塑性混凝土防渗墙在黄大山水库除险加固工程中的应用.pdf

塑性混凝土防渗墙在黄大山水库除险加固工程中的应用 郭攀攀 ( 河海大学设计研 究院有限公 司 江苏 南京2 1 0 0 9 8 ) 摘要 塑性混凝土防渗墙在病险水库除险加固工程 中应用广泛， 本文通过对黄大山水库防渗加固的 工程实例总结， 介绍了均质土坝中塑性混凝土防渗墙的设计、 施工经验 ， 旨在为类似工程提供 借 鉴。 关键词 病险水库； 防渗墙； 塑性混凝土； 设计； 施工 中图分类号 ： T V 6 9 8 2 + 3 文献标识码 ： B 1工程概 况 黄大山水库位于明光市桥头镇境内， 来水 区域为浅山地形 ， 属淮河流域花园湖水系。水 库集水面积3 8 3 k in ， 防洪标准为 3 0年一遇设 计 ， 3 0 0 年一遇校核， 正常蓄水位 3 5 0 0 m， 设计 洪水位 3 6 2 5 m，校核洪水位 3 6 9 8 m，总库 容 1 3 9 4万 m ， 是一座 以灌溉为 主 ， 兼有防洪 、 水 产养殖等综合利用的小( 1 ) 型水库。枢纽工程 由大坝、 溢洪道、 放水涵洞等组成。大坝为均 质 土坝 ，坝 顶全 长约 5 0 0 m，设计 坝顶 高程 3 7 9 0 m， 坝顶宽度 4 0 m， 最大坝高约 1 3 m。 本水库兴建于上世纪七十年代初期 ， 建设 不规范， 施工质量较差， 建成后又未进行有效 管理和养护 ， 致使工程存在较多不足和安全 隐 患， 如坝体填筑质量达不到要求， 老河槽段坝 基渗水 ， 坝脚积水严 重 ， 渗流稳定 复核不满足 要求等， 迫切需要进行除险加固。 2工程地质条件及主要问题 2 1工程地质条件 根据工程地质勘察 ， 坝体 主要 由重粉质壤 土和重粉质壤土含砾砂所组成 ； 坝基主要 由粉 质粘土夹砾砂和砾砂层组成， 下伏基岩为石英 砂岩。各土层简述如下 ： 坝体填土为层重粉质壤土：含水量范 围值 2 6 2 7 2 9 4 9 ， 平均 干密度 1 4 9 g c m ， 平均压实度 8 8 7 。直接快剪粘聚力小值平 均值 2 7 1 k P a 、内摩擦角小值平均值 1 1 3 。， E s = 4 4 M P a 。 坝顶注水试验成果表明渗透系数 均值 3 6 1 0 c m s ， 属中等透水性。 层粉质粘土夹砾砂 ，砾砂含量约 5 1 5 ，层 底 含 量 增 大 ，呈 可塑 状 ，桩 号 0 + 0 0 0 0 + 2 9 0 坝体直接覆盖在本层上；中等 强度 ， 中压缩性， 层厚分布不均 ， 河槽段分布 较薄； 含水量范围值 2 5 6 1 2 7 9 7 ， 干密度 平均值 1 5 4 g e m ；直接快 剪粘 聚力小值平 均 值 3 5 0 k P a 、内摩擦角小值平均值 1 4 6 。 ， E s = 6 0 M P a ； 渗透系数 4 01 0 c m s ， 属弱透 水性 ， f k = 1 4 0 k P a 。 层砾砂， 呈松散状， 主要分布于河槽段 桩号 0 + 0 8 0 0 +1 7 5附近 ， 最大埋深 约 1 6 m， 直 接快剪内摩擦角建议值 2 3 。； 渗透系数 3 0 1 0 _ 2 c m s ， 属强透水性 ， = 1 2 0 k P a 。该 层处 于老 河槽， 原坝体建设未清基处理。 层石英砂岩， 强风化， 左右岸坡埋藏较 浅 ， 强度高， 为弱透水层， 工程地质条件好， 层 顶风化破碎 、 透水性相对较大 ， f k = 4 0 O k P a 。 2 2 存在问题 根据 钻孔揭示 ， 、 层工程地 质条件较 好 ， 透水性弱， 无须处理， 但、 层工程地质 条件 较差 ， 其 中坝体 为 层重粉质壤 土 ， 压实 度达不 到现行规范要求 ，渗透 系数 1 1 0 - 4 c m s ， 防渗性能差， 应进行防渗加固。坝基 夹层砾砂， 呈透镜体状分布， 渗透系数大， 为 强透水性 ， 是坝基主要渗漏通道， 造成坝脚积 水 ， 除险加固必须将 其截断。 3防渗方案设计 3 1防渗方案选 择 均质土 坝防渗加 固方法一 般有坝顶垂 直 防渗和坝前坡面防渗两大类， 本地区常用的垂 直防渗主要有： 水泥搅拌桩防渗墙、 套井冲抓 回填粘土防渗墙、 坝体劈裂灌浆防渗、 帷幕灌 浆防渗、 塑性混凝土防渗墙等方法； 坡面防渗 主要有： 加设粘土斜墙、 土工膜防渗等。以上 方法各有其优缺点和适用范围。 本水库设计对坝坡进行整修， 可满足现行 规范坡比要求， 无须覆土， 另坝基较深， 则坡面 防渗方案不适用。初步设计时， 大坝加固提出 了三种垂直防渗方案： 套井冲抓回填粘土防渗 墙、 高压喷射灌浆防渗墙、 塑性混凝土防渗墙， 现就这几种方案进行分析 。 ( 1 ) 套井 冲抓 回填粘土防渗墙方案 本方案是用冲抓锥造孔， 把原坝体坝基不 合格土体抓 出， 形成直井后 回填抗渗性能较好 的粘土 ，孔与孔套 接形成一道连 续 的粘 土心 墙 。 同时粘土夯实对井孔壁周围的土体有挤实 作用 ， 增加其密实度 。该项技术适合用于心墙 坝、 均质坝和类均质坝 ， 在低水位条件下进行。 设计 主要包括钻孔 直径 、 深度 、 防渗墙有效 厚 度 ， 以及 回填土料的物理性能 、 回填层厚 、 夯击 功能等施工技术参数的选定。 ( 2 ) 高压喷射灌浆防渗墙方案 本方案是利用钻机造孔， 而后利用带有喷 头的灌浆管下至预定位置， 以高压将浆液或水 喷射 出来 ，在破坏土层 的同时将浆 液与 土混 合， 从而形成防渗凝结体。 根据坝基基岩特性 、 深度以及类似工程防渗效果， 防渗墙采用摆喷 桩对接形成折线形防渗帷幕 ， 单排 布置。喷射 浆液采用纯水泥浆， 形成的墙体渗透系数不大 于 1 1 0 m s 。 ( 3 ) 塑性混凝土防渗墙方案 本方案是利用专用的造孔设备营造孔槽， 采用泥浆护壁， 用导管在注满泥浆的槽孔中浇 注塑性混凝土并置换出泥浆 ，形成低弹模墙 体。与普通混凝土相比， 塑性混凝土水泥用量 少 、 弹性模 量低 、 极 限应 变大 、 能适 应较 大变 形， 具有造价较低、 施工方便等优点。 大坝防渗 处理后与坝基不透水层形成封闭体， 可大大降 低下游坝体浸润线，增强下游坝坡的抗滑稳 定。以往 ， 混凝 土防渗墙 的宽度因施工机械的 限制 ， 一般在 6 0 c m 8 0 c m， 使成本增加 ， 小型 水库应用受 限。随着施工机具的发展 、 薄型液 压抓斗的研制， 开槽宽度可至3 0 c m， 形成薄型 混凝土防渗墙( 宽度 3 0 c m 5 0 e m) ， 工程造价 大幅降低 ， 应用范围迅速扩大。 施工前， 应对塑 性混凝 土进行室 内配合 比试验 ， 达到设计提出 的性 能要求 。 3 2防渗加 固方案的确定 综合以上 3 种防渗加固方案，结合本水 库 防渗深 度 ( 最 大 1 6 m) 、 坝 顶窄 ( 4 m) 、 规 模 小 ( 小 1型 ) 等 特点 ， 如选 用套 井 回填 粘土 方 案 ， 坝基 段松 散 的砾 砂层 宜 塌孔 ， 造 成 清 基不彻底 ， 且井柱内粘土回填质量不易控 制 ， 防渗效果打折扣 ； 如选用高压摆喷灌 浆方案， 能够满足各类土层的施工、 防渗 要求 ， 但施工精度要求高 、 造价较方案三 高约 4 0 ；而选用塑性混凝土防渗墙方 案， 墙体开槽施工， 直观明了， 墙体厚度均 匀 、 连续性好 ， 质量可靠 ， 对坝体 、 坝基均 能起到较好的防渗加固处理， 塑性混凝土 能够适应坝体的变形 ，工程投资适中， 所 以选定此 方案 。 3 3 塑性混凝土防渗墙设计 3 3 1 墙 体布置范围 针对大坝存在的问题，防渗墙应伸人 相对不透水层 ， 并 与两端坝基连接 ， 形成 封 闭的不透水体系。设计防渗处理范围为桩 号0 + 0 0 0 0 + 3 2 0段， 共 3 2 0 m， 即从溢洪道 至高放水涵之间最大坝高范围，含盖老河 槽段。防渗墙位于坝轴线处，墙顶高程为 3 7 0 0 m， 高于最高洪水位 ， 墙底部嵌入层 相对不透水层， 防渗墙深度 6 7 m 一 1 6 4 m， 平 均深度约 1 1 7 m， 总成墙面积 3 7 2 0 m2 。墙体 布置详见图 1 。 3 3 2 墙体厚度设计 防渗墙的厚度应满足墙体抗渗性、 耐 久性、 满足墙体应力和变形的要求 ， 同时还 应考虑地质情况及施工设备等因素。由于 尚无规范的计算方法和理论， 在设计时， 根 据破坏 时 的水 力坡 降来确定 墙体 厚度 ， 计 算公式为： T= KH J 一 式中： T 一防渗墙计算厚度， m； H 作用在墙体上的最大水头 差 ， m； K 抗渗安全系数， 一般取 3 - 5 ； J 一防渗墙渗透破坏坡降； J 一混凝土防渗墙允许水力坡降， J p = J 衄 K。 根据 国内一些已建成的塑性混凝土防 渗墙试验表明，配合比合适的塑性混凝土 抗机械破坏的水力坡降可超过 3 0 0 ， 如果抗 渗安全系数取 K = 5 ， 则 L为 6 0 ， 与国外多采 用的j = 5 o 一 6 O 相符。假定防渗墙承受的最 大水头差与坝前水深相同，计算得防渗墙 厚度 T = AH J = 0 2 1 m，结合施工机械等因 素，选用 0 3 m厚的塑性混凝土防渗墙 ， 采 用薄型液压抓斗成槽。 3 3 3墙体材料指标 塑性混凝土具有抗渗性能好、变形模 量低、 极限应变值大、 适应变形能力强等特 点 。 本水库大坝 已建成数十年 ， 沉积基本完 成， 坝体应力应变较小， 设计要求的成墙指 标为：墙体厚度不小于 0 3 m，墙体渗透系 数 11 0 m s ，抗压 强 度 为 2 0 MP a 4 0 M P a ( 2 8 d ) ， 弹性模量2 0 0 0 M P a 。 根据已完成的同类项目，设计建议的 表 1 塑性混凝土配合 比及试验成果表 材料名称 水 水泥 膨润土 砂 碎石 外加剂 砂率 配合 每立方米 2 7 0 2 2 0 8 0 8 o o 7 5 0 3 9 0 5 2 比( 干 用量 ( k s ) 料计 ) 配合比 1 - 2 3 1 0 3 6 3 6 4 3 4 l O O 2 7 d 2 8 d 实 坍落度 1 9 0 mm 容重 2 3 6 0 m3 k g 抗压强度 4 8 MP a 7 6 MP a 测 抗压强度 值 扩散度 3 7 0 m m 渗透 3 9 7 l O _ 7 c m s 抗渗等级 弹性模量 1 9 0 0 M P a 系数 图 1 防渗墙纵剖面图 高程 r 3 9 塑性 混凝 土 配合 比为 ：水 泥用 量不 小 于 1 0 0 k g m3 , 膨润土用 量不小于 4 0 k g m ， 水 泥 与膨润土的合计用量不小于 1 8 0 k g m ， 胶 凝材料总量不小于 3 0 0 k g m ，砂率不小于 4 5 ， 水胶比通过试验确定。 4塑性混凝土配合比试验及力学 特性 4 1 配合 比试验 防渗墙施工前 ， 按照设计提出的指标 ， 以当地水泥、 膨润土、 砂石为原料 ， 对塑性 混凝土的不同配合比进行了试验。根据河 海大学试验中心试验 ，推荐施工配合比及 室内试验检测成果见表 1 。 4 2力学特性 根据室内试验成果，塑性混凝土材料 力学指标 的一 般规 律为 ：抗压强度 随龄期 延长而不断增长，弹性模量与强度变化趋 势一致， 而渗透系数呈反比关系， 抗压强度 随水泥用量增 加而提高 ，随胶凝材料 增加 而降低。 上述 室 内试 验采 用膨 润 土 塑性 混 凝 土 ， 力学指标 除抗压 强度 外均满 足设计 要 求， 而较高的抗压强度主要为水泥用量偏 大 ， 考 虑施 工 时采 用粘 土 泥浆 护壁 ， 不 可 避免的混入胶凝材料中， 因此 ， 以渗透系 数作为控制指标 ， 以上参数可以作为施工 配合 比。 5塑性混凝土防渗墙施工 5 1 主要施工过程及质量控制 防渗墙施工质量是大坝防渗成败的 关键 ， 故在施工过程中采用了多种措施控 制成墙质量， 主要有： 施工时严格按规 范程序操作 ， 先进行放样、 导墙等准备工 序 ， 回填土压实， 防止成槽过程中倾斜 、 塌 孔等不利影响。采用“ 抓取法” 工艺施 工 ，施工 机具采 用 自带 电脑 控制 的 G B 2 4 型液 压抓斗 成槽 ， 该机 能精确控 制抓 取深 度 ， 槽 壁精 度 高 ， 稳定 性好 ， 噪 音小 ， 施 工 速度快， 确保成槽的深度、 宽度满足设计 要求。为分散坝面施工荷载， 避免坝体 槽孔受力集 中而产生裂缝，导致漏浆 、 塌 槽等事故 ， 槽孔全段分一 、 二期槽， 施工顺 序为先一期槽孔 ， 后二期槽孔。为尽量 减少墙体接头 ， 槽长取大值选为 9 m， 每个 槽段分主副孔进行，主孔控制宽度 2 8 m， 副孔控制宽度 2 4 m 。成槽过程中， 采用 掺优质膨润土泥浆进行护壁， 使孔内泥浆 C ， c j r G 团结水闸除险加固工程泄流能力分析与计算 摘要 关键词 1工程概况 李连国 李祖海 ( 1 江西省水利规 划设计 院江西 南 昌 3 3 0 0 2 9 ； 2 山东水利建设股份有限公司 山东 济宁2 7 2 0 2 1 ) 合理的计算出水闸泄流能力是水闸除险加固工程的基础条件， 本文结合工程实例， 对现状水闸 和除险加固后水闸两个方面对水闸的泄流能力进行 了计算，并对计算结果进行 了分析说明， 为 类似工程 的设计提供借鉴经验。 泄流能力； 团结水闸； 计算； 除险加固工程 中图分类号 ： 1 V 6 6 文献标识码 ： B 水闸工程是 国民经济和社 会发展 的重 要 基础设施 ， 新 中国成立 以来 ， 我国修建 了大量 水闸， 据不完全统计， 我国已建成各类小( 1 ) 型 以 水闸四万余座。但我国的水闸大部分建 于 2 0世纪 8 0 年代以前， 由于当时社会经济和 技术条件的限制， 同时， 我国的水文记录历史 也比较短 ， 使这些水闸在建成后就存在着防洪 标 准和建设标准低 、 建设治理差等诸多问题 。 根据 全国大中型病险水闸除险加固专项 规划 ， 全国共 2 7 2 1 座大、 中型水闸列入除险 加 固工程规划 ，其中大 型水 闸 3 5 2座 ，中型 2 3 6 9座 ，病险水闸 中大部分存在过流能力 不 足的问题 。 团结水闸位于广丰县东南部的沙田镇十 六都村， 坐落在丰溪河支流十五都港的下游 ， 闸址控制流域面积为 3 7 0 k m ， 灌溉面积 7 5万 亩 ， 水 闸下泄流量 2 0 0 0 m 3 s ， 是一座 蓄 、 引 、 提 综合利用的大( 2 ) 型水闸工程。 老团结坝 1 9 7 1 年 1 0月到 1 9 7 2年 3月建 造，是一座斜交河床布置的采用干砌石护面 ( 内用砂卵石堆填 )的堆石滚水坝 ， 1 9 9 8年该 坝被洪 水冲毁 严重 ， 1 9 9 8年 1 2月 2 8日重 新 动工加 固 ， 1 9 9 9年 5月底完工 。 水闸工程主要 建筑物有： 左岸溢流坝、 泄洪闸、 右岸溢流坝 、 灌溉进水闸等。水闸建成后主要功能是拦蓄 水量， 提供农业灌溉用水， 工程已投入运行 4 0 年， 为当地的农业发展做出了重要贡献。 工程运行后基本达到设计目的， 但因受兴 建时的经济条件、 技术水平等限制， 工程在设 计上不够合理 ， 对上游泄洪、 特别是河堤的防 洪能力等问题考虑不周， 时至今 日， 水位高时， 洪水漫溢， 农田受淹， 上游河床逐年淤塞抬高。 团结水闸工程 的正常运行 ， 对 当地 的农业发展 做出了重要贡献 ， 但工程 自 身存在的问题对上 游防洪， 农业灌溉等已构成威胁。 鉴于团结水 闸所起 的作用 ， 为确保其运行 安全 ， 2 0 0 8年 1 2月 由上饶市水利局组织 成立 了广丰县团结水闸工程安全鉴定专家组， 对该 工程进行 了全 面安全鉴定 ， 并根据鉴定意见形 成了团结水闸 水闸安全鉴定报告书 。 报告 书 鉴定确认 团结水 闸为三类闸 ， 属病险水闸 。 本文针对现状水 闸泄流能力不足的问题 ， 对水闸现状溢 流坝 和泄洪 闸联合 泄流进 行了 试算复核， 解决了联合泄流中对淹没系数相互 影响的 问题 ，并对 加固后泄流能 力进行 了计 算， 为合理的选择设计方案提供了条件。 2现状水 闸泄流能力复核 现状水 闸由原来 的滚水坝改建而成 ， 闸坝 坝轴线 长 1 2 4 3 m， 闸顶高程为 1 5 0 0 m， 水 闸工 程现状 主要建筑物呈 “ 一 ” 字型布置 ， 从左至右 分别为 ：左岸 溢流坝 ( 开 敞式 无闸 控制 ， 长 3 2 5 m ) 、 泄洪闸( 长 3 8 8 m ) 、 右岸溢流坝等( 开 敞式无闸控制，长 5 3 0 m) 。灌溉进水闸 ( 长 9 7 m) 位 于左坝头左侧 ， 灌溉进水 闸引水 渠轴 线与坝轴线形成 7 O 。夹角 。 本工程泄洪闸堰顶高程 1 4 3 2 m，高于坝 面始终保持在导墙顶面以下 3 0 c m 5 0 e m， 每 一 槽段 完成后 ， 必 须检查 验收 ， 清孔换 浆 ， 达 到要求后再进 行塑性混凝 土的浇筑 。 浇筑 过程中确保导管埋入混凝土深度不小于 l m， 保 持整个槽段 内的混凝土 面均匀上升 ，速度 不小于 2 m h ， 每 3 0 mi n测 定一 次混凝 土 面的 深度 ，保证 混凝 土面 高差控 制在 0 5 m范 围 内。 槽段连接采用接头管法， 浇筑过程中经 常活动接头管， 保证接头质量可靠。 5 2质量检测结论 塑性混凝土防渗墙从 2 0 1 2年 2月开始 施工 ， 至 当年 4月初 完工 。 次月 ， 经第三 方现 场探坑 、 室内试验及探地雷达等检测 ， 墙体 深度满足设计要求 ， 轴线较为平顺 ， 成墙质 量较 好 ，墙 体 厚度 在 3 0 1 e m 3 1 0 c m 之 间 ， 大于设计要求的最小厚度 3 0 e m，无侧线抗 压强 度值在 2 2 MP a 2 3 MP a之 间 ， 低 于室 内 试验 成果 ， 但符 合设 计 要求 指标 ， 线性 换 算 得 弹性 模量 约 9 0 0 MP a ，渗透 系数 在 3 5 3 1 0 r r d s 8 8 7 1 0 - 7 e m s 之间， 小于设计要求 的 1 1 0 e m s ， 墙体完整性、 连续性均较好 ， 达到设计预期 目标。 6结语 黄大山水库除险加 固后从 2 0 1 2年 7月 投入试运行 ，经过当年和第二年两个汛期高 水位检验， 坝脚不再有积水 ， 防渗效果 明显 ， 说明本工程塑性混凝土防渗墙的设计、施工 是成功 的。 本工程实践表明， 塑性混凝土防渗墙技术 应用于小 型水库 大坝除 险加 固工程 ， 可有效解 决坝体 坝基渗漏 问题 ，且具有施工速度快 、 工 程造价低、 防渗效果好、 可靠性高等特点， 是均 质土坝防渗加 固较好 的措施之一。 随着塑性混 凝土防渗墙技术 的进一步发展 ， 施工机具 的不 断创新和完善 ， 经济效益的不断提高， 其用途 将日益广泛。陕西水利 参考文献 1 i ng ， 扬静 ， 姬 宏奎 塑性混凝 土弹 性模量 研究U 三峡大 学学报 ( 自然科 学版) ， 2 0 1 2年 1 O月 ( 责任编 辑 ： 黄灵芝 )