時間：2011-08-29來源：大壩與安全
摘要：彰武水庫壩前防滲粘土鋪蓋先天不足，左段臺地清基不徹底，自然鋪蓋含鈣質結核薄厚不均，存在滲流破壞隱患，且現狀鋪蓋缺失反濾層，采取補救措施彌補缺陷繼續利用困難太大。通過對混凝土防滲墻和高壓噴射灌漿兩種垂直防滲方式技術和經濟的分析、比較，最終確定采用混凝土防滲墻防滲。
關鍵詞：彰武水庫；高噴防滲墻；擺噴；混凝土防滲墻；泥漿護壁
Title:Analysis on the anti－seepage treatment of Zhangwu reservoir dam//by FU Yan－lin, WANG Wei－juan and REN Songlin //Hydraulic Engineering Planning and Design Institute Of North Henan
Abstract:Because of the defect of anti－seepage clay blanket, the incomplete foundation treatment of the left dam blocks, the uneven calcareous concretions in the natural blanket and no filter layer set, it＇s difficult to carry out any rehabilitation measures for Zhangwu reservoir． By technical and economic analysis of the concrete anti－seepage wall and high pressure jet grouting, the concrete anti－seepage wall was adopted．
Key words: Zhangwu reservoir; high pressure jetting diaphragm; swing jet grouting; concrete anti－seepage wall; mud protection
中圖分類號：TV698．2 文獻標識碼：B 文章編號：1671－1092（2010）02－0060－04
0 概述
彰武水庫位于河南省安陽市西南25 km 的海河流域衛河支流安陽河上，與其上游10 km 處的小南海水庫組成梯級水庫。小南海水庫控制流域面積850 km2，現狀總庫容1．075 億m3；彰武水庫控制小南海水庫以下區間流域面積120 km2，現狀總庫容0．78 億m3。彰武、小南海兩水庫控制流域總面積970 km2，占安陽河總流域面積的50．5％，為安陽市以上的63．8％，為安陽河的防洪發揮了巨大作用。
彰武水庫建筑物由大壩（主、副壩）、溢洪道、輸水洞和電站四部分組成。從現狀查勘、分析來看，水庫的壩前防滲粘土鋪蓋先天不足，左段臺地清基不徹底，自然鋪蓋含鈣質結核薄厚不均，存在滲流破壞隱患，需進行防滲加固。但現狀鋪蓋缺失反濾層，采取補救措施彌補缺陷繼續利用困難太大，因此，本次設計壩基防滲加固采用垂直防滲。
大壩防滲處理采用混凝土防滲墻垂直防滲和壩坡土工膜防滲相結合的方式，整個大壩形成一個封閉的防滲體，本文重點分析混凝土防滲墻防滲方案。
1 防滲方案比較
根據多年運行觀測，壩基滲透薄弱部位位于主河槽和主副壩結合處，副壩位于安陽河左岸的二級階地上，雖然基礎下部膠結松散的礫巖屬強透水層，但基面高程已達132．0 m，高于正常蓄水位1．0 m，最大壩高僅7 m，滲流對大壩穩定安全影響不大，本次設計垂直防滲工程只是針對主壩段和主副壩結合段。為了取得較好防滲效果，避免出現接觸沖刷，垂直防滲體頂部應伸入壩體，底部應伸入基巖。
根據大壩上游坡現狀平臺設置，123．0 m 平臺位于主壩壩腳處，132．0 m 平臺貫通主副壩，對垂直防滲體頂部高程設置做了兩個方案比較，方案一：垂直防滲體頂部高程主壩部分位于123．0 m 平臺，隨著向副壩延伸頂部高程漸變到132．0 m；方案二：沿大壩132．0 m 平臺向下做垂直防滲體。經比較，方案一工程量小，但主副壩結合段垂直防滲體頂部高程變化大，施工過程復雜；方案二垂直防滲體頂部高程一致，施工方便，防滲體頂部高程高于正常蓄水位1．0 m，不僅解決了壩基防滲，而且還加強了壩體防滲，但工程量較方案一增加許多。考慮1994年水庫除險加固時已從上游123．0 m 平臺向上對大壩進行培厚，從一定程度上彌補了大壩建筑質量差的缺陷，本著安全、經濟、適用的原則，采用方案一：垂直防滲體向下穿過砂卵石層深入基巖0．5 m。
大壩垂直防滲體比較了混凝土防滲墻和高壓噴射灌漿兩種方案。
（1）高壓噴射灌漿方案：高壓噴射灌漿是借助數十兆帕的高壓射流沖切摻攪地層，漿液只在射流的范圍內擴散，與地層顆粒摻拌形成復合防滲體，基本不改變地基整體應力狀態，具有較好的可控性和可灌性。
高噴灌漿有關技術要求如下：
①范圍：高噴防滲范圍包括主壩和主副壩結合處。為使高噴板墻與上、下兩界面牢固結合，達到更好的防滲效果，高噴板墻伸入壩體，底部應伸入基巖0．5 m 左右，底部高程隨河床而變化。
②設計要求：要確保防滲墻的連續，且成墻厚度不少于0．3 m。鉆孔總誤差要求控制在5‰以內。要求避免壩體接觸沖刷，消除壩體險情。
③噴射方式：采用擺噴的噴射方式。
④孔、排距：采用單排孔，孔距1．5 m。
該方案投資共946．5 萬元。
（2）混凝土防滲墻方案：作為垂直防滲技術，混凝土防滲墻是粒狀底層的主要防滲手段。它的主要優勢是：墻的厚度可以得到有效控制，墻段之間結合緊密，幾乎達到完全止水的程度，墻體施工便于操作。
選用沖擊鉆機配合液壓抓斗成槽法開槽，采用塑性混凝土作為墻體材料，墻體厚度確定為0．5 m。該方案投資共1 003．9 萬元。
方案比較：高壓噴射灌漿方案施工工藝簡單，施工效率高，對砂卵石層的防滲比較有效，但施工過程中由于滲流作用，水泥顆粒有可能被滲透水流帶走，對鉆孔誤差要求較高，成墻厚度不易保證。近十多年，混凝土防滲墻施工技術在國內發展迅速，新技術、新材料和新工藝的推廣降低了施工難度，已較廣泛應用于病險水庫土石壩的防滲加固，采用沖擊鉆配合液壓成槽機開槽成墻，成墻厚度均勻，連續性好，對地基適應性強，雖然工程投資略高于高噴方案，但施工質量可靠，防滲效果好，所以，本次設計采用“置換型”的混凝土防滲墻方案。
2 混凝土防滲墻設計
2．1 墻體布置范圍
混凝土防滲墻頂部自大壩上游坡123．0 m 高程平臺向副壩延伸漸變至132．0 m 高程，造孔自樁號0－180～0＋680，全長890 m，防滲墻底部原則上嵌入相對不透水層0．5 m 左右。混凝土防滲墻深度0～22 m，主壩段平均深20 m。
2．2 墻體厚度
防滲墻的厚度應滿足墻體抗滲性、耐久性和滿足墻體應力和變形的要求，同時還應考慮到地質情況及施工設備等因素。
由于國內防滲墻設計無規范，防滲墻的滲透計算和滲透穩定分析以及強度、變形計算尚無規范的計算方法和理論。設計時，根據防滲墻破壞時的水力坡降確定墻體厚度（δ），計算公式如下：
式中：ΔHmax為作用在防滲墻上的最大水頭差（m）；
K 為抗滲坡降安全系數，一般取3～5；
Jmax為防滲墻滲透破壞坡降，取300。
根據已建成的混凝土防滲墻統計，防滲墻允許承受的水力坡降Jp＝Jmax ／ K，可達到100，當K＝5 時，Jp為60，假定防滲墻承受的最大水頭差與壩前水深相同，計算得δ＝0．2～0．33 m 即可滿足要求。
為節約材料，降低成本，在滿足結構要求和安全要求的情況下，混凝土防滲墻可以做得薄一些，但墻體厚度也會受造孔機具限制，參考省內類似工程經驗，大壩混凝土防滲墻墻體厚度確定為0．5 m。
2．3 墻體材料
參考國內外已建防滲墻的經驗，一般采用塑性混凝土作為墻體材料。這種材料有抗滲性能好、變形模量低、極限應變值大、適應變形能力強等特點。
本次設計采用塑性混凝土作為墻體材料。塑性混凝土防滲墻的設計指標為：彈性模量600～900MPa，28 d抗壓強度≥2．3MPa，滲透系數＜（1～9）×10－8cm ／ s。參考配合比見表1。
表1 墻體材料配合比例表(單位：kg ／m3)
Table 1: Mix proportion of the wall material
施工時混凝土配合比需經現場試驗后確定。
2．4 混凝土防滲墻施工技術要點
為滿足施工場地的要求，將123 m 平臺向上游擴展填筑12 m 寬的施工平臺。同時，為保證施工的正常進行及水庫的安全，施工期間庫水位應低于施工平臺2 m，即121．0 m 高程以下。
①修筑導墻
導墻是挖掘機具造孔澆筑防滲墻的重要組成部分，其對造孔起著導向和定位控制作用，同時還起著槽孔護壁和外部荷載的支撐作用。
導墻設計為1．2 m 高的L 形鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級采用C20，墻頂厚0．2 m。兩導墻間距為0．55 m。
施工時，要保證導墻的縱向分段與地下連續混凝土墻的分段錯開一定距離，同時，墻面與縱軸線的距離偏差不大于±10 mm，兩條導墻間距偏差不大于±5 mm。
②成槽方法
成槽方法應根據地質條件、工期等因素選擇。根據彰武水庫自身特點，參考類似工程的經驗，綜合考慮后，選用沖擊鉆機配合液壓抓斗成槽法開槽，即“兩鉆一抓”法。
③槽段劃分
混凝土防滲墻一般需要分成若干個單元墻段逐個施工，而澆筑單元墻段前須先鉆挖槽孔。槽孔的劃分與施工順序、造孔方法等有關，本次采用兩序間隔法，槽孔分兩期進行施工。槽孔長度劃分應盡量減少墻段接頭，以有利于快速、均衡和安全施工，本次設計槽孔定為6 m。槽孔的劃分和長度在具體施工時可根據實際情況調整。
④護壁泥漿
護壁泥漿一般由水、粘土及化學處理劑組成。泥漿用水可從庫區直接抽取，配制前應進行水質分析。土料選擇優先采用膨潤土，也可根據實際情況選擇當地滿足施工條件和造孔工藝的粘土。若選用當地土料，采用前應進行物理試驗、化學分析和礦物鑒定，以選擇粘粒大于50％、塑性指數大于20、含砂量小于5％、二氧化硅與三氧化二鋁含量比值為3～4 的粘土為宜。泥漿的性能指標和配合比必須根據地層特性、造孔方法、泥漿用途，通過試驗加以選定。
⑤墻體澆筑
混凝土連續墻的澆筑需先擬定合理可行的澆筑方案。澆筑應連續進行，若因意外事故造成混凝土灌注中斷，中斷時間不得超過30 min。混凝土面上升速度應大于2 m／ h，混凝土的塌落度為18～22 cm，擴散度34～40 cm。澆注過程中若發現導管漏漿或混凝土中混入泥漿，要立即停止澆灌。
混凝土連續墻必須滿足外形尺寸、澆筑高度等技術性能指標，墻體要均勻、完整，不得存在夾泥漿、夾泥斷墻等嚴重質量缺陷，墻段之間聯接要緊密，墻底與基巖的接觸帶和墻體的抗滲性能要滿足設計要求。
⑥施工中應注意問題
防滲墻施工過程中，造孔質量是保證防滲墻質量的首要環節，同時，造孔時間占總工期的2 ／ 3 以上，是制約工期的關鍵環節。施工中應采取預防偏孔措施，有效地防止或減少偏孔，使孔斜控制在允許范圍內。
保證混凝土防滲墻施工質量和速度的關鍵在于開槽的連續性、澆筑的及時性，并且要把泥漿固壁作為一個重要的施工環節去對待，否則，一旦出現塌孔，將導致施工中斷，而斷開段的處理相當困難。因此，各工序必須嚴格按規程進行操作，控制進度和質量，同時應加強機械設備的維修養護，保證完好率，確保混凝土防滲墻連續作業，達到保證混凝土防滲墻施工質量的目的。
⑦質量檢查
按照規范，質檢人員應對槽孔建造、泥漿配置及使用、清孔換漿、混凝土澆筑等質量進行檢查與控制。成墻一個月后，應打檢查孔檢查混凝土防滲墻的澆筑質量。檢查內容為墻體的均勻性、可能存在的缺陷和墻段接縫。檢查可采用鉆孔取芯和其它無損檢測等辦法。檢查孔的位置和數量由發包單位、監理單位會同有關單位研究決定，檢查孔的數量最少每槽段應設一個。
3 土工膜設計
本次設計，上游壩坡混凝土防滲墻以上到壩頂統一鋪設一層防滲復合土工膜，復合土工膜防滲結構自上而下依次為250 mm 厚的護坡干砌塊石、200 mm 厚粒徑2～40 mm 的級配碎石、100 mm 厚的砂礫石、復合土工膜、150 mm 厚的粗砂墊層。
復合土工膜規格的選擇與下墊層平整度、材料允許拉應力、材料彈性模量、鋪設范圍內的最大水頭及覆蓋層最大粒徑等有關，土工膜厚度設計除應考慮主要由水壓力要求的強度外，尚應考慮暴露、埋壓、氣候、使用壽命等應用條件，并按國家現行有關標準的規定確定設計厚度及實際厚度。經綜合分析計算，本工程壩坡防滲層采用規格為350 g ／m2、0．5 mm 厚的針刺短線滌綸兩布一膜(PE膜)。
復合土工膜與防滲墻的連接采用錨固的方式，詳見圖1。
圖1 復合土工膜與防滲墻連接示意圖
Fig． 1 Connection of the composite membrane and anti－seepage wall
4 結語
塑性混凝土因其彈性模量低,極限應變大, 使得塑性混凝土防滲墻在荷載作用下, 墻內應力和應變都很低, 可提高墻體的安全性和耐久性，而且施工方便, 節約水泥,降低了工程成本, 較剛性混凝土在力學特性上具有顯著優點, 因此具有廣闊的發展前景。
參考文獻：
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作者簡介：付艷林（1983－），男，河南林州人，助理工程師，主要從事水利工程規劃設計工作。
