混凝土防滲墻穿壩下涵管施工方案探討

赫振平

（山西省大同市冊(cè)田水庫(kù)管理局，037300，大同）

混凝土防滲墻技術(shù)在我國(guó)水利水電工程中的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代末期，目前防滲墻施工技術(shù)已趨成熟，防滲墻作為一種有效、安全、可靠的防滲手段，在土石壩及堤防除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

由于防滲墻采用后施工法，將不可避免地遇到防滲墻穿越壩下涵管的問題，目前，這方面的研究工作還不多見。在防滲墻施工中一般采用鉆劈法、鉆抓法、抓取法和銑削法等槽孔建造的方法均會(huì)破壞地下涵管,如果防滲墻與壩下涵管交接處理不當(dāng)，勢(shì)必會(huì)對(duì)水庫(kù)壩體、壩基的滲透穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，成為工程隱患，甚至威脅整個(gè)工程的安全。

以某水庫(kù)在除險(xiǎn)加固工程中遇到的防滲墻穿越壩下涵管實(shí)際問題為背景，提出沉井、高噴墻、上游導(dǎo)排、封堵等四種方案，以期對(duì)其他水利工程防滲墻施工中的同類問題提供參考。

一、工程及壩下涵洞概況

1.工程概況

某水庫(kù)總庫(kù)容5.8億m3是一座大（2）型水庫(kù)，大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高42 m，壩基坐落在Q1噴出的厚5～30 m玄武巖基礎(chǔ)上，下部為相對(duì)不透水湖相沉積亞黏土層。

在除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中，主壩和副壩的防滲處理采用了塑性混凝土防滲墻，防滲墻位于壩軸線上游2 m，深入基巖4 m，帷幕灌漿通過玄武巖進(jìn)入下部湖相沉積亞黏土層5 m，防滲墻設(shè)計(jì)厚度0.8 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15，抗?jié)B標(biāo)號(hào)為W6。其中，北副壩（0+150～0+440）地層地質(zhì)條件復(fù)雜，玄武巖節(jié)理裂隙發(fā)育，各巖層的滲透特性差別較大，頂部滲透系數(shù)最大達(dá)208m/d，中部一般為 2～5 m/d，個(gè)別可達(dá)5～10 m/d。筑壩時(shí)壩基未作處理，壩體直接坐落于玄武巖之上，填土與基巖間未作反濾。

2.壩下涵洞概況

在北副壩0+230～0+280段上游壩角內(nèi)側(cè)玄武巖岸壁約933 m高程向下游位置有一排串珠狀泉水出露，流量約24 L/s，在建壩時(shí)評(píng)價(jià)為北岸地下水補(bǔ)給的下降泉。由于此泉水位于大壩基礎(chǔ)之上，1958年在水庫(kù)建壩時(shí)，將此泉水通過涵洞穿越壩體，從壩后坡腳將泉水導(dǎo)出，壩下涵洞的施工方法為：首先對(duì)泉眼集中處進(jìn)行清基，然后用砂子、石子、干堆塊石對(duì)泉水進(jìn)行過濾及覆蓋，以#100水泥砂漿、漿砌塊石砌筑了長(zhǎng)3 m、寬2 m的集水坑，又以#100水泥砂漿、厚0.5 m的漿砌石筑了長(zhǎng) 102 m、寬 0.5 m、高 0.6 m、坡降1/100的拱形涵洞將泉水集中引至壩后坡腳排出,使泉水與壩基及壩體全部隔離，出口高程932.5 m。排水涵洞外側(cè)每隔20 m筑有一道截水環(huán)。

二、防滲墻穿越壩下涵洞施工方案

由于在除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)時(shí)未對(duì)壩下排水涵洞給予足夠重視，防滲墻在筑至此部位附近時(shí)因不能隔斷壩下涵洞出流導(dǎo)致防滲墻施工無(wú)法進(jìn)行而停工，給水庫(kù)以后的運(yùn)行造成安全隱患。因此，提出不改變壩下涵洞排水現(xiàn)狀的沉井、高噴墻施工方案和改變壩下涵洞排水現(xiàn)狀的上游導(dǎo)排、封堵四種施工方案。

1.沉井方案

沉井方案是在防滲墻與壩下涵洞交點(diǎn)處做一現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)沉井。沉井的施工特點(diǎn)是：占用場(chǎng)地面積小、可靠性好、適用的土質(zhì)范圍較廣（淤泥土、砂土、黏土、礫砂等均可施工），最大施工深度可達(dá)100 m等。沉井的結(jié)構(gòu)可根據(jù)計(jì)算確定，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮澆筑防滲墻塑性混凝土?xí)r的側(cè)壓力，必要時(shí)可采取高壓旋噴處理防滲墻與沉井的銜接問題。

2.高噴墻方案

高噴防滲墻是采用高壓漿液形成高速噴射流束，沖擊、切割、破碎地層土體，并以水泥基質(zhì)漿液充填、摻混其中，形成樁柱或板墻狀的凝結(jié)體，用以提高地基防滲或承載能力的施工技術(shù)，由旋噴柱形樁、擺噴扇形斷面樁或定噴板狀墻段，其中的1～3種彼此組合搭接起來(lái)，形成的地下防滲墻。

由于高壓噴射成墻不需要對(duì)地層進(jìn)行開挖，可通過壩體、涵洞等建筑物對(duì)數(shù)十米以下土層、砂礫層、隱患進(jìn)行處理。相對(duì)成槽法造墻工藝，高壓噴射無(wú)須護(hù)壁漿液和混凝土制作澆筑系統(tǒng)，對(duì)施工場(chǎng)所的要求不高，因此，在壩下涵洞兩側(cè)一定范圍內(nèi)，采用高壓噴射成墻施工工藝修筑防滲墻到涵洞頂或基巖面，其他部位依舊使用成槽法造墻工藝施工。

3.上游導(dǎo)排方案

首先，在防滲墻上游側(cè)排水涵洞適當(dāng)位置處通過鉆孔修筑一垂直抽水井，用以排除壩下涵洞水；然后，對(duì)涵洞下游段進(jìn)行灌漿封堵；最后，按照原除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)進(jìn)行混凝土防滲墻施工。

采用此方案時(shí)，應(yīng)注意：①對(duì)抽水井的坐標(biāo)精度要求較為嚴(yán)格，必須精確控制；②封堵時(shí)可先利用下游壩肩處的檢查井進(jìn)行人工封堵，然后計(jì)算注漿量采用自密實(shí)混凝土進(jìn)行封堵；③上游導(dǎo)排需要長(zhǎng)期運(yùn)行維護(hù)并且消耗一定電能，但是可以通過回收棄水得到補(bǔ)償。由計(jì)算可知，采用上游排導(dǎo)方案時(shí)，每年需要電費(fèi)約7.41萬(wàn)元，每年回收棄水的水費(fèi)18.9萬(wàn)元，有一定的經(jīng)濟(jì)收益。

4.封堵方案

由于壩下涵管一般埋深較大，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，在涵管外周邊易形成滲漏通道，同時(shí)涵洞洞體老化破壞問題嚴(yán)重程度難以查明，問題一旦發(fā)展則對(duì)大壩威脅極大，處理起來(lái)難度也很大，這也是其他水庫(kù)的共性問題。如果經(jīng)過論證與上游導(dǎo)排方案運(yùn)行一段時(shí)間驗(yàn)證后，確認(rèn)壩下涵洞內(nèi)不存在承壓水時(shí)，可以采用上游封堵方案，這樣既保證了防滲墻施工的整體性，又解決了壩下埋管的隱患，解決問題較為徹底，不留隱患。

采用本方案施工時(shí)首先對(duì)壩下涵洞直接進(jìn)行灌漿封堵，然后進(jìn)行防滲墻施工。必要時(shí)可先在涵洞上游對(duì)壩基進(jìn)行帷幕灌漿以進(jìn)一步減少涵洞滲水量。

由于封堵方案可能導(dǎo)致壩下涵洞附近范圍滲水變?yōu)槌袎核?，那么將?duì)大壩滲透穩(wěn)定造成重大不利影響，因此本方案需經(jīng)論證后謹(jǐn)慎處理。現(xiàn)經(jīng)分析后認(rèn)為，涵洞封閉后基本不存在承壓水可能，理由如下：

所以AC2(BD1·BD2)=AB2·BC2-AB2·BC·(BD1+BD2)+AB2(BD1·BD2)，

（1）壩下涵洞流量與庫(kù)水位關(guān)系

在建庫(kù)區(qū)前，泉水流量穩(wěn)定在24 L/s；1960年7月，當(dāng)庫(kù)水水位升高到高程939.0 m時(shí)，涵洞流量增加到45 L/s；庫(kù)水水位升高到941.8 m，流量增至120 L/s；當(dāng)庫(kù)水水位升高到943.8m時(shí)，流量為124 L/s。由于庫(kù)水直接補(bǔ)給涵洞，對(duì)大壩造成威脅，1961年4月對(duì)涵洞水源頭進(jìn)行灌漿，灌漿后流量減少到32.7 L/s，后帷幕線又延伸200 m，流量減少并穩(wěn)定在19 L/s。以后當(dāng)庫(kù)水位從943.3 m上升到953.5 m時(shí)，流量與庫(kù)水水位升高關(guān)系不明顯。分析認(rèn)為造成庫(kù)水與泉水關(guān)系不明顯的因素主要是涵洞集水坑在施工中用砂礫石三級(jí)過濾進(jìn)行覆蓋，其上用漿砌石砌成圓拱形，砌石上覆水中倒土壩體，壩上厚15 m左右。以后涵洞口上游附近又經(jīng)帷幕截隔，加上壩前淤積厚約10 m，對(duì)防止庫(kù)水滲入更為有利。因此庫(kù)水滲入清泉洞水是極其緩慢和有限的，而庫(kù)水位的變化對(duì)涵洞流量變化響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，因此關(guān)系亦不太密切。

（2）涵洞水的來(lái)源問題論證

在1958年建壩時(shí)評(píng)價(jià)為北岸地下水補(bǔ)給的下降泉，1985年8月，在距水庫(kù)岸邊約600 m的鉆孔測(cè)得地下水水位為948.45 m，而庫(kù)水水位為950.3 m，庫(kù)水水位高于地下水水位近2 m。說明水庫(kù)蓄水以后，北岸水文地質(zhì)條件發(fā)生改變，對(duì)于原來(lái)地下水賴以徑流和儲(chǔ)存的玄武巖裂隙被庫(kù)水占據(jù)，庫(kù)水像一堵墻阻止了原地下水水流，而庫(kù)水對(duì)地下水的頂托作用使原來(lái)的地下水水力坡度逐漸變緩以至于向北岸傾斜，在距庫(kù)邊500～600 m處原地下水與庫(kù)水混合形成一深槽向下游排泄，且根據(jù)建庫(kù)前的資料和北岸鉆孔，未發(fā)現(xiàn)承壓水。

后又委托中科院對(duì)其進(jìn)行氫氧穩(wěn)定同位素分析，對(duì)庫(kù)水和左壩肩附近地區(qū)鉆孔采的水樣，用穩(wěn)定同位素δD和δ18O進(jìn)行對(duì)比，論證結(jié)果為：壩前形成了完整的帷幕線，已改變了以前的水文地質(zhì)條件，涵洞水是由庫(kù)水通過左岸玄武巖裂隙、淤積層及壩體滲透補(bǔ)給。

三、各方案對(duì)比分析

沉井方案：施工的可靠度較高，不影響壩下涵洞的排水現(xiàn)狀，可在沉井內(nèi)觀測(cè)涵洞的運(yùn)行狀況，同時(shí)還可以在沉井口儲(chǔ)備反濾料，在壩下涵洞出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)可進(jìn)行及時(shí)處理。但是與其他方案相比施工難度較大，沉井與防滲墻的銜接處不易處理，基巖防滲需采取帷幕灌漿予以加強(qiáng)，壩下涵洞的隱患仍然存在。

高噴墻方案：施工難度相對(duì)較小，可靠度較高，不影響壩下涵洞排水現(xiàn)狀。缺點(diǎn)是基巖防滲需采取帷幕灌漿予以加強(qiáng)，壩下涵洞的隱患仍舊存在。

上游導(dǎo)排方案：不影響塑性混凝土防滲墻的施工，防滲墻能夠形成封閉的整體有利于防滲和抗震，同時(shí)年可回收棄水90多萬(wàn)m3，有一定的經(jīng)濟(jì)效益。缺點(diǎn)是以后的運(yùn)行與維護(hù)較為麻煩，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

封堵方案：不影響防滲墻的施工，防滲墻能夠形成封閉的整體，有利于防滲和抗震，與上游導(dǎo)排方案相比，無(wú)后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，與其他方案相比，既解決了壩體的滲漏問題又解決了壩下涵洞隱患，解決問題較為徹底。缺點(diǎn)是封堵后如果涵洞水為承壓水，上游側(cè)壩體的滲透穩(wěn)定存在安全隱患。因此，必須經(jīng)論證和上游導(dǎo)排方案運(yùn)行驗(yàn)證后才可采用本方案。

四、結(jié) 論

目前，防滲墻穿越壩下涵管的研究還不多，如果防滲墻穿越地下涵管處理不當(dāng)必然會(huì)對(duì)水庫(kù)的滲透穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，甚至?xí){整個(gè)工程的安全。本文提出防滲墻穿越地下涵管時(shí)，不改變涵洞排水現(xiàn)狀的沉井、高噴墻以及改變涵洞排水現(xiàn)狀的上游導(dǎo)排、封堵等四種方案，經(jīng)分析后認(rèn)為：

①如果壩下涵洞排水現(xiàn)狀不允許改變時(shí)，應(yīng)首選沉井方案，沉井施工難度太大時(shí)可采用高壓旋噴方案。但是此部位防滲墻接頭銜接施工以及后期的帷幕灌漿工作必須予以加強(qiáng)。

②如果壩下涵洞排水現(xiàn)狀允許改變且流量較小時(shí)，應(yīng)首選上游排導(dǎo)方案，在經(jīng)過論證與實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證后再采用封堵方案，這樣解決問題較為徹底。

③無(wú)論采用哪種方案，均可在涵洞出口下游壩坡一定范圍內(nèi)加強(qiáng)貼坡反濾，進(jìn)一步提高此部位抵抗?jié)B透破壞的能力。

[1]蘭艇雁，孫磊.冊(cè)田水庫(kù)“清泉洞”水的來(lái)源問題研究和除險(xiǎn)加固建議[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1992（1）.