周晓明

(1.长江勘测规划设计研究院，武汉 430010；2.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010)

混凝土防渗墙在土石坝防渗加固中的应用

周晓明1，2

(1.长江勘测规划设计研究院，武汉 430010；2.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010)

土石坝的渗流安全问题在整体安全中占有重要地位，直接影响大坝的运行安全。混凝土防渗墙作为挡水建筑物加固防渗体系的主体部分，防渗效果最为可靠。文章在分析材料及其工艺的基础上，对土石坝防渗加固中混凝土防渗墙的设计、施工方法等问题进行初步总结。

混凝土防渗墙；土石坝；防渗加固；设计要点；控制指标

0 前 言

我国是世界筑坝大国，截止2008年年底，修建各类水库近8.7万座，其中90%以上大坝为土石坝。由于历史原因，相当一部分大坝是边勘测、边设计、边施工的，加之管理不善，不少大坝成为了病险工程，有的甚至溃坝失事。这其中，因渗流破坏问题所占的比例高达30%～40%。渗透水流除浸湿土体降低其强度指标外，当渗透力大到一定程度时将导致坝坡滑动、防渗体被击穿、坝基管涌、流土等重大渗流事故。由于土石坝筑坝材料具有一定渗透性，坝体渗流场的分布取决于不同区域筑坝材料的渗透性能，各类坝型对筑坝材料的渗透性能有一定要求，当材料渗透性不满足要求或防渗体产生裂缝时，坝体就会产生渗流异常，影响大坝安全和正常运行。由于20世纪50—80年代我国的筑坝技术落后，施工质量较差，碾压密实度不满足要求，造成坝体或防渗体出现裂缝；或者坝后、防渗体后无反滤、防渗体厚度不够、基础处理不完善等，造成大坝渗漏，甚至发生渗透破坏。根据土石坝特点及我国土石坝病害情况，土石坝的渗流病害可分为以下几种情况：①坝基渗漏。由于施工时大坝清基不彻底，坝基坐落在透水性较强的覆盖层上，或坐落在裂隙发育、透水性较大、未进行防渗处理或处理不完善的基岩上，致使坝下游或坝脚出现渗漏；②坝肩渗漏。由于施工时坝肩裂隙发育、透水性较大的基岩未进行防渗处理或处理不完善，致使两岸坝坡与岸坡结合处下游出现渗漏；③坝体及防渗体渗漏。由于施工时防渗体或坝体填筑质量差，压实度及渗透性不满足规范要求；或者大坝变形较大，引起防渗体开裂；或铺盖等防渗体的设计长度、厚度不够；或防渗体无反滤保护或保护不符合要求等；④下游排水体及反滤料淤堵[1]。由于下游排水体及反滤料淤堵，造成坝体浸润线抬高，局部位势集中，渗流比降增大，致使下游坝坡出现渗漏；⑤防渗体与刚性建筑物接触渗漏；⑥坝下涵管渗漏；⑦动物危害；⑧岩溶渗漏及浸蚀性危害等。

对于土石坝异常渗流现象，根据上堵下排的原则，防渗加固措施一般分为水平防渗和垂直防渗两大类，使其渗透坡降不超过允许坡降，保持土体的渗透稳定。水平防渗主要是上游铺盖，结合下游排水减压设施。铺盖长度应保持一定的水平渗径，使出逸坡降小于允许值，排水减压设施尽可能靠近坝脚位置，以便更有效的降低坝体浸润线，减少坝基承压水头，防止坝脚与排水沟间土层的渗流破坏。水平铺盖防渗加固可就地取材，施工场地大，进度快，简单易行，但施工时需放空水库，对受制于放水设施限制或库区取水需要的病险水库，往往受到限制。

随着我国水利技术的发展，垂直防渗加固技术得到了迅速发展，垂直防渗已成为十分常见的工程措施，其中混凝土防渗墙的效果最为可靠，因此成为许多重要工程的首选方案。混凝土防渗墙主要采用钻凿、锯槽、液压开槽机、射水及抓斗等工法，在坝体或地基中建造槽型孔，以泥浆固壁，然后采用直升导管，向槽孔内浇筑混凝土，形成连续的混凝土墙，以达到防渗目的。防渗墙施工可以适应各种不同材料的坝体和各种复杂的地基，墙的两端能与岸坡防渗设施或岸边基岩相连接，墙的底部可嵌入弱风化基岩内一定深度，彻底截断坝体及坝基的渗透水流[2]。

1 混凝土防渗墙设计要点

采用混凝土防渗墙加固，应根据土石坝的坝型、坝高及渗漏原因确定布置形式。对于坝基和坝体都存在渗漏隐患的均质土坝，混凝土防渗墙宜布置在坝轴线上游附近，对于黏土心墙坝宜布置在黏土心墙中部。对于斜墙坝如坝基出现渗漏，在水库可以放空的条件下，一般布置在斜墙脚下，如坝体坝基均渗漏，其布置同均质土坝。

1.1 防渗墙厚度

混凝土防渗墙厚度主要根据墙体抗渗性能、耐久性及施工条件确定。

根据抗渗要求，墙厚t应满足式1：

(1)

式中：H为防渗墙作用水头；[J]为防渗墙允许水力梯度。

不同材料混凝土防渗墙的允许水力梯度见表1。

表1 混凝土防渗墙的允许水力梯度

混凝土耐久性丧失，多半是被渗透水侵蚀的结果。根据试验研究，按其强度降低50%的年限作为选择墙厚的准则，年限T可按式2计算：

(2)

式中：a为使混凝土降低50%所需溶蚀水量，m3/kg，一般情况a取1.5～1.8；u为m3混凝土水泥量，kg/m3；L为墙厚，m；k为渗透系数，m/a；i为水力梯度；B为安全系数。

混凝土防渗墙使用年限T可根据《水利水电工程结构可靠度设计统一标准(GB50199-94)确定，1级壅水建筑物结构的设计基准期应采用100 a，其它永久性建筑物结构应采用50 a。

防渗墙采用的槽宽及墙厚应与挖槽机具的一次成槽宽度相适应。国内已建成的墙厚在0.6～1.3 m，如不能满足设计厚度要求，则以两道墙解决。根据挖槽机具，采用冲击钻造孔的设计墙厚一般取0.8 m，抓斗造孔一般取0.6 m。

1.2 防渗墙控制指标

1.2.1 抗渗等级

混凝土抗渗等级按28d龄期的标准试件测定，根据建筑物开始承受水压力的时间，也可利用60d或90d龄期的试件测定抗渗等级。混凝土防渗墙的抗渗等级要求不得低于《水工混凝土结构设计规范》(SL191—2008)要求。

1.2.2 渗透系数

混凝土防渗墙分槽段浇筑，各槽段间分缝处存在泥皮接缝，其泥皮厚度对防渗墙的整体防渗性能存在一定影响。另外，防渗墙混凝土水下浇筑过程中，施工质量控制的好坏对防渗性能也有一定的影响。因此，一般对混凝土防渗墙提出渗透系数小于i×10-7cm/s(i为1～5)。

c 抗压强度与弹性模量：混凝土防渗墙的抗压强度与弹性模量主要受防渗墙在坝体中的受力条件控制。防渗墙属薄型结构，其受力实际主要受抗拉强度控制，混凝土的抗拉强度与抗压强度有正比关系，因抗压强度检测比较方便，一般采用抗压强度作为控制指标。同时，防渗墙的受力与其适应坝体的变形能力也有关系，防渗墙的弹性模量越低，适应坝体变形的能力越强，防渗墙应力就越小。工程设计中，要求防渗墙混凝土的抗压强度高，而弹性模量低，这是一对矛盾，具体需要根据防渗墙的应力应变分析确定。对一般的土石坝加固工程，一般要求抗压强度R28≥7.5MPa，弹性模量E<1.5×104MPa。

1.3 混凝土防渗墙配比

混凝土防渗墙的配比需根据工程的实际情况按要求进行试验确定。混凝土防渗墙在我国刚应用时，墙体材料主要用普通混凝土。随着工程规模加大，防渗墙承受的水头日益提高，开始提高混凝土的标号。为了降低墙体的弹性模量，在混凝土中加入一些粉土、黏土等，不但可以增加墙体适应变形的能力，改善墙体应力条件，而且具有更好的和易性，浇筑时不易堵管，对施工十分有利。笔者参加的几个病险土石坝加固防渗墙采用的配比及主要技术指标见表2。

表2 混凝土防渗墙配比及主要指标

2 混凝土防渗墙施工控制

2.1 造孔

防渗墙造孔应根据地层情况、钻机类型和其它施工条件选择钻劈法、两钻一抓法或抓取法等。划分槽段时，应综合考虑地基的工程地质及水文地质条件、造孔方法、机具性能、造孔历时、墙体预留孔位置及浇筑导管布置原则等因素。合拢段应以短槽孔为宜，应尽量安排在槽深较浅、条件较好的地方。槽孔孔壁应平整垂直；一二期槽孔接头套接孔的两次孔位中心的偏差值不得大于设计墙厚的1/3，并应保证防渗墙的设计墙厚。

2.2 泥浆固壁

泥浆应具有良好的物理性能、流变性能、稳定性以及抗水泥污染能力。应根据施工条件、造孔工艺、经济技术指标等因素选择拌制泥浆的土料。泥浆的性能指标和配合比，必须根据地层特性、造孔方法、泥浆用途，通过试验加以选定。储浆池内的泥浆应经常搅动，保持泥浆性能指标均一。

在施工过程中，由于坝体填筑质量差，易发生漏浆、渗浆现象，要保证泥浆池的容量满足施工要求，同时，一定要保证其稳定和安全。当发生漏浆、渗浆时要及时补充，并采取措施进行堵漏，保证槽孔内浆面高于导向槽底部。如果出现塌孔事故可采用低标号混凝土进行回填，待达到一定强度后再进行施工。

2.3 混凝土浇筑

防渗墙混凝土的浇筑采用水下导管浇筑法，导管内径以200～250 mm为宜。槽孔内使用两套以上导管时，导管间距不得>3.5 m。一期槽端的导管距孔端或接头管宜为1.0～1.5 m，二期槽端的导管距孔端宜为1.0 m。当槽底高差>25 cm时，导管应布置在其控制范围的最低处。导管的连接和密封必须可靠。应在每套导管的顶部和底节管以上设置数节长度为0.3～1.0 m的短管。导管底口距槽底应控制在15～25 cm范围内。开浇前，导管内应置入可浮起的隔离塞球。开浇时，应先注入水泥砂浆，随即浇入足够的混凝土，挤出塞球并埋住导管底端。在浇筑过程中，要控制混凝土浇筑强度，速度过快可能劈裂坝体，过慢会使混凝土表面泥浆沉淀较厚，同时表层混凝土初凝，影响浇筑质量。

2.4 墙间接缝

各槽段间由接缝连接成防渗墙整体，槽段间的接缝是防渗墙的薄弱环节。两槽孔间混凝土墙的连接，是保证防渗的关键。在连接部位，从孔口到孔底连接的墙厚，必须达到设计厚度，且混凝土墙间必须连接紧密，夹泥层不能过厚，以防渗透破坏。目前采用的接头主要方法有钻凿法、拔管法、双反弧法、铣槽法及接缝设置止水等。

3 结 语

1)我国的病险土石坝主要存在设计不合理、施工质量差、碾压不密实、坝基清理不彻底、基础处理不完善等隐患，造成大坝裂缝、渗漏、稳定安全度不够及防洪能力不足等问题，需采取措施进行加固处理。

2)对于土石坝渗漏问题，可根据坝体渗漏具体情况，选用施工工艺和技术较成熟的混凝土防渗墙，通过严格控制施工过程，可以保证工程质量，达到根本解决土石坝渗漏问题的目的。

3)防渗墙造孔过程是防渗墙施工中的事故多发环节，由于槽段的不稳定因素，应尽量缩短各槽段的施工时间，保证槽段正常施工。同时，应提前做好应急预案，出现塌孔等突发事件，要及时处理。

4)混凝土防渗墙作为隐蔽工程，其质量好坏只能在施工过程中进行控制，在最终运行中才能够完全体现。为保证防渗墙在土石坝防渗加固中的质量，一定要充分研究和论证，选择合适的墙体材料和施工工艺，同时要注重施工过程的控制，从造孔、清孔、混凝土浇筑等方面进行严格控制。

5)防渗墙终孔深度应准确判定，入岩深度要按设计要求控制，基岩可配以帷幕灌浆，杜绝墙下隐藏渗漏通道，确保工程加固的彻底防渗。

[1]孙继昌.中国的水库大坝安全管理[J].中国水利,2008,(20):10-14.

[2]谭界雄,位敏.我国水库大坝病害特点及除险加固技术概述[J].中国水利,2010(18):17-20.

ApplicationofConcreteCutoffWallinReinforcementofEarthRockDamSeepageControl

ZHOU Xiao-ming1，2

(1.Yangtze River Survey，Planning，Design and Research Institute，Wuhan 430010，China;2.National Dam Safety Engineering Technology Research Center，Wuhan 430010，China)

Earth rock dam seepage safety problems occupy an important position in the overall security，directly affecting the safe operation of the dam.Concrete diaphragm wall as the main body of water retaining structure of seepage prevention and reinforcement system，anti-seepage effect is most reliable.On the basis of materials and technology analysis，the paper summarizes the problems on design，reinforcement of concrete anti-seepage wall in earth rock dam seepage prevention and construction methods.

concrete cutoff wall；rockfill dam；seepage prevention and reinforcement design points；control index

1007-7596(2014)12-0051-03

2014-08-21

周晓明(1981-)，男，湖北黄梅人，工程师，从事水利水电工程加固设计工作。

TV543.8

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