彰武水庫大壩防滲處理分析

付艷林，王偉娟，任松林

（1.河南省豫北水利勘測設(shè)計(jì)院,河南 安陽455000；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州450000）

0 概 述

彰武水庫位于河南省安陽市西南25 km的海河流域衛(wèi)河支流安陽河上，與其上游10 km處的小南海水庫組成梯級水庫。小南海水庫控制流域面積 850 km2，現(xiàn)狀總庫容 1.075 億 m3；彰武水庫控制小南海水庫以下區(qū)間流域面積120 km2，現(xiàn)狀總庫容0.78億m3。彰武、小南海兩水庫控制流域總面積970 km2，占安陽河總流域面積的50.5%，為安陽市以上的63.8%，為安陽河的防洪發(fā)揮了巨大作用。

彰武水庫建筑物由大壩（主、副壩）、溢洪道、輸水洞和電站四部分組成。從現(xiàn)狀查勘、分析來看，水庫的壩前防滲粘土鋪蓋先天不足，左段臺地清基不徹底，自然鋪蓋含鈣質(zhì)結(jié)核薄厚不均，存在滲流破壞隱患，需進(jìn)行防滲加固。但現(xiàn)狀鋪蓋缺失反濾層，采取補(bǔ)救措施彌補(bǔ)缺陷繼續(xù)利用困難太大，因此，本次設(shè)計(jì)壩基防滲加固采用垂直防滲。

大壩防滲處理采用混凝土防滲墻垂直防滲和壩坡土工膜防滲相結(jié)合的方式，整個(gè)大壩形成一個(gè)封閉的防滲體，本文重點(diǎn)分析混凝土防滲墻防滲方案。

1 防滲方案比較

根據(jù)多年運(yùn)行觀測，壩基滲透薄弱部位位于主河槽和主副壩結(jié)合處，副壩位于安陽河左岸的二級階地上，雖然基礎(chǔ)下部膠結(jié)松散的礫巖屬強(qiáng)透水層，但基面高程已達(dá)132.0 m，高于正常蓄水位1.0 m，最大壩高僅7 m，滲流對大壩穩(wěn)定安全影響不大，本次設(shè)計(jì)垂直防滲工程只是針對主壩段和主副壩結(jié)合段。為了取得較好防滲效果，避免出現(xiàn)接觸沖刷，垂直防滲體頂部應(yīng)伸入壩體，底部應(yīng)伸入基巖。

根據(jù)大壩上游坡現(xiàn)狀平臺設(shè)置，123.0 m平臺位于主壩壩腳處，132.0 m平臺貫通主副壩，對垂直防滲體頂部高程設(shè)置做了兩個(gè)方案比較，方案一：垂直防滲體頂部高程主壩部分位于123.0 m平臺，隨著向副壩延伸頂部高程漸變到132.0 m；方案二：沿大壩132.0 m平臺向下做垂直防滲體。經(jīng)比較，方案一工程量小，但主副壩結(jié)合段垂直防滲體頂部高程變化大，施工過程復(fù)雜；方案二垂直防滲體頂部高程一致，施工方便，防滲體頂部高程高于正常蓄水位1.0 m，不僅解決了壩基防滲，而且還加強(qiáng)了壩體防滲，但工程量較方案一增加許多。考慮1994年水庫除險(xiǎn)加固時(shí)已從上游123.0 m平臺向上對大壩進(jìn)行培厚，從一定程度上彌補(bǔ)了大壩建筑質(zhì)量差的缺陷，本著安全、經(jīng)濟(jì)、適用的原則，采用方案一：垂直防滲體向下穿過砂卵石層深入基巖0.5 m。

大壩垂直防滲體比較了混凝土防滲墻和高壓噴射灌漿兩種方案。

（1）高壓噴射灌漿方案：高壓噴射灌漿是借助數(shù)十兆帕的高壓射流沖切摻攪地層，漿液只在射流的范圍內(nèi)擴(kuò)散，與地層顆粒摻拌形成復(fù)合防滲體，基本不改變地基整體應(yīng)力狀態(tài)，具有較好的可控性和可灌性。

高噴灌漿有關(guān)技術(shù)要求如下：

①范圍：高噴防滲范圍包括主壩和主副壩結(jié)合處。為使高噴板墻與上、下兩界面牢固結(jié)合，達(dá)到更好的防滲效果，高噴板墻伸入壩體，底部應(yīng)伸入基巖0.5 m左右，底部高程隨河床而變化。

②設(shè)計(jì)要求：要確保防滲墻的連續(xù)，且成墻厚度不少于0.3 m。鉆孔總誤差要求控制在5‰以內(nèi)。要求避免壩體接觸沖刷，消除壩體險(xiǎn)情。

③噴射方式：采用擺噴的噴射方式。

④孔、排距：采用單排孔，孔距 1.5 m。

該方案投資共946.5萬元。

（2）混凝土防滲墻方案：作為垂直防滲技術(shù)，混凝土防滲墻是粒狀底層的主要防滲手段。它的主要優(yōu)勢是：墻的厚度可以得到有效控制，墻段之間結(jié)合緊密，幾乎達(dá)到完全止水的程度，墻體施工便于操作。

選用沖擊鉆機(jī)配合液壓抓斗成槽法開槽，采用塑性混凝土作為墻體材料，墻體厚度確定為0.5 m。該方案投資共1 003.9萬元。

方案比較：高壓噴射灌漿方案施工工藝簡單，施工效率高，對砂卵石層的防滲比較有效，但施工過程中由于滲流作用，水泥顆粒有可能被滲透水流帶走，對鉆孔誤差要求較高，成墻厚度不易保證。近十多年，混凝土防滲墻施工技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展迅速，新技術(shù)、新材料和新工藝的推廣降低了施工難度，已較廣泛應(yīng)用于病險(xiǎn)水庫土石壩的防滲加固，采用沖擊鉆配合液壓成槽機(jī)開槽成墻，成墻厚度均勻，連續(xù)性好，對地基適應(yīng)性強(qiáng)，雖然工程投資略高于高噴方案，但施工質(zhì)量可靠，防滲效果好，所以，本次設(shè)計(jì)采用“置換型”的混凝土防滲墻方案。

2 混凝土防滲墻設(shè)計(jì)

2.1 墻體布置范圍

混凝土防滲墻頂部自大壩上游坡123.0 m高程平臺向副壩延伸漸變至132.0 m高程，造孔自樁號0-180～0+680，全長890 m，防滲墻底部原則上嵌入相對不透水層0.5 m左右。混凝土防滲墻深度0～22 m，主壩段平均深20 m。

2.2 墻體厚度

防滲墻的厚度應(yīng)滿足墻體抗?jié)B性、耐久性和滿足墻體應(yīng)力和變形的要求，同時(shí)還應(yīng)考慮到地質(zhì)情況及施工設(shè)備等因素。

由于國內(nèi)防滲墻設(shè)計(jì)無規(guī)范，防滲墻的滲透計(jì)算和滲透穩(wěn)定分析以及強(qiáng)度、變形計(jì)算尚無規(guī)范的計(jì)算方法和理論。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)防滲墻破壞時(shí)的水力坡降確定墻體厚度（δ），計(jì)算公式如下：

式中：ΔHmax為作用在防滲墻上的最大水頭差（m）；

K為抗?jié)B坡降安全系數(shù)，一般取3～5；

Jmax為防滲墻滲透破壞坡降，取300。

根據(jù)已建成的混凝土防滲墻統(tǒng)計(jì)，防滲墻允許承受的水力坡降 Jp＝Jmax／K，可達(dá)到 100，當(dāng) K=5 時(shí)，Jp為60，假定防滲墻承受的最大水頭差與壩前水深相同，計(jì)算得 δ=0.2～0.33 m 即可滿足要求。

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為節(jié)約材料，降低成本，在滿足結(jié)構(gòu)要求和安全要求的情況下，混凝土防滲墻可以做得薄一些，但墻體厚度也會(huì)受造孔機(jī)具限制，參考省內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)，大壩混凝土防滲墻墻體厚度確定為0.5 m。

2.3 墻體材料

參考國內(nèi)外已建防滲墻的經(jīng)驗(yàn)，一般采用塑性混凝土作為墻體材料。這種材料有抗?jié)B性能好、變形模量低、極限應(yīng)變值大、適應(yīng)變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

本次設(shè)計(jì)采用塑性混凝土作為墻體材料。塑性混凝土防滲墻的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：彈性模量600～900MPa，28d抗壓強(qiáng)度≥2.3MPa，滲透系數(shù)＜（1～9）×10-8cm／s。 參考配合比見表1。

表1 墻體材料配合比例表 (單位：kg／m3)Table 1 :Mix proportion of the wall material

施工時(shí)混凝土配合比需經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)后確定。

2.4 混凝土防滲墻施工技術(shù)要點(diǎn)

為滿足施工場地的要求，將123 m平臺向上游擴(kuò)展填筑12 m寬的施工平臺。同時(shí)，為保證施工的正常進(jìn)行及水庫的安全，施工期間庫水位應(yīng)低于施工平臺2 m，即121.0 m高程以下。

①修筑導(dǎo)墻

導(dǎo)墻是挖掘機(jī)具造孔澆筑防滲墻的重要組成部分，其對造孔起著導(dǎo)向和定位控制作用，同時(shí)還起著槽孔護(hù)壁和外部荷載的支撐作用。

施工時(shí)，要保證導(dǎo)墻的縱向分段與地下連續(xù)混凝土墻的分段錯(cuò)開一定距離，同時(shí)，墻面與縱軸線的距離偏差不大于±10 mm，兩條導(dǎo)墻間距偏差不大于±5 mm。

②成槽方法

成槽方法應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、工期等因素選擇。根據(jù)彰武水庫自身特點(diǎn)，參考類似工程的經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮后，選用沖擊鉆機(jī)配合液壓抓斗成槽法開槽，即“兩鉆一抓”法。

③槽段劃分

混凝土防滲墻一般需要分成若干個(gè)單元墻段逐個(gè)施工，而澆筑單元墻段前須先鉆挖槽孔。槽孔的劃分與施工順序、造孔方法等有關(guān)，本次采用兩序間隔法，槽孔分兩期進(jìn)行施工。槽孔長度劃分應(yīng)盡量減少墻段接頭，以有利于快速、均衡和安全施工，本次設(shè)計(jì)槽孔定為6 m。槽孔的劃分和長度在具體施工時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

④護(hù)壁泥漿

護(hù)壁泥漿一般由水、粘土及化學(xué)處理劑組成。泥漿用水可從庫區(qū)直接抽取，配制前應(yīng)進(jìn)行水質(zhì)分析。土料選擇優(yōu)先采用膨潤土，也可根據(jù)實(shí)際情況選擇當(dāng)?shù)貪M足施工條件和造孔工藝的粘土。若選用當(dāng)?shù)赝亮希捎们皯?yīng)進(jìn)行物理試驗(yàn)、化學(xué)分析和礦物鑒定，以選擇粘粒大于50%、塑性指數(shù)大于20、含砂量小于5%、二氧化硅與三氧化二鋁含量比值為3～4的粘土為宜。泥漿的性能指標(biāo)和配合比必須根據(jù)地層特性、造孔方法、泥漿用途，通過試驗(yàn)加以選定。

⑤墻體澆筑

混凝土連續(xù)墻的澆筑需先擬定合理可行的澆筑方案。澆筑應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，若因意外事故造成混凝土灌注中斷，中斷時(shí)間不得超過30min?；炷撩嫔仙俣葢?yīng)大于2m／h，混凝土的塌落度為18～22 cm，擴(kuò)散度34～40 cm。澆注過程中若發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管漏漿或混凝土中混入泥漿，要立即停止?jié)补唷?/p>

混凝土連續(xù)墻必須滿足外形尺寸、澆筑高度等技術(shù)性能指標(biāo)，墻體要均勻、完整，不得存在夾泥漿、夾泥斷墻等嚴(yán)重質(zhì)量缺陷，墻段之間聯(lián)接要緊密，墻底與基巖的接觸帶和墻體的抗?jié)B性能要滿足設(shè)計(jì)要求。

⑥施工中應(yīng)注意問題

防滲墻施工過程中，造孔質(zhì)量是保證防滲墻質(zhì)量的首要環(huán)節(jié)，同時(shí)，造孔時(shí)間占總工期的2／3以上，是制約工期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。施工中應(yīng)采取預(yù)防偏孔措施，有效地防止或減少偏孔，使孔斜控制在允許范圍內(nèi)。

保證混凝土防滲墻施工質(zhì)量和速度的關(guān)鍵在于開槽的連續(xù)性、澆筑的及時(shí)性，并且要把泥漿固壁作為一個(gè)重要的施工環(huán)節(jié)去對待，否則，一旦出現(xiàn)塌孔，將導(dǎo)致施工中斷，而斷開段的處理相當(dāng)困難。因此，各工序必須嚴(yán)格按規(guī)程進(jìn)行操作，控制進(jìn)度和質(zhì)量，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備的維修養(yǎng)護(hù)，保證完好率，確?；炷练罎B墻連續(xù)作業(yè)，達(dá)到保證混凝土防滲墻施工質(zhì)量的目的。

⑦質(zhì)量檢查

按照規(guī)范，質(zhì)檢人員應(yīng)對槽孔建造、泥漿配置及使用、清孔換漿、混凝土澆筑等質(zhì)量進(jìn)行檢查與控制。成墻一個(gè)月后，應(yīng)打檢查孔檢查混凝土防滲墻的澆筑質(zhì)量。檢查內(nèi)容為墻體的均勻性、可能存在的缺陷和墻段接縫。檢查可采用鉆孔取芯和其它無損檢測等辦法。檢查孔的位置和數(shù)量由發(fā)包單位、監(jiān)理單位會(huì)同有關(guān)單位研究決定，檢查孔的數(shù)量最少每槽段應(yīng)設(shè)一個(gè)。

3 土工膜設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)，上游壩坡混凝土防滲墻以上到壩頂統(tǒng)一鋪設(shè)一層防滲復(fù)合土工膜，復(fù)合土工膜防滲結(jié)構(gòu)自上而下依次為250 mm厚的護(hù)坡干砌塊石、200 mm厚粒徑2～40 mm的級配碎石、100 mm厚的砂礫石、復(fù)合土工膜、150 mm厚的粗砂墊層。

復(fù)合土工膜規(guī)格的選擇與下墊層平整度、材料允許拉應(yīng)力、材料彈性模量、鋪設(shè)范圍內(nèi)的最大水頭及覆蓋層最大粒徑等有關(guān)，土工膜厚度設(shè)計(jì)除應(yīng)考慮主要由水壓力要求的強(qiáng)度外，尚應(yīng)考慮暴露、埋壓、氣候、使用壽命等應(yīng)用條件，并按國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定確定設(shè)計(jì)厚度及實(shí)際厚度。經(jīng)綜合分析計(jì)算，本工程壩坡防滲層采用規(guī)格為350 g／m2、0.5 mm厚的針刺短線滌綸兩布一膜(PE膜)。

復(fù)合土工膜與防滲墻的連接采用錨固的方式，詳見圖1。

圖1 復(fù)合土工膜與防滲墻連接示意圖Fig.1Connectionofthecompositemembraneandanti-seepagewall

4 結(jié) 語

塑性混凝土因其彈性模量低,極限應(yīng)變大,使得塑性混凝土防滲墻在荷載作用下,墻內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變都很低,可提高墻體的安全性和耐久性，而且施工方便,節(jié)約水泥,降低了工程成本,較剛性混凝土在力學(xué)特性上具有顯著優(yōu)點(diǎn),因此具有廣闊的發(fā)展前景。

[1]高鐘璞.大壩基礎(chǔ)防滲墻[M].北京:中國電力出版社,2000.

[2]安陽市彰武南海水庫工程管理局.彰武南海水庫志.

[3]河南省豫北水利勘測設(shè)計(jì)院.河南省安陽市彰武水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].2005.

[4]SL 274-2001,碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國水利部.

[5]SL／T 231-98,聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范[S].中華人民共和國水利部.