土坝病险水库土坝防渗加固设计

摘要:防渗加固工程是病险水库土坝常见的工程之一，若土坝防渗加固效果不佳，很可能会影响到水库整体的质量安全。本文结合工程实例，阐述了水库土坝防渗方案的选择，围绕防渗体布置、性能指标及防渗墙厚度计算等方面分析了土坝防渗设计工作，并总结了混凝土防渗墙施工工序，以供实践参考。
关键词:病险水库；方案选择；防渗设计；混凝土防渗墙
随着我国社会经济建设步伐的加快，城市基础设施建设得到进一步的发展，水库作为水利基础设施的重要组成部分，担负着防洪、灌溉、供水和养殖等重任，在促进城市经济发展和改善生态环境方面具有重要的作用。但我国大多数水库使用年限过长，加上受到地质水文条件、施工及人员操作等因素的影响，导致许多水库土坝出现了渗漏、裂缝等质量通病，若不及时进行处理，不仅会影响到水库的正常运作，而且对水库的整体质量构成极大的威胁。因此，水库管理人员应对出现病险的土坝进行防渗加固处理，确保水库功能的发挥。本工程水库防渗加固处理后，水库并未出现任何质量问题，取得了良好的防渗效果。

1 工程概况

某水库是一座集防洪、灌溉、供水、养殖为一体的小型水库，水库原设计总库容161.36万m3，水库大坝为黏土心墙坝，坝顶高程31.60m，最大坝高13.40m，坝长570m，本次除险加固水库设计洪水按50年一遇，校核洪水按1000年一遇确定。
2大坝地址条件

2.1 地层岩性

根据本次钻探揭露，坝址范围内发育的地层有人工填土﹙Qs﹚、第三期似斑状黑云母花岗岩（r25（3））。现自上而下分述如下：（1）填土﹙Qs﹚人工填土（层序号为1）：褐、褐红色，为坝体填土，主要由花岗岩风化残积的砾质粘性土及花岗岩全风化土填筑而成。（2）第三期似斑状黑云母花岗岩（r25（3）），似斑状花岗结构，块状构造，裂隙发育程度为中等裂隙性，裂隙面有铁锈色渲染，局部裂隙间有细颗粒填充胶结。
根据坝址现场地质调查及钻探结果，坝址范围内无明显断裂通过，裂隙发育程度为中等裂隙性。

2.2水文地质

坝址区地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。坝址区无储水量大的冲洪积砂层，也无明显的相对隔水层，故地下水大多为潜水类型。孔隙水赋存于第四系残积砾质粘性土层中，透水性及富水性均较差。

2 防渗方案选择

2.1 坝基防渗

根据坝基覆盖层的土工试验成果，分析了沟槽混凝土防渗墙、高压旋喷灌浆、帷幕灌浆等各种防渗措施的适应性，确定采用沟槽混凝土防渗墙方案。该方法技术比较成熟，对地层变化的适应能力更强，墙体连续，可靠性高，防渗性能较好。
沟槽混凝土防渗墙是利用专门机械以泥浆固壁法造槽，然后在泥浆保护下灌注混凝土，使之成为一道地下连续墙，达到防渗目的。传统的沟槽混凝土防渗墙采用冲击钻造槽，受造槽施工工艺控制，墙厚均大于0.6m，造价在850～950元/m2之间，一般的中小型水库防渗并不需要这么厚的防渗墙。
近年来，逐步采用抓斗成槽，大大提高了工作效率，墙体厚度也随之变薄，可以降至0.4m，节省了材料，大大降低了工程造价，其单价在400～500元/m2，非常适用于中小型水库防渗处理。因此，坝基防渗方案采用墙厚0.4m的薄墙。对于深入强风化岩层部分，可根据施工时的实际需要，采用冲击劈打成槽方法。

2.2 坝体防渗

坝体防渗与坝基防渗方案结合考虑，可以采用沟槽混凝土防渗墙，即在坝顶设施工平台从坝顶至坝基成槽浇筑混凝土防渗墙，坝体和坝基形成完整连续的混凝土防渗墙。另外可以在上游坝坡设施工平台进行死水位以下坝体和坝基的沟槽混凝土防渗墙施工，死水位以上坝体采用复合土工膜防渗。由于水库坝体和坝基渗漏严重，一直低水位运行，而且施工期没有供水要求，因此具备放水空库施工的条件，并且除险加固工程中包括上游护坡石翻建，也为复合土工膜的铺设提供了方便条件。在两个防渗方案均合理可行的前提下，通过投资比较，复合土工膜方案节省投资约100万元，因此坝体防渗采用复合土工膜。

3 防渗体设计

3.1 防渗体布置

水库大坝坝基混凝土防渗墙中心线位于坝踵20.50m高程处，距坝顶防浪墙30m。防渗墙厚0.4m，墙底坐落在弱风化岩上。混凝土防渗墙建成后在顶端导向槽内浇筑二期混凝土，将复合土工膜埋入与混凝土防渗墙连接，复合土工膜上端埋入混凝土防浪墙，由此形成完整的防渗体。复合土工膜上回填0.3m厚砂砾料、0.15m厚碎石、0.3m厚块石作为上保护层。防渗体的布置见图1。
图1 防渗体布置

3.2 性能指标

混凝土防渗墙采用掺膨润土的塑性混凝土，混凝土抗压强度R28=715MPa，弹性模量500～1000MPa，渗透系数不大于1×10-7cm/s，抗渗等级为S4。
复合土工膜采用两布一膜，单位质量500g/m2，膜厚不小于0.5mm，拉伸强度不小于10MPa，断裂伸长率不小于200%，渗透系数5×10-10cm/s。

3.3 防渗墙厚度验算

(1)根据抗渗性要求验算墙厚:
式中:tj——计算厚度，m；
t——实际厚度，m；
Ja——允许的水力坡降，一般为60～80，取70；
H——防渗墙上下游水位差，m，H=8.58m。
经计算，tj=0。12m，t=0。4m，tj＜t，满足抗渗性要求。
(2)根据耐久性要求验算墙厚。防渗墙的混凝土在渗透水流的作用下，将产生溶蚀作用，使混凝土结构逐渐疏松，丧失强度和防渗能力。如按丧失50%强度时所需时间考虑，则防渗墙的厚度计算如下:
式中:tj——计算墙厚，m；
t——实际墙厚，m；
K——混凝土防渗墙的渗透系数，取0.032m/a；
T——混凝土防渗墙的耐久性要求年限，取50年；
H——防渗墙上下游水头，H=8.58m；
a——混凝土强度降低50%时，防渗墙每千克水泥渗水量，取

1.6m3/kg；

c——每立方米混凝土水泥用量，取280kg/m3。
经计算，tj=0.18m，t=0.4m，tj＜t，满足耐久性要求。

4 混凝土防渗墙施工

(1)施工平台。施工平台由坝体拆除的块石或砂砾抛填而成，经平整碾压后高程为20.50m施工平台宽度12m，导向槽采用矩形混凝土结构，导墙断面为0.5m×0.4m，采用C10混凝土浇筑，导向槽宽度为0.5m。
(2)成槽。根据墙厚要求和地质条件，采用BSD400型液压抓斗和凿岩重锤配合进行造孔施工。上部覆盖层和部分强风化基岩利用液压抓斗直接抓取，底部较硬的基岩用重锤凿碎后用抓斗抓取。造孔分两序进行，一序槽孔长度为10.8m，二序槽孔长度为9.0m。重锤冲击方式是将重锤提离孔底2～3m后自由下落冲击，每个槽孔选择3个冲击点进行，每个点冲击5～10次，使基岩破碎成较大的块体便于抓斗抓取。
(3)槽段连接。槽段的连接采用接头管法，接头管法使槽段的连接完整性能较好，在水库加固工程中采用的接头管为直径φ400的无缝钢管；下设前在管壁上涂满脱模剂，下设时保证接头管的垂直度，下设完毕后，将接头管固定，在混凝土初凝后用起拔设备(拔管机、千斤顶或吊车等)进行松动，每隔0.5h向上顶起50～100mm后卸载，使其自由回落，使接头管保持活动性，待混凝土终凝后将接头管全部提出。
(4)固壁泥浆。泥浆质量的好坏直接关系到成孔质量、成孔进度，为确保混凝土防渗墙的施工质量和施工进度，保证孔壁稳定性，必须要有优质的泥浆供应，因此，采用辽宁黑山生产的&Ogre;级钙基膨润土作为搅拌原材料，其出浆量为10～14m3/，t加入Na2CO3作为分散剂，必要时加入增黏剂CMC。
槽孔抓取成

源于：硕士论文www.udooo.com

槽验收合格后，即进行清孔换浆，以保证混凝土浇筑质量。清孔换浆结束标准，孔底淤积不大于10cm，泥浆比重不大于

1.1g/cm3，黏度不大于30s，含砂量不大于10%。

(5)混凝土浇筑成墙。墙体材料为塑性混凝土，水泥为矿渣水泥425号，膨润土为二级钙基膨润土，碎石为5～25mm人工碎石，砂为中粗砂，外加剂为缓凝减水剂YNH)1。混凝土和易性指标:坍落度18～22cm，扩散度34～38cm。
根据设计要求的性能指标，进行试验后确定的材料用量配合比见表1。
表1 每立方米材料用量配合比单位:kg

5 工程总结

水库混凝土防渗墙施工工期66天，成墙长度515.95m，成墙面积5858m2，平均深度11.2m，最大深度13.6m，嵌入基岩平均深度1.6m，嵌入基岩最大深度3.1m，第四系覆盖层平均深度9.60m。混凝土防渗墙建成后，采用GZ—Ⅱ钻机钻孔取样，混凝土质地均匀、无蜂窝、无麻面、无夹泥、墙体连续性好。原基岩渗水最大处透水率为41.4Lu，施工后压水试验值为0.51Lu，满足设计要求。
6 结语
水库主坝坝体的防渗加固质量的好坏直接影响到水库的正常运作。因此，水库管理人员应根据水库的地质条件，选择合理的、经济的防渗加固处理方案。本文工程防渗加固处理结果表明，坝体采用复合土工膜防渗，具有施工方便、施工速度快、费用低等优点，能够较好地满足水库土坝的防渗要求。
参考文献
文炜.简析病险水库大坝防渗加固技术[J].科技致富向导.2012年第27期
陈思东.坑内水库大坝防渗加固设计探讨[J].科技与企业.2012年第15期