土石坝坝体主要垂直防渗形式的应用及比选

　　摘要：针对应用在土石坝坝体中几种主要垂直防渗的形式进行了介绍， 以实际工程为分析实例， 方案选择原则应考虑方案实施后的可靠性、实施中的安全性、对周围环境的要求、方案的经济性、工期、与最终方案的结合程度以及社会影响等多方面因素。通过几种可能的加固方案比选， 确定最终方案， 工程完工后收到了预期效果。
　　
　　关键词：混凝土防渗墙； 土石坝； 加固方案；
　　
　　1 概述
　　
　　混凝土防渗墙是一种广泛应用的水工建筑物， 是在松散透水地基或坝体中连续造孔成槽， 以泥浆固壁， 在泥浆下浇筑混凝土而建成的、起防渗作用的地下连续墙， 是保证地基稳定及大坝安全的一项工程措施。特别是在土石坝维修加固工程中， 经常使用混凝土防渗墙作为坝体的防渗结构。
　　
　　2 应用在土石坝坝体中几种主要垂直防渗形式及比选
　　
　　2.1 高压喷射灌浆
　　
　　高压喷射灌浆是以高压水泥浆或高压水流强力冲击切割地层， 使水泥浆液与地层土粒掺混， 形成充填凝结体。高压旋喷形成圆柱状， 摆喷和定喷形成薄板状， 彼此连接形成帷幕， 以阻隔渗流。高压喷射灌浆的优点是施工简单， 速度快。其缺点是对地层敏感性强， 缺少快速可靠的检查方法。
　　
　　2.2 帷幕灌浆
　　
　　帷幕灌浆从机理分为劈裂灌浆和渗透灌浆两种。前者是利用灌注浆液的压力将坝体或地基有控制地劈开， 通过灌注浆液， 形成浆体防渗帷幕；后者则是在灌浆压力的作用下， 将浆液渗透到地层孔隙中， 从而形成防渗帷幕。两者都是通过灌注浆液而形成帷幕防渗的。劈裂灌浆的优点是设备简单， 施工方便， 造价低廉。坝体劈裂灌浆主要适用于坝高小于30 m的心墙坝和均质坝中， 当坝体存在碾压不实、漏水、渗透变形等问题时采用。渗透灌浆的特点是可达到很大的深度， 几乎是解决基岩渗漏问题的唯一的方法， 但造价较高。
　　
　　2.3 混凝土防渗墙
　　
　　与高压喷射灌浆和帷幕灌浆相比， 防渗墙是最为稳妥可靠的。首先是因为防渗墙是在造成完整的槽孔并有可靠的接头条件下浇筑混凝土的；其次是因为在造孔过程中泥浆的渗透和泥皮的存在， 形成一个附加的隔水层；第三则是因为防渗墙的工序检查和最终检验方法相对成熟。
　　
　　近些年来， 混凝土防渗墙施工技术发展很快， 在机具、工艺、墙体材料、检测等各个方面都有很大的进步。造孔机具主要有冲击钻机、回转钻机、钢绳抓斗、液压抓斗以及液压铣槽机等。墙体材料有高强混凝土和塑性混凝土及自凝灰浆等。施工过程中， 固壁及墙间接缝是关键环节， 应充分重视造孔固壁泥浆的制作、使用、管理及回收利用， 一般采用优质膨润土制成低固相的优质泥浆。根据不同地层对泥浆性质的要求， 可掺加分散剂、增黏剂、加重剂等改善泥浆性能。墙间接缝是指防渗墙槽段间的接缝， 是防渗墙施工的薄弱环节。接缝的形式和施工方法主要包括以下几种：钻凿法、双反弧接头法、拔管法等。对于混凝土防渗墙成墙质量的检查主要方法有：钻孔取芯法、超声波和地震透射层析成像 （CT） 法。
　　
　　3 应用实例
　　
　　某大 （Ⅱ） 型水库总库容5.23×108m3, 拦河坝为黏土心墙土石坝， 心墙顶高程322.50 m, 底高程284.00 m, 下部与混凝土防渗墙相接， 最大坝高49.9 m.技术人员巡视过程中发现， 0+225断面坝顶心墙下游侧测压管水位异常升高， 且伴有大幅度波动变化。经过专业人员对该异常现象的分析发现， 导致测压管水位异常的根本原因是心墙的质量缺陷， 从而发生了渗透变形， 形成渗流通道。针对以上情况， 研究决定第二年春季进行防渗应急加固处理。
　　
　　3.1 应急加固方案比选
　　
　　3.1.1 应急加固方案选择的几项原则
　　
　　应急加固方案选择应考虑方案实施后的可靠性、实施中的安全性、对周围环境的要求、方案的经济性、工期、与最终方案的结合程度以及社会影响等多方面因素。
　　
　　3.1.2 几种可能的加固方案
　　
　　土石坝防渗处理通常采用灌浆和防渗墙或二者结合的型式。灌浆可分为充填灌浆、劈裂灌浆、高喷灌浆和帷幕灌浆。防渗墙根据墙体材料不同， 分为黏土防渗墙、水泥土搅拌防渗墙和混凝土防渗墙。针对该水库坝体坝基条件、工程规模及已做过的加固处理情况， 初步拟定采用如下6种应急加固方案：
　　
　　1） 充填灌浆方案， 底部到建基面 （简称充填灌浆） .
　　
　　2） 高压旋喷方案， 底部到建基面 （简称高喷灌浆） .
　　
　　3） 混凝土防渗墙， 底部与原防渗墙“搭接” （简称防渗墙搭接方案） .
　　
　　4） 全混凝土防渗墙， 底部延伸至弱风化基岩0.5~1.0 m （简称全混凝土防渗墙方案） .
　　
　　5） 混凝土防渗墙， 下接灌浆帷幕 （简称上墙下幕方案） .
　　
　　6） 水泥土搅拌墙 （简称TRD工法方案） .
　　
　　3.1.3 方案比较
　　
　　3.1.3. 1 方案I---填充灌浆方案
　　
　　对于坝体填筑质量很差， 甚至有渗漏通道的坝体， 用填充灌浆进行应急处理是有效的。如该工程对0+255段的填充灌浆就会起到明显效果。作为度春汛的应急措施， 是可选用的方案之一。它的最大优点是方便、快捷、有效、费用最低、工期最短， 只要灌浆压力控制得当， 施工是安全的， 且对场地和库水位要求不高。缺点是长期可靠性差， 与最终加固方案无法结合。
　　
　　3.1.3. 2 方案Ⅱ---高压旋喷灌浆方案
　　
　　该方案同样短时间内能起到一定效果， 相对而言工期短， 费用低， 对施工场地水库水位要求适当低水位。但施工安全性最差， 易发生安全事故， 需严格控测。该方案与最终加固方案无法结合。
　　
　　3.1.3. 3 方案Ⅲ---混凝土防渗墙与原塑性混凝土防渗墙“搭接”方案
　　
　　该方案的出发点是尽量利用原塑性混凝土防渗墙， 但施工难度大， 技术要求高， 未见成功案例的相关报道。搭接灌浆成功后， 防渗性是可靠的， 施工安全性没有问题， 属常见施工方案。该方案对施工场地要求较大， 需拆除防浪墙和坝顶保护层， 要求库水位处于适当低水位。就应急加固费用而言， 可有效利用原塑性防渗墙， 会节省大量加固资金。其施工期相对较长。如混凝土防渗墙和基础塑性混凝土防渗墙“搭接”能够成功， 则原塑性防渗墙墙体可保留利用。从这个角度看， 是最合理的。
　　
　　3.1.3. 4 方案Ⅳ---全混凝土防渗墙方案
　　
　　原防渗墙伸至卵石混合层底部， 其下帷幕灌浆， 灌至微风化岩石底部。经验表明， 防渗墙伸入微风化岩石0.5~1 m, 其防渗效果已很好。考虑到强风化花岗岩层厚仅2~3 m, 防渗墙穿过该层， 伸入微风化岩石0.5~1 m, 增加的工程量不很大， 既可省去其下灌浆工序， 又能收到很好的防渗效果， 故提出全混凝土防渗墙方案。该方案一劳永逸， 实施后防渗可靠性最好。施工安全性及对周围环境的要求同方案Ⅲ。但该方案费用最高， 且原坝基塑性混凝土防渗墙实施中遇到的混合土卵石层夹孤石， 施工难度大， 工期最长， 社会影响也最大。但应急加固后， 该段防渗墙墙体可保留利用， 作为永久性混凝土防渗墙的一部分。从该角度看， 它可省去应急加固费用， 是合理的。
　　
　　3.1.3. 5 方案Ⅴ---上墙下幕方案
　　
　　该方案防渗墙伸入碎石混合土2~3 m, 其下帷幕灌浆， 至弱风化岩底部。考虑到必须在主汛期前完成， 工期长度成为控制性条件。且近年来帷幕施工技术可靠性不断进步， 也有成功实例， 故提出上墙下幕方案。该方案实质上仍是重建一套完整的防渗体系， 效果可靠， 施工安全性及对周围环境的要求同方案Ⅲ、Ⅳ， 费用较贵。但可在主汛期来临之前完成。且其应急加固后， 该段防渗体可保留利用， 作为永久性防渗体系的一部分， 经济上是合理的。
　　
　　3.1.3. 6 方案Ⅵ---TRD工法方案
　　
　　该工法方案多用于堤防和工民建或低坝中， 其优点是成墙连续可靠， 施工较快， 作为应急加固方案， 是可选用方案之一。该方案可靠性较好， 施工最安全， 费用适中， 工期较短。但占用场地大， 坝顶防浪墙和保护层要拆除， 也需要适当降低库水位， 且与最终加固方案无法结合。
　　
　　上述6个应急加固方案的定性比较见表1.
　　 　　
　　作为度春汛的应急加固方案， 这6个加固方案均可行， 但考虑当前工程险情仍未得到控制， 具有抢险性质的方案Ⅰ显然有优势。
　　
　　方案Ⅱ优势不突出， 施工安全性差， 易发生安全事故， 该方案建议不予考虑。若工程险情能得到基本控制， 方案Ⅲ、方案Ⅳ、方案Ⅴ、方案Ⅵ均可考虑。若工期也能满足度汛要求， 显然能与最终加固方案结合的方案Ⅲ、方案Ⅳ、方案Ⅴ更有优势， 方案Ⅵ可不予考虑。故推荐方案Ⅲ、方案Ⅳ、方案Ⅴ。
　　
　　方案Ⅲ、方案Ⅳ、方案Ⅴ这3个方案， 各有优缺点。就三者比较而言， 方案Ⅲ工期最短， 费用最低， 社会影响最小， 但施工难度较大。因其利用原防渗墙为塑性， 混凝土耐久性差， 加之新老防渗墙“搭接”部位为薄弱部位， 受力变形条件复杂， 其长期效果 （耐久性） 需进一步计算论证和运行检验。方案Ⅳ从技术上看， 防渗效果最可靠， 可一劳永逸。但费用最贵， 施工难度大， 工期最长， 难以在主汛期前实施完毕， 且社会影响最大。相比之下， 方案Ⅴ技术上也是可靠的， 费用较低， 工期较短， 满足主汛期前完成的要求， 对社会影响较小， 但坝基混合土卵石层灌浆效果难以保证， 其长期效果 （耐久性） 不如方案Ⅳ。在现阶段， 社会影响的大小往往是决策者不得不考虑的一个重要因素。
　　
　　3.2 最终方案确定
　　
　　通过上述分析， 方案Ⅲ、方案Ⅳ、方案Ⅴ这3个方案均可行。但最终方案确定还应结合方案的可靠性、安全性、耐久性、费用、工期、施工条件、社会影响等多方面因素综合考虑， 进一步细化和尽可能量化， 综合分析比较， 并结合水库工程和当前实际情况来选择确定。
　　
　　水库当时虽已采取降低水位运行、加强巡视检查监测等措施、做好紧急泄洪和应急抢险等应急准备工作， 但心墙渗透变形仍在发展。因此， 防渗墙施工前应尽快采用充填灌浆的方式， 对心墙已形成的渗漏通道进行封堵， 控制险情发展。考虑到该工程的重要性， 最终加固方案应该是重建一套完整可靠的防渗体系。为避免施工机具重复进场和施工带来的成本和社会影响， 同时为确保防渗体系的效果， 最好结合应急处理， 在主汛期前一次完成重造大坝防渗体系的实施方案。推荐方案形成后， 邀请相关专家多次研究探讨大坝应急加固处理方案， 最终形成一致意见：采用塑性混凝土防渗墙处理方式， 用方案Ⅴ即“上墙下幕”的施工方案与坝基混凝土防渗墙衔接， 对大坝全段进行一次性除险加固， 形成完整的大坝防渗体系。工程完工后收到了预期效果。
　　
　　4 结语
　　
　　混凝土防渗墙是隐蔽工程， 是处理土石坝渗漏的一种比较常用的好方法， 因为它能较彻底地截断渗流。但这也是一种比较费时费钱的方法。但当设计考虑不周全或施工质量较差时， 也达不到预期效果， 甚至会出现新的渗漏问题。因此， 周密的设计、严谨的施工和有效的监督是成功的关键。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]高钟璞。大坝基础防渗墙[M].北京：中国电力出版社， 2000:12-22.　　
　　[2]毛昶熙。渗流计算分析与控制[M].北京：中国水利水电出版社， 2003:518-527.