柏峰水庫主壩混凝土防滲墻防滲處理效果分析

葛龍進(jìn)，曾 锃，胡允楚 ，黃 嬋 ，葉俊飛 ，吳民正

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，杭州 310002；2.浙江省義烏市水務(wù)局，浙江 義烏 322000)

0 引 言

我國大部分黏土心墻壩興建于20世紀(jì)50-70年代，受當(dāng)時(shí)條件限制，普遍存在填筑密實(shí)性差、土質(zhì)混雜、防滲性能差或心墻基礎(chǔ)清基不徹底等狀況，造成心墻變形、開裂、滲漏等問題[1]。從浙江省已完成除險(xiǎn)加固水庫來看，黏土心墻存在壓實(shí)度偏低，滲透系數(shù)偏大[2]，心墻下游面無反濾保護(hù)或反濾層高度不夠等問題；部分心墻存在貫穿性縱向裂縫[3]；部分存在分散性土。其他省份水庫也存在類似問題：如河北大洋溝水庫，心墻部分地段為含細(xì)粒土粗砂，該層滲透系數(shù)為8.2×10-4cm/s[4]；甘肅的錦屏水庫，壩體存在橫向的表層及內(nèi)部裂縫[5]。

壓實(shí)度偏低、滲透系數(shù)偏大造成心墻防滲性能差，浸潤線偏高，滲漏量偏大；心墻變形、開裂易造成集中滲漏、沖蝕、管涌及水力劈裂。輕者影響水庫效益，嚴(yán)重時(shí)會對大壩安全構(gòu)成威脅，需及時(shí)進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理。除險(xiǎn)加固措施主要有黏土套井回填、混凝土防滲墻、上游壩面土工膜或斜墻等。近幾十年來，水利工作者對混凝土防滲墻進(jìn)行了大量研究，研究領(lǐng)域從最初的施工工藝、質(zhì)量檢測，逐步向墻體材料、混凝土配合比、應(yīng)力應(yīng)變分析和混凝土耐久性研究等方面深入，為混凝土防滲墻的推廣應(yīng)用提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

1 工程概況

義烏市柏峰水庫位于東陽江支流吳溪上游柏峰村，水庫控制集水面積23.4 km2，水庫總庫容2 267 m3，正常蓄水位122.50 m。工程按50 a一遇設(shè)計(jì)，2 000 a校核。柏峰水庫是一座以供水和灌溉為主，結(jié)合防洪等綜合利用的中型工程。

原水庫主壩壩型為黏土心墻砂殼壩，最大壩高38.5 m，壩頂高程126.13 m，防浪墻頂高程127.13 m。原副壩為均質(zhì)壩，壩高18.5 m。經(jīng)30 a以上的運(yùn)行，主壩在壩體滲流穩(wěn)定、壩坡穩(wěn)定、壩基滲漏和壩肩繞壩滲漏等方面存在安全隱患，威脅大壩安全和水庫效益的發(fā)揮。經(jīng)核查，水庫大壩認(rèn)定為三類壩，需進(jìn)行除險(xiǎn)加固[6]。

2 混凝土防滲墻設(shè)計(jì)與施工

2.1 混凝土防滲墻設(shè)計(jì)

工程經(jīng)C25混凝土面板、壩面土工膜、壩體混凝土防滲墻以及黏土套井4個(gè)方案比較，最終選定壩軸線混凝土防滲墻加固方案[7]。防滲墻頂高程124.40 m，防滲墻軸線與壩軸線重合，并貫穿壩體嵌入弱風(fēng)化基巖內(nèi)，左右兩岸設(shè)混凝土岸墻與壩基緊密連接，形成封閉的防滲系統(tǒng)。兩岸防滲墻地基實(shí)施帷幕灌漿，并與左岸溢洪道帷幕相連。主壩加固斷面見圖1。

混凝土防滲墻彈模指標(biāo)E28 d=4 000～6 000 MPa，C28 d≥8 MPa；墻體厚度0.8 m，墻底深入弱風(fēng)化基巖0.8 m[8]。

2.2 混凝土防滲墻施工

主壩混凝土防滲墻于2009年1月采用“鉆劈法”成槽施工，共27個(gè)槽段。最大墻深43.5 m，墻體厚度0.8 m。兩壩頭的岸墻基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化巖石上。

原主壩壩下涵管在7號槽段，于1996年進(jìn)行了封堵處理?；炷练罎B墻截?cái)嗬虾芎?，伸入弱風(fēng)化巖石0.8 m。在該部位的造孔與混凝土澆筑施工中，未出現(xiàn)明顯的漏水、漏漿等異常情況。

防滲墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用地質(zhì)鉆機(jī)造孔，對兩壩頭墻基實(shí)施帷幕灌漿處理，單排孔距2.5 m，孔深伸入基巖14～25 m。灌漿壓力接觸段為0.4 MPa，以下按每米0.02 MPa遞增。

圖1 主壩加固斷面Fig.1 Reinforcement section of main dam

3 防滲墻質(zhì)量檢測

3.1 混凝土試塊檢測

混凝土試塊按規(guī)范要求制作后，運(yùn)送至有檢測資質(zhì)的檢測單位進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表1。

從表1可以看出，混凝土試塊的試驗(yàn)組數(shù)符合規(guī)范要求，混凝土強(qiáng)度保證率在95%以上，離差系數(shù)小，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

表1 主壩防滲墻混凝土試塊檢測成果

注：表中判別式按普通混凝土試塊按《水利水電施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評定規(guī)程》附錄C執(zhí)行，n≥30按表C.0.1判別，稱判別式①；5≤n<30 按表C.0.2判別，稱判別式②；2≤n<5按表C.0.3判別，稱判別式③。

3.2 混凝土防滲墻超聲波檢測

防滲墻施工完畢3個(gè)月后，對混凝土防滲墻進(jìn)行超聲波的雙孔單發(fā)單收試驗(yàn)[9]及鉆孔電視[10]，以檢測防滲墻混凝土的均質(zhì)性和密實(shí)性[11]。共檢測了防滲墻5、6、16、17、23、24號槽段9個(gè)孔，超聲檢測結(jié)果見表2。

表2 主壩防滲墻對孔聲速范圍及其統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Sound velocity range and its statistical results of seepage prevention wall of main dam

檢測結(jié)論：主壩防滲墻的檢測波速均在2 500 m/s以上，且離差系數(shù)小，混凝土均質(zhì)性、密實(shí)性好；槽段與槽段間未發(fā)現(xiàn)無明顯的夾泥層，連續(xù)性好；主壩被檢測槽段沉渣已基本清理干凈，接觸面結(jié)合良好。

4 防滲處理效果分析

4.1 防滲措施特點(diǎn)

本工程的防滲措施具有以下特點(diǎn):

(1)采用彈模與強(qiáng)度稍高于塑性混凝土的低彈?；炷练罎B墻(根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)合已建成且運(yùn)行良好的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，本工程選取彈模5 000 MPa作為質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn))，既能適應(yīng)不均勻受力及相應(yīng)的變形，又有較高的耐久性，是浙江省病險(xiǎn)水庫土石壩壩體防滲處理最主要的措施之一[12]。

(2)采用嵌固式防滲墻，穿過壩體與壩基接觸段這一薄弱環(huán)節(jié)，并伸入弱風(fēng)化巖石一定的深度，避免接觸滲漏與接觸沖刷。

(3)采用0.8 m厚防滲墻，滿足抗?jié)B性與耐久性的要求，施工方便，經(jīng)濟(jì)合理[13]。

4.2 庫水位與墻前墻后滲壓計(jì)水位對比分析

水庫主壩滲壓計(jì)布置：橫向3排，縱向5排，各斷面布置滲壓計(jì)9～11只，各點(diǎn)1～3只，滲壓計(jì)具體布置見圖2。

圖2 柏峰水庫主壩滲壓計(jì)布置Fig.2 Osmometer layout of main dam of baifeng reservoir

滲壓計(jì)自2009年4月至10月埋設(shè)完畢后，獲得2011年1月1日至2012年11月(2012年12月以后水庫放空，進(jìn)入除險(xiǎn)加固二期施工)較完整的滲壓計(jì)實(shí)測水位資料，橫向上各排滲壓計(jì)實(shí)測水位過程線見圖3～圖5。

圖3 G1排滲壓計(jì)實(shí)測水位過程線Fig.3 Measuring water level process line of osmometer of G1 row

圖4 G2排滲壓計(jì)實(shí)測水位過程線 Fig.4 Measuring water level process line of osmometer of G2 row

圖5 G3排滲壓計(jì)實(shí)測水位過程線Fig.5 Measuring water level process line of osmometer of G3 row

根據(jù)庫水位的漲落與滲壓計(jì)水位的關(guān)系可以看出：

(1)2011年1月1日至2012年11月1日期間，庫水位變幅較大，最高水位達(dá)到約120 m，最低水位約為104 m，相差近16 m。防滲墻上游側(cè)滲壓計(jì)G1-2、G1-5、G2-1、G2-5、G3-1、G3-5實(shí)測水位隨庫水位的漲落而起伏，受降雨、滲流等因素影響，滲壓計(jì)水位存在不同程度的滯后，但變化步調(diào)基本一致，具有較好的相關(guān)性。防滲墻下游側(cè)滲壓計(jì)G1-7、G1-9、G2-7、G2-10、G3-7、G3-10、G3-11實(shí)測水位隨庫水位的漲落而保持基本穩(wěn)定，越遠(yuǎn)離防滲墻，水位穩(wěn)定性越好，與庫水位相關(guān)性差。

(2)G1斷面防滲墻上游側(cè)1.5 m處滲壓計(jì)G1-5水位與下游側(cè)1.5 m處滲壓計(jì)G1-7水位差約7～14 m，G2斷面防滲墻上游側(cè)1.5 m處滲壓計(jì)G2-5水位與下游側(cè)1.5 m處滲壓計(jì)G2-7水位差約9～16 m，G3斷面防滲墻上游側(cè)1.5 m處滲壓計(jì)G3-5水位與下游側(cè)1.5 m處滲壓計(jì)G3-7水位差約9～14 m。防滲墻上下游水位降幅明顯，各斷面的水位降幅較接近，進(jìn)一步說明混凝土防滲墻總體質(zhì)量較穩(wěn)定，防滲效果較理想。

4.3 加固前后壩體浸潤線對比分析

2015年7月12日，水庫水位達(dá)到正常蓄水位122.5 m。加固前滲流分析計(jì)算的壩體浸潤線與加固后實(shí)測浸潤線見圖6。

圖6 加固前后壩體浸潤線對比Fig.6 Comparison of immersion line of dam before and after reinforcement

由圖6可看出：在正常蓄水位的條件下，加固后下游壩體浸潤線比加固前滲流分析計(jì)算的浸潤線低10 m以上，降幅較大，不但改善了滲流條件，同時(shí)增加了下游壩坡的穩(wěn)定性。防滲墻前后水位差達(dá)到20 m，墻的滲透比降[J]=250，滿足允許滲透比降[J]≥100的設(shè)計(jì)要求，抗?jié)B性能優(yōu)良。

4.4 防滲墻耐久性檢驗(yàn)方法與手段

防滲墻耐久性的評價(jià)指標(biāo)是長期防滲效果，影響長期防滲效果的主要因素是墻體的整體性與墻體材料的密實(shí)性[14]。

影響墻體抗?jié)B性能主要因素是混凝土內(nèi)部裂縫，裂縫的產(chǎn)生與墻體材料、施工條件、施工工藝以及墻體本身的受力條件相關(guān)，運(yùn)行期的應(yīng)力狀態(tài)直接影響著后期裂縫的發(fā)展，墻體應(yīng)力狀況可以通過應(yīng)力計(jì)算與應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測資料來進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。從浙江省已建工程相關(guān)監(jiān)測資料成果反映，防滲墻應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，防滲墻混凝土橫截面大部分處于受壓狀態(tài)，不同高程的水平位移變化幅度較小，上下游方向位移量均在正常范圍內(nèi)(均小于其墻深的0.3%)[15]。

防滲墻的長期密實(shí)性主要取決于是否產(chǎn)生滲漏與與溶蝕。防滲墻厚度一定時(shí)，其安全使用壽命與防滲墻的水泥用量成正比，與防滲墻的滲漏量、CaO的溶蝕量成反比，具體檢驗(yàn)方法可采用溶蝕試驗(yàn)[14]。根據(jù)施工時(shí)的配合比制成試件，試驗(yàn)可參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)。試驗(yàn)時(shí)除對試樣滲漏水進(jìn)行收集外，定期測試滲透系數(shù)和CaO溶出量，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行分析判斷。本工程采用的配合比：水膠比采用0.57，水泥用量332 kg/m3，膨潤土摻量占膠材總量的25%，彈模5 120 MPa。由此澆筑的混凝土，既保證了低彈模，又保證了一定的水泥用量與混凝土強(qiáng)度，從而提高混凝土的耐久性。

5 結(jié) 語

(1)本文以柏峰水庫主壩防滲加固為例，針對心墻壩的共性問題，開展工程應(yīng)對措施及監(jiān)測檢測方法研究，研究成果可為類似工程提供借鑒。

(2)低彈?；炷练罎B墻兼顧了低彈模與混凝土強(qiáng)度，滿足抗?jié)B性和耐久性，已在我省多座水庫加固中成功運(yùn)用，應(yīng)用前景廣闊?；炷猎噳K、超聲波檢測、墻前墻后水位及加固前后壩體浸潤線等監(jiān)測檢測方法可用于防滲墻有效性評價(jià)；應(yīng)力計(jì)算、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測資料分析、混凝土溶蝕試驗(yàn)等綜合方法與手段可用于防滲墻耐久性評價(jià)。

(3)為確保防滲墻的長期有效，建議在運(yùn)行管理中加強(qiáng)監(jiān)測及資料分析，開展相關(guān)的試驗(yàn)工作，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)采取處理措施。