混凝土防滲墻在龍門(mén)口水庫(kù)大壩防滲加固設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

倪樂(lè)峰

(新余市渝水區(qū)水利局，江西 新余 338000)

1 工程概況

龍門(mén)口水庫(kù)位于新余市渝水區(qū)南安鄉(xiāng)豐洲村委洲上村境內(nèi)，距新余市區(qū)45 km，是一座以灌溉、供水為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水利工程。水庫(kù)壩址坐落于袁河主要支流南安江上游，壩址以上集雨面積13.9 km2。水庫(kù)正常蓄水位80.6 m(黃海高程，下同)，設(shè)計(jì)洪水位(P=2%)81.59 m(本次，下同)，校核洪水位(P=0.1%)82.31 m，水庫(kù)總庫(kù)容1391萬(wàn)m3。水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉面積0.16萬(wàn)hm2(實(shí)際最大灌溉面積0.14萬(wàn)hm2)，供水規(guī)模5000 m3/d。

龍門(mén)口水庫(kù)大壩原為均質(zhì)土壩，2007—2008年 除險(xiǎn)加固對(duì)右側(cè)主河床壩段壩體實(shí)施了長(zhǎng)200 m的混凝土防滲墻防滲加固，左壩段現(xiàn)狀仍為均質(zhì)土壩。壩體防滲系統(tǒng)主要存在如下問(wèn)題：

(1)大壩清基不徹底，殘留有2.0～2.5 m厚的第四系砂卵石層，具強(qiáng)透水性，貫穿壩基上、下游，壩基存在淺層滲漏及滲透穩(wěn)定問(wèn)題，壩基基巖局部具中等透水性，存在壩基滲透隱患。

(2)壩體土主要由低液限黏土和粉土組成，局部夾粉土質(zhì)砂和風(fēng)化巖塊，分布不均勻，干密度偏低，孔隙比偏大，填筑質(zhì)量差，壩體土的滲透系數(shù)>1× 10-4cm/s，不滿足規(guī)范對(duì)均質(zhì)土壩的防滲要求。

(3)右側(cè)主河床壩段壩體設(shè)有混凝土防滲墻防滲，防滲墻截?cái)鄩位奥咽瘜?，但下伏基巖無(wú)有效防滲措施；左壩段仍為均質(zhì)土壩，壩基、壩體均無(wú)有效防滲措施。大壩未能形成完整的防滲體系。

(4)老壩下涵管附近以左壩腳附近常年有一處約200 m2的沼澤地呈帶狀分布。2019年7月7—16日，溢洪道最高水位80.95 m，老壩下涵管附近及其左側(cè)壩段長(zhǎng)約200 m范圍壩坡腳出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

(5)大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明，砂卵石層最大水平坡降和出逸坡降大于或接近土層經(jīng)驗(yàn)允許滲透坡降的上限，砂礫石層存在滲透安全隱患，運(yùn)行中曾出現(xiàn)泡泉，產(chǎn)生滲透破壞。

2 大壩防滲方案選擇

根據(jù)本工程實(shí)際情況，對(duì)大壩左、右壩段分別擬定防滲加固方案。

2.1 右壩段

右壩段壩體已實(shí)施射水造混凝土防滲墻防滲，防滲墻截?cái)鄩位奥咽瘜樱瑝误w和砂卵石層基本不存在滲漏問(wèn)題。下伏全風(fēng)化千枚巖具中等透水性，相對(duì)不透水頂板大都位于全、強(qiáng)風(fēng)化分界線上。根據(jù)右壩段地質(zhì)條件，壩基全風(fēng)化千枚巖層采用常規(guī)帷幕灌漿可灌性較差，設(shè)計(jì)采用高壓噴射灌漿對(duì)其進(jìn)行防滲加固，灌漿孔底高程深入強(qiáng)風(fēng)化基巖1.0 m。右壩肩為強(qiáng)風(fēng)化巖，曾發(fā)生沿山坡漏水現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)狀在溢洪道進(jìn)口前端設(shè)置了黏土斜墻裹頭進(jìn)行防滲，但未徹底解決基礎(chǔ)滲漏問(wèn)題，本次結(jié)合上部高壓噴射灌漿對(duì)強(qiáng)風(fēng)化巖層進(jìn)行截滲。

2.2 左壩段

左壩段壩體、壩基現(xiàn)狀無(wú)防滲措施，根據(jù)國(guó)內(nèi)病險(xiǎn)水庫(kù)加固處理技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，兼顧右壩段防滲措施，選擇以下方案進(jìn)行比選：

(1)方案Ⅰ——混凝土防滲墻+高噴灌漿方案

該方案同右壩段，壩體采用射水造混凝土防滲墻防滲，壩基采用高壓旋噴灌漿防滲，高噴墻底高程深入相對(duì)不透水或強(qiáng)風(fēng)化巖層1.0 m。防滲墻最大槽孔深11.3 m。

(2)方案Ⅱ——鉆抓法混凝土防滲墻方案

采用兩鉆一抓建造混凝土防滲墻對(duì)壩體、壩基進(jìn)行防滲，防滲墻深入全、強(qiáng)風(fēng)化千枚巖層相對(duì)不透水頂板以下1.0 m[1]，截?cái)鄩位鶟B漏隱患，形成完整的防滲體系，最大槽孔深18.2 m。

2.3 方案比較與選擇

上述兩方案均能解決大壩壩體、壩基滲流問(wèn)題，有效降低壩體浸潤(rùn)線，大大改善大壩下游壩坡的穩(wěn)定性，兩方案主要相異項(xiàng)目工程直接費(fèi)比較見(jiàn)表1。

由表1，兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)如下：(1)方案Ⅰ主要相異項(xiàng)目投資大于方案Ⅱ。(2)方案Ⅰ壩體、壩基采用不同的工藝，施工組織較方案Ⅱ復(fù)雜，兩種工藝銜接需嚴(yán)格控制，方案Ⅱ壩體、壩基混凝土防滲墻整體效果優(yōu)于方案Ⅰ。(3)左壩段局部相對(duì)不透水層頂板位于強(qiáng)風(fēng)化巖層內(nèi)，方案Ⅰ高壓旋噴灌漿不能截?cái)鄰?qiáng)風(fēng)化層中相對(duì)透水層，方案Ⅱ采用兩鉆一抓能有效深入強(qiáng)風(fēng)化基巖相對(duì)不透水層頂板以下。經(jīng)綜合比較，本次左壩段壩體、壩基防滲采用方案Ⅱ。

3 大壩防滲加固設(shè)計(jì)

3.1 壩體防滲設(shè)計(jì)

大壩壩體土滲透系數(shù)大于1.0× 10-4cm/s，右壩段已建有混凝土防滲墻防滲，左壩段無(wú)防滲措施。本次設(shè)計(jì)采用兩鉆一抓造混凝土防滲墻對(duì)左壩段壩體進(jìn)行防滲。左壩段造墻總長(zhǎng)260 m，防滲墻軸線布置同右壩段已實(shí)施混凝土墻，位于上游壩坡距壩頂上游邊線4.3 m、壩軸線7.3 m處，施工平臺(tái)頂高程83.0 m。

(1)防滲墻厚度計(jì)算。防滲墻厚度D按式(1)確定：

D≥ΔH/[J]

(1)

式中：ΔH為防滲墻作用水頭，按滲流計(jì)算防滲墻實(shí)際削減水頭計(jì)；[J]為防滲墻容許水力比降。

經(jīng)計(jì)算，并參照類似已建工程經(jīng)驗(yàn)和兼顧施工設(shè)備條件，混凝土防滲墻厚度采用0.60 m(常規(guī)沖擊鉆直徑為60～120 cm)，防滲墻頂高程同右壩段為82.60 m。

(2)防滲墻設(shè)計(jì)指標(biāo)。防滲墻混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：28 d抗壓強(qiáng)度≥8.0 MPa，彈性模量≤15 000 MPa，抗?jié)B等級(jí)W6，滲透系數(shù)不大于1×10-7cm/s，允許滲透坡降[J]為60～80[2]。

(3)防滲墻材料要求。原材料要求如下：①水泥：采用普通硅酸鹽42.5 級(jí)以上(含)水泥。②黏土：黏粒含量大于等于50%，含砂量小于3%。③膨潤(rùn)土：國(guó)標(biāo)一級(jí)以上。④骨料：細(xì)骨料(砂)要求細(xì)度模數(shù)FM=2.4～2.8(中砂)，適宜的砂率為35%～45%。粗骨料(石子)最大粒徑不宜超過(guò)40 mm，有條件時(shí)最大粒徑以20 mm 為好，小石與中石的比例以4∶6 為宜，否則容易堵管。

防滲墻混凝土物理性能要求：①較好的和易性，一般要求混凝土的坍落度為18～22 cm，擴(kuò)散度34～40 cm，并能保持1 h 左右。②較小的泌水率，一般要求在2 h 內(nèi)，泌水率小于4%。③初凝時(shí)間≥6 h，終凝時(shí)間不宜大于24 h。④密度≥2.1 g/cm3，不要用輕骨料。⑤施工混凝土強(qiáng)度應(yīng)比設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號(hào)高30%～40%。⑥28 d 抗?jié)B標(biāo)號(hào)為S8，水灰比為0.5～0.55。⑦防滲墻材料中水泥用量一般不少于300 kg/m3。

(4)左壩段防滲墻與右壩段已建防滲墻、防滲墻與老壩下涵管封堵倒掛井外壁連接處，均布置高壓旋噴灌漿孔進(jìn)行灌漿以確保其連接緊密。

3.2 壩基防滲設(shè)計(jì)

大壩壩基殘留有第四系砂卵石層，右壩段壩體混凝土防滲墻施工時(shí)截?cái)嗔松奥咽瘜?，但下伏全、?qiáng)風(fēng)化千枚巖具中等透水性，存在滲漏隱患；左壩段壩基現(xiàn)狀無(wú)任何防滲措施，運(yùn)行過(guò)程中已出現(xiàn)滲漏和滲透破壞問(wèn)題。

3.2.1 防滲標(biāo)準(zhǔn)

龍門(mén)口水庫(kù)為中型已建工程，壩基防滲的目的主要是封堵壩基、壩肩基巖風(fēng)化層透水帶滲漏通道，防止大壩發(fā)生滲透破壞。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)Ⅲ級(jí)壩，基巖相對(duì)不透水層透水率為q≤5～10 Lu，設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)采用基巖透水率q≤10 Lu。

3.2.2 左壩段壩基防滲

左壩段壩基防滲與壩體一并采用兩鉆一抓混凝土墻防滲墻，墻底深入相對(duì)不透水層1.0 m，按地質(zhì)剖面，防滲墻最低底高程為64.8 m，槽孔最大深度18.2 m。下階段通過(guò)先導(dǎo)孔最終確定防滲墻底高程。先導(dǎo)孔孔距45 m，共布置13孔。

3.2.3 右壩段壩基防滲

右壩段已建壩體混凝土防滲墻，基礎(chǔ)防滲根據(jù)壩基地質(zhì)條件確定采用高壓旋噴灌漿對(duì)全風(fēng)化千枚巖進(jìn)行截滲處理，右壩肩強(qiáng)風(fēng)化巖層采用帷幕灌漿截滲。灌漿軸線布置于防滲墻軸線上游0.3 m。

(1)高壓旋噴灌漿。旋噴墻頂部與壩體現(xiàn)有混凝土防滲墻搭接不小于1.5 m，底部深入相對(duì)不透水層或強(qiáng)風(fēng)化巖層1.0 m。根據(jù)大壩擋水高度，旋噴孔采用單排布孔，孔距根據(jù)類似工程初步確定為0.75 m，墻體有效厚度0.4 m，要求允許比降[J]為60。灌漿施工平臺(tái)高程同左壩段為83.0 m。

(2)帷幕灌漿范圍。右壩肩帷幕底線深度按深入相對(duì)不透水巖體(基巖透水率q≤10 Lu)頂板以下不小于5 m控制。左壩肩由于黏土覆蓋層較厚，未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，本次設(shè)計(jì)帷幕灌漿不考慮向外延伸。右壩肩延伸至水庫(kù)正常蓄水位與相對(duì)不透水層或地下水位相交處，延伸長(zhǎng)度26 m。帷幕灌漿底高程約為60.0～75.5 m。

根據(jù)大壩擋水高度，帷幕灌漿按單排孔設(shè)計(jì)，孔距1.5 m，壩基段鉆孔與高壓旋噴孔共用。壩肩灌漿范圍內(nèi)山坡平緩，可直接在山坡上整設(shè)灌漿平臺(tái)施灌。灌漿采用自下而上分段施工，第一段灌漿壓力按1.0～1.5倍壩前水頭考慮。

(3)灌漿材料及灌漿施工工藝方法。灌漿采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5 MPa普通硅酸鹽或硅酸鹽大壩水泥漿灌注，必要時(shí)漿液中摻和適量速凝劑[3]。

4 大壩滲流計(jì)算與分析

穩(wěn)定滲流時(shí)壩體內(nèi)部最大滲透坡降值及滲流量計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 大壩穩(wěn)定滲流計(jì)算成果

續(xù)表2

由滲流計(jì)算成果可以得出結(jié)論：大壩未做防滲處理的老壩下涵管處斷面滲漏量較大、浸潤(rùn)線下游出逸點(diǎn)位置較高；實(shí)施了防滲處理的 Ⅲ-Ⅲ′、Ⅳ-Ⅳ′斷面，防滲墻削減水頭65%左右，浸潤(rùn)線下游出逸點(diǎn)高程低，滲漏量明顯減少。壩體允許滲透坡降均滿足要求，老壩下涵管處壩基砂卵石層滲透坡降不滿足滲透穩(wěn)定要求，需對(duì)壩基進(jìn)行防滲處理。

5 大壩穩(wěn)定計(jì)算

大壩上、下游壩坡在各種計(jì)算工況下抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)見(jiàn)表3。穩(wěn)定計(jì)算成果表明：大壩上、下游壩坡各種計(jì)算工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表3 大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果

6 結(jié) 語(yǔ)

文章結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)大壩右壩段壩基采用高壓噴射灌漿進(jìn)行防滲處理，對(duì)左壩段壩體、壩基采用鉆抓法混凝土防滲墻防滲處理，加固后大壩滲流計(jì)算結(jié)果表明，實(shí)施了防滲處理的大壩斷面，浸潤(rùn)線下游出逸點(diǎn)高程降低，滲漏量明顯減少，壩體允許滲透坡降均滿足要求。證明水庫(kù)均質(zhì)土壩壩體、壩基采用鉆抓法混凝土防滲墻防滲效果良好，右壩段采用高壓噴射灌漿對(duì)壩基下伏基巖的截滲處理措施亦是行之有效的。