王英水庫大壩防滲墻施工中產(chǎn)生壩頂裂縫原因分析和處理措施

褚 敏 周 純

(湖北省王英水庫管理局，湖北 咸寧 437000)

1 工程概況

王英水庫位于湖北省陽新縣王英鎮(zhèn)，攔截富水支流三溪河主支王英河，距陽新縣城關(guān)30km，距三溪鎮(zhèn)5km。壩址控制流域面積243km2，多年平均降雨量1424mm，多年平均徑流深866mm，多年平均徑流總量為2.49億m3，水庫控制流域面積287.7km2，設(shè)計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為2000年一遇，王英水庫正常蓄水位為70.00m，設(shè)計洪水位為71.91m，校核洪水位為73.37m；樞紐工程于1970年動工興建，1971年基本建成，同年汛期攔洪蓄水，1977年全部完工。水庫樞紐由王英水庫、蔡賢水庫及輸水隧洞組成，主要建筑物由大壩、副壩、泄洪隧洞、壩下埋管、水電站等組成； 大壩為碾壓式黏土心墻代料組合壩，壩頂高程為75.00m，最大壩高為53.6m，頂寬8.0m，壩長225.0m；大壩上游坡比分別為1∶2.25、1∶2.75、1∶3，下游坡比分別為1∶2、1∶4.5、1∶5.1?？値烊?.228億m3。該水庫是一座以灌溉、供水、防洪為主，兼有滅螺、發(fā)電、旅游等綜合效益的大(2)型水利工程。

2 大壩運行監(jiān)測情況

2.1 大壩心墻情況

從2010年以來的大壩測壓管觀測資料來看，當(dāng)庫水位在66.42m(黃海68.5m)以下時，各測壓管的水位均低于庫水位，變化趨勢也基本一致，工況較好，大壩經(jīng)過帷幕灌漿和心墻充填灌漿后，管水位呈下降趨勢，說明大壩運行狀況正常。當(dāng)庫水位在68.50m以上時，在壩頂軸線樁號0+095處的測壓管水位出現(xiàn)突然升高，比相鄰斷面樁號0+120的浸潤線測壓管同比高1.5～2.0m，初步分析在該區(qū)域存在滲漏隱患。而且根據(jù)地勘資料，大壩心墻高程48.00～73.00m范圍滲透系數(shù)為4.27×10-4～2×10-3cm/s，不滿足規(guī)范要求，心墻存在隱患。

2.2 壩坡及壩肩情況

在2001—2009年的王英水庫樞紐除險加固工程中，只對上游64.00m高程以上壩坡進行了混凝土護坡，下游壩坡均未處理。2010年王英水庫管理局對58.00～75.00m的下游壩坡進行了干砌塊石護坡，但下游壩坡58.00m以下的壩坡未進行整治，反濾壩塊石護坡呈變形狀態(tài)，下游壩坡總體形象較差。

王英大壩右壩肩山體坡度過陡，巖體因裂隙切割，曾發(fā)生過小規(guī)模坍塌現(xiàn)象，危及大壩安全，大壩下游無滲流量觀測設(shè)施。

3 防滲墻設(shè)計

王英大壩塑性混凝土防滲墻設(shè)計軸線長度為197m(樁號0+022～0+219)，沿壩軸線布置。防滲墻軸線位于大壩黏土心墻軸線位置(距上游防浪墻內(nèi)側(cè)2.7m處)，設(shè)計墻頂高程為74.50m，墻體底部深入強風(fēng)化基巖不小于1m(透水率為1Lu≤q≤5Lu)，墻體深度范圍為10.48～57.41m，基巖以下部分為原帷幕灌漿部位。塑性混凝土防滲墻最小厚度為80cm，墻體混凝土28天抗壓強度不小于5MPa，彈性模量為2000MPa，墻體允許水力坡降不小于80，滲透系數(shù)不大于1×10-6cm/s。

按照設(shè)計要求，工程施工順序為先澆筑混凝土防滲墻，再對防滲墻底部和原帷幕灌漿接觸帶進行灌漿。防滲墻施工導(dǎo)向墻為L形，導(dǎo)墻凈寬0.8m，深度為1m。防滲墻設(shè)計槽段長6.6m，共分為30個槽段，分兩序進行施工。

4 裂縫產(chǎn)生過程

按照合同約定，大壩防滲墻成槽施工采用純抓法。純抓法成槽施工是采用液壓抓斗成槽機成槽，不同于傳統(tǒng)的沖擊鉆成槽設(shè)備，液壓抓斗成槽機具有施工功效高的特點，但同時因為機械體系較大，需要占用較大的空間范圍。王英大壩壩頂寬度為8m，防滲墻沿大壩軸線布置，除去防滲墻和導(dǎo)墻的寬度，剩下的單側(cè)路面寬度不足3m，不能滿足液壓抓斗成槽機的布置范圍要求。為滿足液壓抓斗成槽機的施工場地要求，施工單位在成槽施工前利用袋裝土對下游側(cè)壩頂路面進行了拓寬，使得單側(cè)壩頂路面寬度達到8m，滿足了液壓抓斗成槽機施工場地要求。

在防滲墻造孔施工時，各槽段均不同程度地出現(xiàn)了漏漿情況。在對第一個開挖槽段FSQ-1造孔施工時，孔深9m位置遇到漏漿情況；對槽段FSQ-21和FSQ-25進行成槽施工時，施工過程中也遇到漏漿情況。甚至在槽段FSQ-25澆筑過程中，大壩上游(樁號0+143～0+186)范圍內(nèi)的水面以下壩體及馬道排水孔出現(xiàn)排漿現(xiàn)象，排漿位置共有四處，兩處在馬道排水孔、一處上游混凝土蓋板伸縮縫、一處水面以下。在槽段FSQ-29澆筑至14m時，上游馬道樁號0+180排水管下側(cè)出現(xiàn)排漿現(xiàn)象，當(dāng)槽孔澆筑至9m位置處時，停止排漿。在槽段FSQ-27澆筑至17m時，上游馬道排水管下側(cè)又出現(xiàn)排漿現(xiàn)象，直至該槽孔澆筑至12m時才停止排漿。

由于多個槽段出現(xiàn)漏漿的問題，施工單位為解決這一問題，保證成槽質(zhì)量，采用了增加泥漿比重及黏度(采用Na基膨潤土)、調(diào)整施工工藝、改變槽孔施工順序、增加成槽機具——沖擊鉆等措施。經(jīng)反復(fù)試驗，最終采用的施工方式為：槽孔施工順序由一、二期跳抓成槽改為“趕羊”法施工，即造孔時先利用沖擊鉆(平底鉆頭)對槽孔上部5～10m夯實造孔，然后以抓斗邊夯邊抓的方法進行造孔。雖降低了功效，但取得了明顯效果，漏漿情況得到有效控制。

但是在槽段FSQ-10槽孔施工過程中，Ⅰ抓開挖至孔深28m時出現(xiàn)漏漿情況，回填至孔深3m停止漏漿，經(jīng)夯實沉淀3h后，漏漿情況得到控制，繼續(xù)造孔，在后續(xù)造孔過程中未出現(xiàn)漏漿及塌孔情況。隨后對槽段FSQ-10槽孔進行澆筑。在槽段FSQ-10澆筑至孔深27m時開始出現(xiàn)漏漿，澆筑過程中回漿量持續(xù)減少，與此同時在樁號0+88.8～101.4范圍內(nèi)的下游導(dǎo)墻與已成墻的槽段FSQ-11、FSQ-12之間，以及樁號0+88～0+132.06范圍內(nèi)的原路緣石與路面接觸部位出現(xiàn)裂縫，且裂縫持續(xù)發(fā)展變寬，裂縫平行于壩軸線方向。

通過12h的觀察，墻體與導(dǎo)墻側(cè)裂縫趨于穩(wěn)定，寬度維持在9.5～10cm，路緣石內(nèi)側(cè)裂縫寬度穩(wěn)定在10cm。壩頂路緣石上游至下游導(dǎo)墻范圍內(nèi)出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，通過觀測發(fā)現(xiàn)總體下沉約14cm。

5 原因分析

為審慎研究解決王英大壩裂縫問題，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查、初步分析后，勘測單位對初設(shè)成果進行了復(fù)核，特別是裂縫段鉆孔揭示的土層情況和土工試驗成果，對裂縫段進行了統(tǒng)計整理。同時布置了5個鉆孔(孔深35～45m)和3條高密度電法剖面(連續(xù)墻上、下游)，通過技術(shù)手段揭示前后心墻和代料填土性狀的變化(物探剖面見圖1)。

圖1 物探剖面

5.1 物探結(jié)果

物探結(jié)果表明：心墻填土上下段存在電阻差，物探剖面1在地下20～65m、點號90～130點存在電阻率低的區(qū)域異常，該區(qū)域為1號物探異常區(qū)。物探剖面2在地下30～65m、點號70～90點及點號120～150點兩段分別存在低電阻率2號異常區(qū)和低電阻率1號異常區(qū)。物探剖面3點號60～80點及點號130～160點兩段分別存在低電阻率2號異常區(qū)和低電阻率1號異常區(qū)。低電阻率說明異常區(qū)土體含水量相對較高，初步判斷為滲漏影響區(qū)。各剖面物探異常對應(yīng)關(guān)系明顯，表明滲漏影響區(qū)域是連通的。同時結(jié)合施工時漏漿情況分析，物探剖面1和2，兩處異常區(qū)與施工時漿液滲漏存在較為直接的對應(yīng)關(guān)系。

5.2 裂縫原因分析

5.2.1 原壩體土填筑原因

王英水庫大壩修建于20世紀70年代，地勘揭示：心墻第二層素填土干重度12.2～16.2kN/m3。在50組取樣中，有22組未達到壓實度0.96的基本要求，最低僅0.80，不合格率為44.0%；填土天然含水量平均值30.0%，高于最優(yōu)含水量上限控制值。第二層素填土上部(48.08m 高程以上)：鉆孔注水試驗測得填土水平向滲透系數(shù)在1.02×10-3～6.11×10-5cm/s。鉆探揭示該段心墻局部夾雜20%～30%碎石，鑒于夾雜碎石部分填土與素填土滲透性迥異，壩體主要以填土為主，填土滲透系數(shù)大于5.00×10-5cm/s，心墻上部存在滲漏。

第二層素填土底部(48.08m 高程以下)，鉆孔注水試驗測得填土水平向滲透系數(shù)6.94×10-7～6.30×10-5cm/s，地質(zhì)建議滲透系數(shù)3.50×10-5cm/s，不滿足規(guī)范要求。代料碎石土天然重度23.0kN/m3，干重度17.0kN/m3，飽和重度25.0kN/m3。根據(jù)原位測試成果，動力觸探N63.5在18～22之間，平均為19，屬中密狀態(tài)，達不到0.75的基本要求，代料土欠密實。

由此可以看出，心墻局部碎石含量較高，土體潮濕，多呈可塑狀，干重度指標顯示，其碾壓質(zhì)量未達到設(shè)計要求，由于壩體碾壓質(zhì)量較差，致使密實度不佳，造成土體孔隙發(fā)育，壓縮性較大，槽孔開挖到一定深度后，槽段周邊的應(yīng)力發(fā)生重新分布，一定程度產(chǎn)生蠕變。同時，造孔過程中所滲漏泥漿進入土體孔隙使土體強度變低，從而在造孔施工中產(chǎn)生的應(yīng)力在釋放過程至使其出現(xiàn)了劈裂、沉降等現(xiàn)象。

5.2.2 河床段壩段滲漏穩(wěn)定較差

該段壩基處于河床段，其底部土體(或巖體)透水性本身就強于其他部位，容易引起滲漏及滲漏穩(wěn)定問題。水庫蓄水后，壩基土層(或巖層)的水動力條件發(fā)生變化，實際水力坡降大于允許坡降，從而造成一系列滲透破壞，進而影響到壩體的穩(wěn)定，致使該段壩基容易產(chǎn)生沉降、裂縫等問題，而在成槽施工過程中對其產(chǎn)生的外力擾動誘發(fā)了這些現(xiàn)象的產(chǎn)生。

5.2.3 流態(tài)混凝土側(cè)壓力作用較大

槽段FSQ-10理論方量296.21m3，總澆筑方量為460m3，擴孔系數(shù)為1.55，超澆方量達163.79m3，坍落度18～22cm，擴散度34～40cm。塑性混凝土流動性大，初凝時間長，入倉后對槽孔側(cè)壁會形成巨大的側(cè)壓力，對裂縫加大趨勢產(chǎn)生影響。

5.2.4 袋裝土幫壩加大壩頂外荷載作用

為滿足液壓抓斗成槽機施工平臺寬度的要求，施工單位在壩頂利用袋裝土幫壩，增加了壩頂?shù)暮奢d，也是壩頂裂縫產(chǎn)生的一個直接原因。

6 預(yù)防及處理措施

6.1 清除壩頂袋裝土等不利荷載

要求施工方清除壩頂袋裝土及棄土，針對路面寬度不能滿足液壓抓斗成槽機施工范圍要求的問題，可將剩余槽段的成槽施工由液壓抓斗成槽改為沖擊鉆成槽。

6.2 加大槽段間隔，縮短槽段長度

對剩余樁號0+101.2～0+133.2范圍內(nèi)的槽孔重新進行槽段劃分，縮短槽段長度，由6.6m變?yōu)?.6m，沖擊鉆成槽。施工槽段之間應(yīng)保持一定間隔, 避免大面積鋪開。盡可能縮短從成槽到混凝土澆筑的時間，并控制澆筑速度。

6.3 改變泥漿性能

改變泥漿性能，提高泥漿黏度，對已成槽段內(nèi)的泥漿適時進行擾動，避免出現(xiàn)泥漿離析改變性能現(xiàn)象。

6.4 對防滲墻兩側(cè)的心墻部位進行充填灌漿處理

在上下游側(cè)各設(shè)兩排充填灌漿孔，平面樁號范圍為：上游側(cè)0+022～0+219，長197m；下游側(cè)0+063～0+143，長80m。充填灌漿的排距為1m，孔距1.5m，灌漿底部高程為48.00m，孔深25m。

6.5 采用合適的泥漿護壁

泥漿中的土顆粒進入土體中的孔隙后,對孔隙起封閉作用,減緩了孔隙水壓力的上升速度,有利于減少裂縫的產(chǎn)生，因此，在施工中應(yīng)避免采用清水護壁。泥漿濃度也不宜太大，否則作用在槽壁上的土壓力會增大,對壩坡穩(wěn)定不利。

6.6 嚴控孔隙水壓力升高

在成槽施工過程中,已發(fā)生的縱向裂縫甚至槽孔內(nèi)液面急劇下降時，迅速在孔內(nèi)回填干土或水泥干土混合物,中斷滲流水進人，避免孔隙水壓力升高,這樣能有效防止縱向裂縫的延伸和加寬。

6.7 縮短從成槽到混凝土澆筑的時間

槽孔內(nèi)的水是慢慢滲入土體的,時間越長,滲入的水量越多,孔隙水壓力上升幅度也越大,容易產(chǎn)生裂縫。因此,防滲墻施工時應(yīng)盡可能減少從成槽到混凝土澆筑的時間,防滲墻成槽施工過程中,槽段之間的間隔應(yīng)盡可能長,這樣會延長滲流水的滲徑,不易產(chǎn)生裂縫。

6 結(jié) 語

通過分析,得出以下結(jié)論:防滲墻成槽施工過程中,進入槽段兩側(cè)的滲流水引起孔隙水壓力上升是造成縱向裂縫的主要原因。

布置在壩頂位置的混凝土防滲墻在施工期容易產(chǎn)生縱向裂縫,應(yīng)采用重度合適的泥漿進行護壁,避免清水護璧；施工槽段之間應(yīng)保持一定間隔,避免大面積鋪開；盡可能縮短從成槽到混凝土澆筑的時間；澆筑過程中出現(xiàn)縱向裂縫或泥漿液面急劇下降現(xiàn)象時，在槽孔內(nèi)回填干土或水泥干土混合物,能有效防止裂縫的延伸和加寬。