混凝土防渗墙工艺在土石坝防渗中的应用_朱万涛.pdf

工程实践水利技术监督2023 年第 2 期DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.060混凝土防渗墙工艺在土石坝防渗中的应用朱万涛(丽水利源工程咨询有限公司，浙江 丽水 323000)摘要:土石坝作为一种天然材料坝，以其造价低廉、施工简便、地形适应性良好等优点，成为中小型水库的首选坝型，而随着水库多年运行，大坝渗漏将难以避免，日积月累之下，水流贯穿形成渗漏通道，严重威胁水库大坝及下游村镇的安全。土石坝渗流机理复杂，边界条件难以精确界定，根据大坝的实际情况采取适合的防渗方案，将是土石坝防渗加固工程成功与否的关键。探讨了浙江省丽水市赤坑水库大坝的防渗方案比选，叙述了混凝土防渗墙工艺在土石坝防渗中的实际应用。关键词:土石坝;防渗墙;防渗方案;加固;水利中图分类号:TV543.8文献标识码:B文章编号:1008-1305(2023)02-0241-05收稿日期:2022-09-29作者简介:朱万涛(1986 年)，男，高级工程师。E-mail:492993237 1工程概况赤坑水库位于浙江省丽水市莲都区老竹镇，距丽水市区约 50km，处于浙江省西南部，主河道长5.8km，主河道比降 85.7，水库总库容 248.61万 m3，为小()型水库，水库大坝坝型为黏土心墙坝，坝高 27.3m，坝顶长 76.7m。赤坑水库1965 年动工，1969 年竣工，19752015年间，经历6 次维修，2016 年，经专家鉴定，赤坑水库被认定为病害水库，水库大坝存在黏土心墙压实度和渗透系数不满足规范要求、坝脚渗水等问题，对水库下游乡镇造成严重威胁。经专家领导与会讨论，决定对赤坑水库进行大坝防渗处理，经反复方案比较，最终确定采用混凝土防渗墙作为本水库大坝的防渗方案。2地质条件2.1区域地质情况2.1.1地形地貌赤坑水库库区处于低山山腰沟谷地带，山体表部植被发育较好，以果木、杂木为主。洪 坡积层少量发育，强风化基岩部分裸露，弱风化基岩零星裸露，相对平缓的坡地、坳地为阶梯状田地，山体坡度 30 65，覆盖残坡积含碎石黏性土，自然岩土体处于稳定状态。2.1.2地层岩性区内出露的地层由老到新简述如下:侏罗系上统高坞组(J3g)浅灰、青色凝灰岩;第四系地层含碎石黏性土结构;第四系静水沉积(hlQ4)淤质砂土，分布于坝体上游;坝体填筑土(meQ)，分布于坝体部位。2.1.3地质构造工程区位于华南褶皱系浙东南褶皱带丽水 余姚深断裂的北西侧、温州 淳安大断裂的的南西侧及松阳 平阳大断裂的北东侧。区域褶皱构造不发育，断裂构造欠发育，以东北向压性为主，其次为西北向张性断裂。库区无断裂构造。场区主要发育有少量的节理，以压扭性质为主，陡倾角，呈闭合状。2.1.4水文地质条件库区地貌以低山为主，坝区内不存在污染源，水流垂直补给，基岩裂隙水含水层富水性受裂隙发育程度所控制，在地形低洼处及断裂破碎处以泉流方式排泄。根据区域水文地质资料、本场区附近水质水化学分析报告，判定水库中水及地下水对混凝土无腐蚀性。2.2坝基工程地质条件本次大坝勘察以地质钻探和地表调查为主，大坝的主要地层为坝体填筑料，自上而下分述含砾砂1422023 年第 2 期水利技术监督工程实践粉质黏土(砂壤土)、粉质黏土(心墙)、角砾(反滤层)、碎石夹块石(堆石体)。大坝基础和溢流堰基础均已开挖至侏罗系上统高坞组(J3g)弱风化凝灰岩。3 层为弱风化凝灰岩层:浅青灰色凝灰质结构，节理发育闭合，呈弱透水性。坝基条件评价如下:坝基处理情况:库坝心墙和溢流堰基础均已开挖至弱风化凝灰岩，岩体抗压强度较高;水文地质评价:库坝心墙和溢流堰基础均为 3 层弱风化凝灰岩透水率为3.20 4.80Lu，属弱透水体。2.3坝体填筑料质量通过野外钻探、地表调查和资料收集分析显示:大坝为黏土心墙坝，黏土心墙土质空间分布上较均质，筑坝材料为含砾砂粉质黏土，夹有部分碎砾石，筑坝材料一般，土质均匀性较好。坝体下游坡面含砾砂粉质黏土(砂壤土)和碎石夹块石(堆石体)之间以角砾填筑，为人工碎石并进行人工级配，级配较好，为坝体反滤层。坝体填筑材为:1 层土料为含砾砂粉质黏土:呈现橘黄色，稍有光泽，稍湿可塑，土料中砾含量约占 15%，砂含量约占 25%，粉粒含量约占40%，黏粒含量约占 20%。已做专门的压实处理;2 层为粉质黏土心墙:呈现黄色，稍有光泽，稍湿可塑，土料中砾石含量占 5%，砂含量占20%，粉黏粒含量占 75%，为坝体黏土心墙填筑材料，已作专门的压实处理。坝体 3 层角砾(反滤层):浅灰、灰褐色，稍密，稍湿。以砾石为主，约占 70%，粗砂次之约占 30%，级配较好。为坝体反滤层。坝体 4 碎石夹块石(堆石体):浅灰、青灰色，中密。以碎石和砾石为主，含有少量块石和黏土，为坝体的堆石体的填筑材料，粒径一般为 3 9cm。最大可达 20cm。局部为干砌体，以块石为主，含少量的碎石和砾石，粒径一般以 8 12cm。赤坑水库大坝地质勘察成果参数见表 1。2.4坝基地质条件及坝体土质评价根据 SL 1892013小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范 对坝体填筑料进行评价如下。2.4.1坝体分区及坝型判别大坝黏土心墙填筑料为粉质黏土，较均质，为凝灰岩区域的残 坡积土开挖搬运，压实、堆填，水溶盐含量小于 3%，有机质含量小于 2%，材料达到规范要求，经取样实验室测试，塑性指数9.2%13.4%，液限 28.8%35.3%，经计算平均干密度 1.47g/cm3，其中最大干密度 1.63g/cm3，压实度为 90%。大坝反滤层填筑料为角砾:为人工碎石，进行人工级配，级配较好，符合规范要求。大坝堆石体为碎石夹块石。碎石夹块石:浅灰、青灰色，中密。以碎石和砾石为主，含有少量块石和黏土，为坝体的堆石体的填筑材料，粒径一般以3 9cm。最大可达20cm。局部为干砌体，以块石为主，含少量的碎石和砾石，粒径一般以 8 12cm。为山体开挖之物搬运堆填，原岩体为凝灰岩。坡面砌石为弱风化 新鲜凝灰岩，岩石的坚硬程度、抗水性和抗风化性均能满足规范要求。坡面混凝土预制薄板的坚硬程度、抗水性和抗风化性均能满足规范要求。2.4.2坝体填筑料防渗性能评价坝体 1 层含砾砂粉质黏土渗透系数:K=5.40 1039.50 102cm/s，属强透水性。表 1大坝工程地质参数一览表层号岩土名称渗透系数/(cm/s)透水率/Lu饱和抗压强度/MPa天然密度/(g/cm3)干容重/(kN/m3)黏聚力C/kPa内摩擦角/()承载力/kPa摩擦系数 f变形模量E/GPa泊松比 1含砾砂粉质黏土5.40 1039.50 1021.7615.2016.823.090 2粉质黏土心墙2.80 1051.70 1041.8714.7219.620.91350.252.6 3角砾反滤层4.40 1034.40 1031.8214.548.021.01400.353.2 4碎石夹块石(堆石体)4.40 1026.10 1021.8514.869.331.01600.403.8 3 弱风化凝灰岩3.20 4.8035.8 121.22.74620.037.015000.707.50.16242工程实践水利技术监督2023 年第 2 期坝体 2 层粉质黏土(心墙)经取样作室内试验:渗透系数 K=3.42 105 8.14 105cm/s，不满足规范所要求的不大于 1 105cm/s。根据室内土工试验:心墙黏土的压实度为90.2%，固 结 快 剪 的 抗 剪 强 度 为 C=16.0 32.0kPa，=13.0 24.0。根据 SL 1892013小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范 规定，大坝压实度应为0.95 0.97，黏土心墙压实度不满足规范要求。坝体 3 层角砾(反滤层)渗透系数 K=4.40 1034.40 103cm/s，属中等等透水性。坝体 4 层碎石夹块石(堆石体)渗透系数K=4.40 1026.10 102cm/s，属强透水性。2.4.3坝体水文地质评价坝体与坝基(弱风化凝灰岩)的接触良好，接触部位未发现有明显的渗漏。3大坝防渗方案比选根据地质勘察成果及室内土工试验，赤坑水库大坝心墙黏土的压实度与渗透系数均不满足规范要求。水库除险加固设计中，大坝黏土心墙防渗为工程的重中之重。根据规范以及参照以往类似工程的处理方案，土石坝常规防渗处理方案主包括复合土工膜、黏土斜墙、冲抓套井回填黏土、高压喷射灌浆、混凝土防渗墙等方案，以上各防渗方案的优缺点详见表 2。赤坑水库下游紧邻乡镇，大坝安全十分重要，初步比选中分别计算了高压喷射灌浆防渗方案和混凝土防渗墙方案的投资，经进一步计算，方案 6 比方案 5 节省 50 万元的防渗投资，加之方案 6 整体性更好，防渗墙底与基岩咬合接触更好，本工程选择方案 6(混凝土防渗墙方案)作为大坝防渗方案。4混凝土防渗墙技术要点4.1混凝土防渗墙设计赤坑水库大坝防渗方案采用混凝土防渗墙形式，其设计指标如下。(1)确定混凝土防渗墙边界范围线:根据规范要求及同类工程参考，防渗墙嵌入坝基弱风化岩以下不小于0.5m，根据安全评价及地质勘察资料，大坝坝基总体抗渗条件较好，属弱透水地层，无产生重大渗漏的可能。为了节省工程投资，本阶段设计大坝坝基不设帷幕灌浆，而考虑通过适当加深混凝土防渗墙截断坝基接触渗漏通道，孔底深入弱风化岩2.0m。(2)确定混凝土防渗墙厚度:以临界水力坡降破坏理论计算墙体厚度，既采用最大上下游水头差(取 35m)与渗透破坏坡允许值(取 300)相除，再乘以安全系数(取 5)，计算防厚度为 0.6m，结合同类工程经验，并考虑一定的强度，最终大坝混凝土防渗墙墙体厚度的确采用 0.80m。(3)确定防渗墙技术参数:根据浙江省已实施同类工程经验，低弹模混凝土耐久性不理想，防渗性能一般，故从耐久性和防渗性考虑，本阶段设计采用普通 C15 混凝土作为墙体材料。混凝土防渗墙设计指标为:墙体厚度 0.8m，混凝土标号采用C15，混凝土的抗冻等级采用 F50，抗渗等级采用W8，水泥强度等级不得低于 32.5，骨料最大粒径不大于混凝土导管直径的 1/6，采用一级配。混凝土防渗墙成槽施工采用两钻一抓施工，每段槽长 8m，槽段连接采用钻凿法，泥浆护壁，槽孔内采用泥浆平压，可保持槽空稳定。混凝土防渗墙纵断面如图 1 所示。表 2大坝防渗方案比较表方案优点缺点方案 1:复核土工膜施工简单，造价低廉土工膜一旦刺破，将形成渗漏通道，可靠性较低方案 2:黏土斜墙施工场地便利，施工条件要求低，难度小，防渗效果好施工速度较慢，施工围堰工作量较大，黏土需求量大，与黏土心墙之间易形成饱水带方案 3:冲爪套井回填黏土施工场地便利，设备简单，变形协调性较好，防渗效果较好施工工期较长，施工工序复杂，黏土需求量大，易偏孔，不适宜 20m 高以上大坝防渗方案 4:劈裂灌浆施工机械简单，造价较为低廉，施工方便利防渗效果难以长期持续，施工质量不易控制，变形协调性不甚理想方案 5:高压喷射灌浆技术成熟，施工速度快，防渗效果良好，与坝体变形协调性好对施工队伍素质要求较高，受限于工作原理，不适于粗颗粒土质的防渗方案 6:混凝土防渗墙技术成熟可靠，安全性及耐久性良好，防渗效果理想，土层适应性强施工精度要求高，需要专门施工队伍，工艺复杂，工程进度较慢，工程投资较高3422023 年第 2 期水利技术监督工程实践4.2混凝土防渗墙施工混凝土防渗墙主要施工流程为:坝顶开挖施工至高程 233.00m利用开挖土料培厚背水坡至高程233.00m形成宽约 13m 的施工平台混凝土防渗墙施工混凝土岸墙施工混凝土头墙施工坝顶石渣填筑施工。(1)施工场区布置:施工平台布置在坝顶上，坝顶长 76.7m，施工平台及导墙采用钢筋混凝土型式，导墙采用矩形断面。由于该工艺需约 13m 宽的施工平台，故开挖坝顶至高程 233.00m。防渗墙施工平台以上回填石渣，相对密度不小于 0.75，导墙施工采用开挖后立模浇筑。(2)成槽施工:单段槽段长为 8m，共设 9 个槽段，在每一个槽段内均设有置主副孔。针对本工程地质特点和槽深分布情