垂直防滲技術(shù)在土石壩除險加固工程中的應(yīng)用和設(shè)計優(yōu)化

羅居劍

(上?？睖y設(shè)計研究院,上海 200434)

垂直防滲技術(shù)在土石壩除險加固工程中的應(yīng)用和設(shè)計優(yōu)化

羅居劍

(上?？睖y設(shè)計研究院,上海 200434)

垂直防滲是土石壩除險加固中常用的一種技術(shù),多頭小直徑深層攪拌樁、高壓噴射灌漿、混凝土防滲墻三種垂直防滲技術(shù)各有其特點(diǎn)。對三種方法進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)和比較的基礎(chǔ)之上,結(jié)合幾座水庫土石壩防滲加固的設(shè)計實(shí)踐,論述了垂直防滲技術(shù)的設(shè)計要點(diǎn)和設(shè)計優(yōu)化的基本方法,強(qiáng)調(diào)垂直防滲技術(shù)的優(yōu)化選擇應(yīng)基于滲漏問題自身特點(diǎn)、地層地質(zhì)條件、當(dāng)?shù)厥┕ぜ夹g(shù)水平、投資等綜合研判之上,并應(yīng)重視防滲結(jié)構(gòu)的可靠性。

垂直防滲墻;多頭小直徑深層攪拌樁;高壓噴射灌漿;混凝土防滲墻;設(shè)計優(yōu)化

0 引 言

我國是一個水庫大國,其中95%的水庫大壩為土石壩[1]。大部分水庫都是建國初期所建,由于當(dāng)時的社會經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)水平所限,大量工程采用“土法上馬”,壩體填筑質(zhì)量較差,碾壓密實(shí)度及滲透系數(shù)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)或者壩基防滲處理不徹底,致使大量水庫處于帶病工作狀態(tài)。主要表現(xiàn)為下游壩坡或壩基出現(xiàn)滲漏、沼澤化,甚至出現(xiàn)管涌、流土、接觸沖刷等滲透破壞,壩體出現(xiàn)裂縫或滑坡等問題。土石壩滲漏問題不僅威脅大壩穩(wěn)定,還會直接導(dǎo)致大壩失事。因此,在土石壩加固中,大壩防滲加固往往是控制性工程,而垂直防滲是大壩加固設(shè)計中采用最多的一種方法。防滲墻成墻方法很多,主要采用的有多頭小直徑深層攪拌樁成墻法、高壓噴射灌漿成墻方法、混凝土防滲墻等。在土石壩除險加固中,防滲方案的設(shè)計優(yōu)化不僅關(guān)系到防滲的可靠與安全,也直接影響到工程的投資。筆者在“十一五”期間負(fù)責(zé)和參與了一批水庫的除險加固工程設(shè)計,茲作此文,將垂直防滲技術(shù)在土石壩除險加固工程中應(yīng)用的若干經(jīng)驗(yàn)做一個總結(jié),希望能夠?yàn)橐院蟮墓ぷ魈峁﹨⒖?并以此拋磚引玉,引起同行更深入的探討。

1 垂直防滲技術(shù)

垂直防滲的方法,除帷幕灌漿外,現(xiàn)在常用的可以分為3大類,即多頭小直徑深層攪拌樁成墻法、高壓噴射灌漿法、混凝土防滲墻。

多頭深層攪拌機(jī)具一般為3～6鉆頭,鉆頭直徑200 mm～450mm[2]。對20 m以內(nèi)的軟土地基來說,多頭小直徑深層攪拌樁是比較經(jīng)濟(jì)適用的,防滲效果也有保障,在中低土石壩中具有較高的競爭力。

高壓噴射灌漿的顯著特點(diǎn)是可灌性好,運(yùn)用機(jī)動靈活[3]。所謂可灌性好,是指高壓噴射灌漿依靠高壓強(qiáng)力破壞原地層,不存在一般注漿的可灌性問題。運(yùn)用機(jī)動靈活是指該工藝無需對地層進(jìn)行開挖,可在鉆孔的任何高度上、采用不同的方向、不同的噴射形式,按設(shè)計要求形成不同形狀的凝結(jié)體。對高素質(zhì)、有經(jīng)驗(yàn)的施工隊伍來說,可以解決很多其他方法較難解決的問題。高壓噴射灌漿困擾工程的問題是其缺少快速可靠的檢查方法;當(dāng)?shù)貙又写嬖谳^多粒徑大于10 cm的卵石、漂石時,帷幕體的連續(xù)性不易保證,雖然通過增加孔數(shù)和排數(shù)的辦法可以保證其連續(xù)性,但其造價往往不一定比混凝土防滲墻低。

混凝土防滲墻幾乎可以適用于一切地層[4],對于不同地層可選擇不同的成槽工藝,處理深度也大,但投資較高。相比前面兩種方法,此方法最為安全可靠。首先防滲墻是在完整的槽孔并有可靠的接頭條件下澆筑混凝土而形成的,其次,造孔過程中泥漿的滲透和泥皮的存在形成了一個附加的隔水層,最后,防滲墻的工序檢驗(yàn)和最終檢測方法相對成熟。

3種方法的技術(shù)特點(diǎn)對比詳見表1所列。

表1 幾種大壩防滲加固方法比較一覽表

2 防滲加固設(shè)計的技術(shù)要點(diǎn)

2.1 共性化設(shè)計

上述三種垂直防滲加固方法的設(shè)計遵守一些共同的基本原則,主要包括其布置與構(gòu)造、墻厚、防滲性能指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)等。

2.1.1 布置與構(gòu)造

(1)平面布置。垂直防滲應(yīng)用于壩基防滲時,墻體與大壩防滲體相連接,故其軸線一般隨大壩防滲體的軸線進(jìn)行布置。

(2)深入相對不透水層的深度。入巖(相對不透水層)深度稍大,對防滲有利,但入巖太深,不僅增加工程投資,對防滲體應(yīng)力亦不利。一般說來,防滲體深入不透水層的深度在0.3 m～2.0 m。

2.1.2 墻厚

防滲體在滲透作用下,其耐久性取決于機(jī)械力侵蝕和化學(xué)溶蝕作用,這兩種侵蝕破壞作用都與水力梯度密切相關(guān),目前在防滲體設(shè)計中是根據(jù)防滲墻破壞時的水力梯度來確定其厚度的,即:

式中:Jp為防滲體的允許水力梯度。Jp對多頭小直徑深層攪拌樁可以達(dá)到50,對于混凝土防滲墻為80～100。對于高壓噴射灌漿,山東省水利科學(xué)院曾進(jìn)行過試驗(yàn)[3],在滲透坡降為693～1 200時仍產(chǎn)生正常滲透。在已有的工程實(shí)踐中,多頭小直徑深層攪拌樁成墻厚度為18 cm～33 cm,高壓噴射灌漿防滲墻則為10 cm～50 cm(如采用多排旋噴樁套接,則不受此限),混凝土防滲墻一般厚度為40 cm～100 cm。

2.1.3 防滲性能指標(biāo)

防滲性能指標(biāo)用得較多的是滲透系數(shù)K,對土石壩的防滲加固,垂直防滲體的滲透系數(shù)均要求不大于1×10-5cm/s,具體應(yīng)通過各工程情況和選取的防滲方法來決定。一般說來,混凝土防滲墻的滲透系數(shù)可以達(dá)到小于1×10-9cm/s左右,多頭小直徑深層攪拌樁和高壓噴射灌漿墻的滲透系數(shù)與所在地層以及各自施工參數(shù)有關(guān)。對于20 m以內(nèi)的多頭小直徑深層攪拌樁,當(dāng)其水泥摻入量在8%以上時,是完全可以達(dá)到小于1×10-5cm/s的,這對于中低土石壩已經(jīng)足夠。高壓噴射灌漿墻的滲透系數(shù)指標(biāo)可參見表2所列。

表2 高壓噴射灌漿墻墻體性能指標(biāo)

2.1.4 強(qiáng)度指標(biāo)

水利水電工程防滲墻厚度一般均較小,與大壩相比十分單薄。但由于它深埋于地基中,水平荷載主要由墻后地基承擔(dān),相當(dāng)于彈性地基上的薄板,故降低墻體材料的彈性模量與強(qiáng)度的比值,有利于改善墻體的應(yīng)力狀態(tài),無須追求過高的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

多頭小直徑深層攪拌樁的強(qiáng)度主要取決于土層的特性和水泥的摻量,一般說來,水泥摻量越高,其強(qiáng)度越大。當(dāng)摻入比達(dá)到10%時,水泥土90 d齡期強(qiáng)度在粘性土中可達(dá)1 MPa以上,在砂性土中可達(dá)3 MPa上[5]。

高壓噴射灌漿墻體的強(qiáng)度取決于地層和工法,不同土層下墻體強(qiáng)度指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)值詳見表2。

混凝土防滲墻墻體材料可分為普通混凝土、粉煤灰混凝土、粘土混凝土、塑形混凝土以及高強(qiáng)度低彈?；炷恋?。其中普通混凝土是指抗壓強(qiáng)度在7.5 MPa以上的混凝土,其特點(diǎn)是具有較高的強(qiáng)度和防滲性能,但彈性模量較大(2×104MPa級別),協(xié)調(diào)變形能力較差,和壩體填土間容易脫開并發(fā)生拉裂現(xiàn)象。在普通混凝土中,以粉煤灰替代部分水泥和砂,降低其造價,則成為粉煤灰混凝土防滲墻。在普通混凝土中摻加一定量的粘土,則成為粘土混凝土防滲墻,強(qiáng)度、彈模以及造價都相應(yīng)降低,適用于強(qiáng)度要求不高而防滲要求較高的工程。用粘土和膨潤土取代混凝土中大部分水泥而形成一種柔性的墻體,則為塑性混凝土,其特點(diǎn)是彈模和土體相差不大,協(xié)調(diào)變形能力強(qiáng),成本最低,但其配合比試驗(yàn)、工藝掌握和質(zhì)量控制要求嚴(yán)格。高強(qiáng)度低彈?；炷敛牧蟿t為了滿足高水頭水電水庫工程的需要。

2.2 多頭小直徑深層攪拌樁

水泥的摻入量、水灰比、注漿量以及水泥漿與地基土的攪拌均勻程度是決定墻體質(zhì)量好壞的主要控制因素。水泥摻入決定了水泥土的抗壓強(qiáng)度、變形模量、破壞比降,對滲透系數(shù)也有很大影響。試驗(yàn)表明,水泥土強(qiáng)度、變形模量均隨摻入比的增大而增長,且當(dāng)摻入比較大時,水泥土后期強(qiáng)度增長度加大。當(dāng)R=1 MPa～4 MPa時,E=150 MPa～550 MPa。

多頭小直徑深層攪拌樁的主要施工工藝參數(shù)包括供漿壓力、供漿量、鉆進(jìn)速度、提升速度、攪拌樁轉(zhuǎn)速。為保證墻體的均勻性,在施工工藝方面必須保證有足夠攪拌次數(shù)和適當(dāng)?shù)你@進(jìn)、提升速度。

2.3 高壓噴射灌漿

2.3.1 結(jié)構(gòu)形式選擇

高壓噴射灌漿可采用旋噴、擺噴、定噴三種形式,每種形式均可采用三管法、雙管法和單管法[6-7]。高壓噴射灌漿墻結(jié)構(gòu)形式主要有旋噴套接;旋噴擺(定)噴搭接;擺噴對接或折接;頂噴折接。各種形式適用范圍為:

(1)定噴和小角度擺噴適用于粉土和砂土地層,大角度擺噴和旋噴適用于各種地層;

(2)承受水頭較小的或臨時性工程的高壓噴射灌漿墻,可采用擺噴折接或?qū)?、定噴折接形?

(3)在卵(碎)礫石地層中,深度小于20 m時,可采用擺噴對接或折接形式,對接擺角不宜小于60°,折接擺角不宜小于30°;深度20 m～30 m時,可采用單排或雙排旋噴套接、旋擺搭接形式;當(dāng)深度大于30 m時,宜采用雙排或三排旋噴套接形式或其它形式。

2.3.2 施工參數(shù)和工藝控制

高壓噴射灌漿孔的排數(shù)、排距和孔距,應(yīng)根據(jù)對高壓噴射灌漿墻的工程要求、地層情況、所采取的結(jié)構(gòu)形式及施工參數(shù),通過現(xiàn)場試驗(yàn)或者工程類比確定。

高壓噴射灌漿施工工藝參數(shù)主要包括水、氣、漿的壓力和流量,提升速度、旋噴轉(zhuǎn)速、擺噴的擺速和擺角以及噴嘴數(shù)量、直徑(或環(huán)狀間隙)、漿體密度等,其一般數(shù)值可參考《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》(DL/T5200-2004)表9.03。

2.4 混凝土防滲墻

2.4.1 成孔方法的選擇

成孔方法主要包括三大類,即鉆劈法、抓斗成槽法和銑槽機(jī)成槽法。液壓銑槽機(jī)成槽法由于機(jī)械設(shè)備昂貴,一般重大的工程才采用,國內(nèi)工程中并不常用,本文中不予討論。

鉆劈法成槽,即所謂“主孔鉆進(jìn),副孔劈打”。鉆劈法適用于各類地層,尤其多用于砂卵石或含漂石地層,采用反循環(huán)出渣效率更高。

抓斗法包括兩種方法,一種是純抓法,另外一種是鉆抓法。純抓法成槽,使用抓斗直接挖槽,可單抓成槽,也可多抓成槽,一般適用于細(xì)顆粒軟弱地層,成槽效率高。鉆抓法成槽,是目前水利水電工程防滲墻施工中廣泛使用的造孔成槽方法。此法一般使用沖擊鉆機(jī)鉆鑿主孔,抓斗抓取副孔,可兩鉆一抓,也可三鉆兩抓、四鉆三抓形成長度不同的槽孔。這種方法能充分發(fā)揮兩種機(jī)械的優(yōu)勢,抓斗在副孔施工中遇到堅硬地層時,隨時可換上沖擊鉆機(jī)或重鑿克服。此法一般比單用沖擊鉆機(jī)成槽提高工效1～3倍,地層適用性也較廣。

2.4.2 槽段連接方法

槽段連接方法主要有鉆鑿法、接頭管法、雙反弧接頭法、加設(shè)止水裝置的墻段連接[8]。

鉆鑿法即施工二期墻段時在一期墻段兩端套打一鉆的連接方法,其接縫呈半圓弧形。鉆鑿法墻段連接只適用于有沖擊鉆機(jī)參加施工的情況。鉆鑿法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、施工簡便、對地層和孔深的適應(yīng)性較強(qiáng),造價較低;其缺點(diǎn)是接頭處的剛度較低、需重復(fù)鉆鑿接頭孔、費(fèi)工費(fèi)時費(fèi)料,特別是孔形、孔斜不易控制。

接頭管法所形成的墻段接縫形式與鉆鑿法相同,都是半圓孤形,僅施工方法不同。這種方法避免了重復(fù)鉆鑿接頭孔所造成的工時和材料浪費(fèi),并具有接觸面光滑、接縫緊密、孔斜易控制、搭接厚度有保證等優(yōu)點(diǎn),但要有專門的設(shè)備,施工工藝較為復(fù)雜,特別是在防滲墻深度較大的情況下。接頭管法一般用于墻深小于60m,墻厚小于1.2m的情況。

雙反弧接頭法,常規(guī)墻段與雙反弧樁柱墻段相間布置,先施工常規(guī)墻段,后采用液壓雙反弧鉆具施工雙反弧樁柱墻段。它與接頭管法相比,操作簡單易行,風(fēng)險小,且與澆筑施工沒有干擾;與鉆鑿法相比,不用重復(fù)鉆鑿接頭孔,節(jié)省工時和材料,且墻段連接質(zhì)量好。特別是能適應(yīng)較大的孔深。缺點(diǎn)主要是接縫的數(shù)量相對較多,接頭孔的孔形不易檢測,在孔壁不穩(wěn)定的地層和漂卵石含量較多的地層中修建地下連續(xù)墻不宜采用雙反弧法墻段連接。

在墻段連接處設(shè)置止水裝置的工藝極為復(fù)雜,工程造價也很高,一般只用于有特殊要求的防滲墻工程。

3 防滲加固設(shè)計優(yōu)化的思路

土石壩防滲加固設(shè)計及其優(yōu)化思路可以概括為如下三大步驟:

3.1 方案初選

所謂方案初選,是指根據(jù)土石壩的滲漏原因、地質(zhì)情況、當(dāng)?shù)厥┕に降?結(jié)合一般的工程經(jīng)驗(yàn),初步選定幾個切實(shí)可行的防滲加固方案。

3.2 方案優(yōu)選

對初步選定的防滲加固方案進(jìn)行概念設(shè)計,擬定具體的實(shí)施方案,主要從防滲效果、工程施工、環(huán)境影響、投資造價等方面進(jìn)行綜合性比較,從中選擇最優(yōu)方案作為推薦實(shí)施的方案。

3.3 方案設(shè)計優(yōu)化

針對已選擇的優(yōu)化方案,對其進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化設(shè)計。首先是基本的墻厚、防滲指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)的擬定優(yōu)化;其次是各方案的主要施工技術(shù)參數(shù)的擬定。

4 防滲加固方案優(yōu)化的實(shí)例分析

4.1 浙江省余姚市陸埠水庫

陸埠水庫壩址位于浙江省余姚市境內(nèi)甬江流域姚江水系陸埠溪干流上,總庫容2.599×107m3,是一座具有防洪、灌溉、城市供水、發(fā)電等綜合利用的中型水庫。本工程水庫大壩為粘土心墻砂殼壩,最大壩高33.6 m,心墻頂寬4 m,心墻與砂礫壩殼之間為壤土過渡帶。大壩壩基為砂礫石卵石層,其下為強(qiáng)～弱風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r,砂礫石卵石層厚度達(dá)12 m左右,原壩基采用粘土截水槽防滲,但由于心墻齒槽寬度不夠,且與基巖的接觸帶處理不好,存在滲漏隱患。

本工程除險加固施工期要求盡可能滿足供水條件,因此庫水位相對較高,采用壩頂垂直幕墻防滲比較適合本工程的特點(diǎn)。本次防滲加固設(shè)計根據(jù)適用范圍和處理深度,選擇兩種方案進(jìn)行比較:高壓噴射灌漿和混凝土防滲墻。

(1)高壓噴射灌漿:采用三管法高壓擺噴方式,搭接型式為微擺型,沿壩軸線上、下游側(cè)各布置一排噴射孔,孔距 1.60 m,排距0.80 m,梅花形布孔,并深入弱風(fēng)化基巖0.5 m。

(2)混凝土防滲墻:墻厚采用0.8 m。

對以上兩種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選。高壓噴射灌漿的問題在于孔與孔之間的墻體結(jié)合緊密與否不易檢查,墻體耐久性差,樁形有時候不夠規(guī)則,不能徹底根除工程隱患。當(dāng)庫水位較高時施工,壩基滲透流速大,成墻質(zhì)量難保證,加固效果往往不理想?；炷练罎B墻則成墻防滲效果好,安全可靠。施工不受洪水影響,無須降低庫水位。混凝土防滲墻雖然工程投資比高壓噴射灌漿方案貴一些,但其地層適應(yīng)能力更強(qiáng),防滲效果和耐久性更好,工程質(zhì)量更可靠,考慮到本工程防滲處理深度已達(dá)50m,因此,將混凝土防滲墻作為推薦方案。

現(xiàn)工程大壩壩頂寬度僅4 m,為滿足防滲墻施工所需要的平臺寬度要求,將大壩從壩頂高程51.79 m開挖至高程49.30 m。在原壩軸線下游位置處布置混凝土防滲墻,墻厚0.8 m。墻體材料為低彈模混凝土,彈性模量3 000 MPa～5 000 MPa,強(qiáng)度則對應(yīng)于C8混凝土,滲透系數(shù)不大于1×10-6cm/s。防滲墻墻頂高程49.30 m,高程49.30 m以上壩體全斷面填筑粘土防滲,墻體需穿透砂礫石卵石層并進(jìn)入壩基礎(chǔ)弱分化巖層不小于0.8 m。

4.2 江蘇省溧陽市前宋水庫

前宋水庫位于溧陽市南部丘陵山區(qū)周城河上游,總庫容 1.416×107m3,是一個以防洪、灌溉為主,兼顧供水、漁業(yè)等的中型水庫工程。前宋水庫于1959年冬開工,由于多種因素,大壩壩身填筑質(zhì)量較差,土質(zhì)雜亂,碾壓不均、不實(shí),壩身內(nèi)存在裂隙、孔隙等,工程力學(xué)強(qiáng)度較低,壩身土滲透性大。根據(jù)試驗(yàn)資料,大壩填土干容重為 12.8 kN/m3～16.5 kN/m3,明顯壓實(shí)不夠;主壩填土滲透系數(shù)為8.12×10-4cm/s,不滿足規(guī)范強(qiáng)制性條文的要求。

根據(jù)本工程特點(diǎn),擬對壩身和壩基采用垂直防滲進(jìn)行處理,擬選以下較為適用的5種防滲加固方法進(jìn)行比選(以主壩為例)。

方案1,混凝土防滲墻:墻厚0.30 m,泥漿固壁,沿壩軸線布置。

方案2,沖抓套井防滲墻:沖抓套井直徑為1.2 m,中心間距0.75 m。

方案3,多頭小直徑深層攪拌樁成墻:設(shè)計有效厚度0.30 m,防滲墻沿壩軸線布置。

上述3個方案防滲墻長度均為2 144 m,共需造墻22 671 m2。

方案4,高壓噴射灌漿:采用高壓小角度擺噴,采取一排孔造墻,灌漿孔沿壩軸線布置,初擬孔距1.5 m,形成的高壓噴射灌漿墻厚度在0.2 m～0.4 m左右。灌漿孔總計深度18 100 m。

方案5,上游鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲。結(jié)合上游壩坡整治在上游面鋪設(shè)復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲。上游迎水坡面積為51 080 m2。為確保復(fù)合土工膜與基礎(chǔ)相對不透水層嚴(yán)密結(jié)合,形成防滲整體,在上游壩踵處設(shè)置一道混凝土齒墻,齒墻上部與復(fù)合土工膜連接,下部深入不透水層0.5 m?？紤]到水庫水位驟降時,膜后可能存在的水壓力對膜體產(chǎn)生不利作用,在膜后設(shè)置排水系統(tǒng)。

方案1至方案5均可滿足本工程大壩防滲加固的要求,由于本工程大壩軸線較長,達(dá)2 144 m,方案1、方案4及方案5等加固措施投資均較大,且對施工單位的技術(shù)水平和人員素質(zhì)要求較高,因此,為節(jié)省投資、便于施工質(zhì)量控制,上述三種方案不予推薦。方案2與方案3的工程投資相差不大,施工難度相當(dāng),但方案3由于在防滲墻成墻過程中摻入水泥,防滲效果可靠、耐久性好,且受白蟻危害的影響較小;方案3相比方案2在施工時受氣候影響較小,可有效縮短施工工期。鑒于多頭小直徑深層攪拌樁成墻技術(shù)在江蘇省已廣泛使用,施工技術(shù)成熟,施工質(zhì)量易于控制,能較好地滿足除險加固的要求,因此,大壩防滲加固方案推薦多頭小直徑深層攪拌樁成墻方案。

多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻沿壩軸線布置,施工機(jī)械布置于壩頂,防滲墻伸入壩基相對不透水土層內(nèi)不少于2 m。本工程最大水頭8 m,水泥土的允許水力梯度按30考慮,防滲墻設(shè)計有效厚度為0.30 m。墻體材料技術(shù)指標(biāo)要求:單軸抗壓強(qiáng)度大于0.5 MPa;滲透系數(shù)K＜1×10-5cm/s。

4.3 江西省信豐縣白蘭水庫

白蘭水庫位于江西省信豐縣大塘埠鎮(zhèn)倉前村,地處贛江水系桃江支流倉前河上游,總庫容1.30×107m3,是一座以灌溉為主,兼有發(fā)電等綜合效益的中型水庫。

本工程大壩最大壩高25.70 m,壩肩為坡殘積粉土質(zhì)砂礫、含砂低液限粉(粘)土,具有中等透水性;壩體填土滲透系數(shù)為 3.37×10-4cm/s,大于1×10-4cm/s,不滿足規(guī)范強(qiáng)制性要求;壩基淺層具中等透水性,存在壩基及繞壩滲漏問題,右壩腳地面常年存在滲漏。因此,需對大壩壩體及壩基采取工程措施進(jìn)行防滲加固處理。

本工程在除險加固施工期間,水庫不能夠完全放空,水庫最低水位為死水位188.16 m,與壩前庫底高程185.00m相差約3 m,水位相對較高,若采用水平鋪蓋防滲或者粘土斜墻方案進(jìn)行防滲加固,則需在水庫內(nèi)沿壩軸線方向布置施工圍堰,圍堰斷面大,施工困難并且會對水庫水質(zhì)造成較嚴(yán)重的污染,工程投資也比較大。此外,本工程存在壩基及繞壩滲漏問題,水平鋪蓋防滲方案與粘土斜墻防滲方案均難以徹底解決,防滲效果難以保證,因此,此兩種方案均不適用于本工程,設(shè)計擬采用垂直防滲方案。

垂直防滲方式,防滲墻最大深度達(dá)30 m,平均深度達(dá)25 m左右,且施工期間水庫不能放空。適合本工程的防滲加固方式包括:高壓噴射灌漿和混凝土防滲墻。

(1)高壓噴射灌漿。采用三管法高壓擺噴方式,搭接型式為微擺型,沿壩軸線上、下游側(cè)各布置一排噴射孔,孔距1.60 m,排距0.80 m,梅花形布孔,并深入弱風(fēng)化基巖0.5 m,防滲處理平均深度約30.0 m。

(2)混凝土防滲墻。根據(jù)施工要求,將大壩開挖至高程206.0 m作為施工平臺?；炷练罎B墻設(shè)計墻厚采用0.4 m。

混凝土防滲墻相比高壓噴射灌漿,地層適應(yīng)能力更強(qiáng),防滲效果和耐久性更好,工程質(zhì)量更可靠,并且工程造價低于高壓噴射灌漿,因此,推薦混凝土防滲墻作為壩體防滲加固方案。

沿大壩軸線布置混凝土防滲墻。根據(jù)地勘報告,本工程庫水和基巖裂隙水均具有溶出性和一般酸性型中等腐蝕性,因而混凝土防滲墻應(yīng)適當(dāng)加厚,考慮到施工方法和施工機(jī)具,本工程防滲墻厚度取為0.4m。防滲墻軸線長度208.0 m,墻厚0.40 m。墻體材料為C15普通混凝土,滲透系數(shù)小于1×10-7cm/s,墻體下部需進(jìn)入壩基巖石強(qiáng)風(fēng)化層1 m。

5 結(jié) 語

通過對幾座病險水庫除險加固工程的設(shè)計實(shí)踐的總結(jié),獲得了若干有益的經(jīng)驗(yàn)。

首先,防滲墻的成墻技術(shù)眾多,對地層的適應(yīng)性各有不同,垂直防滲技術(shù)的選擇應(yīng)基于滲漏問題自身特點(diǎn)、地層地質(zhì)條件、當(dāng)?shù)厥┕ぜ夹g(shù)水平、投資等綜合研判之上。一般說來,對于較軟弱的土層,且防滲深度在20m以內(nèi)時,采用多頭小直徑深層攪拌樁具有一定的優(yōu)越性;對于重要的土石壩工程,當(dāng)?shù)貙訌?fù)雜,防滲深度較大,施工期無法放空水庫時,宜選擇混凝土防滲墻,能充分發(fā)揮其實(shí)用性強(qiáng),防滲耐久性好和可靠性高的特點(diǎn);對于防滲深度小于25m,地層不含漂石或塊石時,防滲線較長,施工隊伍素質(zhì)較高時,高壓噴射灌漿技術(shù)具有一定的競爭力,因此高壓噴射灌漿較多的應(yīng)用于江河堤防以及臨時性的防滲處理工程,某些建筑物和防滲墻間或者不同防滲墻體間也可采用高壓噴射灌漿方法進(jìn)行連接處理。

其次,由于防滲工程一般均屬于重大的隱蔽工程,則方案選擇時應(yīng)注意充分考慮到其結(jié)構(gòu)的可靠性。土石壩防滲工程被稱作是大壩的生命線工程,防滲墻體的質(zhì)量直接決定著大壩的安危。因此,在土石壩除險加固設(shè)計中,不可一味追求技術(shù)上的創(chuàng)新和工程投資上的節(jié)省,應(yīng)充分考慮到防滲墻結(jié)構(gòu)的可靠性,審慎的選擇垂直防滲技術(shù)方案。

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Application and Optimal Design of Vertical Anti-seepage Technology in Rehabilitation Engineerings for Earth-rock Dams

LUO Ju-jian
(Shanghai Investigation and Design Institute,Shanghai200434,China)

The vertical anti-seepage technology is commonly used in the rehabilitation engineering for earth-rock dams.Three vertical anti-seepage technologies such as multiaxial and minor diameter deepmixing piles,high pressure jet grouting and concrete cutoff wall have their own peculiarities.Based on the summarization and comparison for these three methods,the design essentials and design optimization of vertical anti-seepage technology are discussed here according to the rehabilitation experiences for the earth-rock dams of several reservoirs.The choice of vertical anti-seepage technology should lie on the synthetic studies for the factors such as characteristics of reservoir leakage,geological conditions,technical level of local construction,investment and so on,besides,the reliability of anti-seepage structures should be also attached importance to.

vertical anti-seepage wall;multiaxial and minor diameter deep mixing pile;high pressure jet grouting;concrete cutoff wall;design optimization

TV641

A

1672—1144(2012)02—0111—06

2011-12-01

2012-01-19

羅居劍(1978—),男(漢族),湖北紅安人,工學(xué)碩士,工程師,主要從事水工結(jié)構(gòu)和巖土工程的設(shè)計與研究工作。