方案二造价相对较低 ，但施工工艺要 求较高，灌浆压力控制要求严格 ( 否则易造成劈裂 方向错位) 。劈裂灌浆 形成 的防渗泥墙 比方案一 的 低弹模混凝土防渗墙、方案三的水泥土防渗墙耐久 性差 ，且工期较长。方案三施工工艺相对较高 ，灌 浆时采用折线连接时 ，对孔斜率控制要求严格 ，否 则易造成防渗墙不连续。摆喷防渗板墙最薄处厚约 1 0 0 mm，比低弹模混凝土防渗墙 薄，相应的防渗效 果也比它差。工期相对较长，防渗刚体与土坝坝体 变形不一致 。方案一施工方法成熟 ，泥浆护壁开槽 ， 灌注混凝 土成墙 ，可深入基岩 0 5 m，彻底解决大 坝坝体及坝基的渗漏问题 。防渗墙墙体厚度均匀连 续 ，整体性好。坝体 防渗墙材料采用低弹模混凝土 材料 ，水泥用量小 ，掺加 了大量膨润土，弹性模量 低 ，对地层的适应性好 ，解决 了普通混凝 土防渗墙 在水库水压力作用下易发生较大变形出现应力集 中 从而发生裂缝 、影响防渗效果的问题 。因此选择采 用方案一 ，即低弹模混凝土防渗墙方案。 3 主要性能指标设计 低弹模混凝土防渗墙是一种新型柔性防渗墙体 ， 采用科学的配合 比方法调整防渗材料 ，使 防渗墙体 更适应周围墙体 的应力应变 ，近几年 已被广泛应用 于病险水库防渗加 固。针对本工程特点 ，主要考虑 适宜的强度和较低 的弹模量、水力梯度要求 、抗渗 性能 、可靠性和耐久性 ，提出低 弹模混凝 土防渗墙 主要性能设计指标 ：抗 渗等级为 W6 ；墙 身渗透系 数不大于 1 X 1 0 c m s ；弹模 3 0 0 0 M P a E 2 8 5 0 0 0 MP a ； 抗拉强度不低 于 0 7 MP a ；抗压强度不 低于 R 2 8 d 1 0 MP a 。 墙体材料采用掺膨润土 ，二级配混凝土 ，强度 等级 C 混凝土配合 比通过试验确定 ，并经现场施 工验证 ，详见表 1 。 表 1 低 弹模 混凝 土防渗墙 施工 配合 比 4 防渗墙厚度选择 根据已建防渗墙 的统计 ，设计采用允许渗透坡 降 J 为 6 0 ，混凝土防渗墙承担最大水头H = 2 8 7 2 r n ，则防渗墙厚度 B必须满足下式 ： BAH J 式 中：AH为上下游水头差 ； J 为防渗材料渗透坡降。 当上游库水 位为校核水位 5 1 5 9 m、下游水位 为2 2 8 7 m时，选定 3种墙厚分别为0 6 m、0 8 r n 、 1 0 m，采用理正岩土系列渗流分 析软件 ( 渗流问 题有限元分析 )进行渗流分析 比较。坝体分 区及地 基渗透系数见表 2，不同防渗墙厚度 的单宽渗漏量、 最大渗透坡降变化见表 3 。 表 2 坝体 分区及地基渗透系数 表 3 不同防渗墙厚度单宽渗漏量、最大渗透坡降变化 从表 3看 ，心墙越薄 ，单宽渗漏量 、最大渗透 坡降越大 ，说 明水流较 容易穿过心墙 向下游 流动 ， 防渗效果差 ，不利于大坝的安全稳定。心墙厚度大， 虽然防渗效果较为显著 ，但造价增加 ，施工也不便 。 综合考虑大坝渗透稳定 、防渗墙结构强度及便于施 工要求 ，并结合参考以往 的类似工程实例 ，本工程 防渗墙厚度选用 0 8 m。 5 渗流计算分析 5 1 计算断面 防渗墙厚 0 8 m，断面选取河床段最大断面位 置桩号 0+1 0 0 ，根据地质资料 ，坝基为弱风化晶屑 凝灰熔岩 ，背水坡设排水棱体 ，坝体分区及地基渗 透系数见表 2 。 5 2 渗流计算工况 根据地勘资料 ，填筑土临界渗透坡降计算公式 如下 ： J = ( G 一1 )( 1 一n ) = 0 9 1 3 式 中：G 为土粒比重 ，G = 2 7 3 ； n为土的空隙率 ，n= 0 4 7 3 。 本工程属重要工程 ，安全系数取 2 0，坝体土 料渗透坡降 J =0 9 1 3 2= 0 4 5 6 。 59 水库 上 游校 核 洪水 位 5 1 5 9 m，设 计 洪水 位 工况 1 ：上游校核洪水位 +下游水位 5 0 9 6 m，正常蓄水位 4 8 9 7 m，下游水位 2 2 8 7 m。 工况 2 ：上游设计水位 +下游水位 对下列 4种不 同的工况采用理正岩土系列渗流分析 工况 3 ：上游正常蓄水位 +下游水位 软件 ( 渗流问题有 限元分析 )进行渗流稳定分析 ， 工况 4：上游校核洪水位骤降至死水位 +下游 成果见表 4 ，加 固前后渗流分析见图 1 。 水位 表 4 土坝渗流计算成果 工 况 1 工 况 2 工 况 3 工 况 4 图 1 4种工况下大坝 加固前后渗流分析 5 3 成果分析 ( 1 )设计计算成果分析 ：加 固后的坝体单宽渗 漏量比加固前减少，最大渗透坡降满足规范要求， 溢出高程降低。从 图 1的浸润线分析看 ，加 固后 的 浸润线在防渗墙位置降低了 3 5 6 m。 ( 2 )实施后 的检测情况 ：三溪 口水库防渗墙加 固后 ，福建省水利水 电科学研究 院检测 中心对坝体 防渗墙进行钻孔检测。从现场取芯样看 ，防渗墙混 6 0 凝土连 续、完整 ，胶结 良好。从室 内试 验成果看 ， 防渗墙渗透系数为 ( O 2 1 1 8 3 ) 1 0 一 e m s ，抗 压强度 均大于 1 0 MP a ，弹模在 3 0 0 05 0 0 0 M P a ， 均达到设计要求。 ( 3 )实施后防渗外观效果 ：原来的背水坡湿坡 现象消失。 6 结语 混凝土防渗墙是水工建设 中较普遍采用 的一种 地下连续墙 ，是透水体 防渗处理 的一种有效 措施。 低弹模混凝土防渗墙是在混凝土 防渗墙 的基础上 ， 科学采用混凝土配合 比方法调整 了防渗体的材料 ， 使防渗墙体更适应周围墙体 的应力应变 ，是一种新 型柔性防渗墙体 ，弹模 小 ，与周 围变形 协调较好 ， 具有抗渗性能强、弹性模量较低、适应土坝变形等 特点。三溪口水库大坝采用低弹模混凝土防渗加固 后 ，湿坡消失 ，防渗效果显著 ，解决 了坝体渗漏 问 题 ，恢复了水库正常的灌溉 、供水效益 ，提高了大 坝安全性能 ，促进了地方经济社会发展。实践证明， 低弹模混凝土防渗加 固技术施工速度快，防渗效果 好 ，可靠性高 ，可在类似土坝除险加固中推广应用 。 参考文献 1 王 清友 ，孙 万功 ，熊欢 塑 性混 凝 土 防渗 墙 M 北京 ：中国水利水电出版社 ，2 0 0 8 2 祁庆和 水工建筑物 M 北京 ：中国水利水 电 出版社 ，1 9 9 6 3 白永年 中国堤坝防渗加 固新技术 M 北京 ： 中国水利水电出版社 ，2 0 0 1 作者简介 ：唐 丽汾 ( 1 9 7 4一) ，女，福 建 仙 游 人，工程师，从事水利水电工程设计工作。