塑性混凝土防渗墙在土石坝工程中的应用

魏焕发

塑性混凝土是用粘土和膨润土取代普通混凝土中的大部分水泥形成的一种柔性工程材料。与普通混凝土相比，塑性混凝土具有弹性模量低、极限应变大、抗渗性能好，能适应较大变形的特性，同时还具有节约水泥、降低造价、方便施工等优点。因此，在国内外水库大坝防渗工程中逐步得到推广应用。本文以河南省信阳五岳水库除险加固工程中塑性混凝土防渗墙施工为例对塑性混凝土的使用进行研讨分析。

一、工程背景及存在问题

1.工程概况

五岳水库位于淮河一级支流寨河主干青龙河上游，主坝在光山县城西南35km南向店乡长冲村境内，控制流域面积102km2，总库容1.22亿m3。工程是淮河上游一座以防洪、灌溉为主，兼具发电、水产养殖等综合利用于一体的大型水库。水库工程于1966年9月破土动工，1970年1月基本完成，1971年底全部竣工并蓄水投入运用。

2.工程地质

主坝两坝头均系上元古界斑状角闪片岩及云母石英片岩。表层为第四系坡积、残积松散物质，即粘土含碎石、碎屑，厚度仅数十厘米。

河床为第四系全新统上段冲洪积物，漫滩上部为轻粉质壤土、砂壤土；其下为中细砂、粗砂、砂卵石，其中夹薄层的淤泥质土。

右岸阶地由第四系全新统下段冲洪积物组成，上部为中、重粉质壤土和粉质粘土，中部为黄色灰色中细砂、灰色淤泥质砂壤土互层，下部为灰色淤泥质重粉质壤土、粉质粘土，底部为薄层粗砂、砾石等。

河床及右岸阶地下伏基岩均系上元古界斑状角闪片岩及云母石英片岩。

3.存在问题

加固前主坝左坝头背水坡二级平台和山体结合处有集中渗水点，渗水清澈，常年不断，呈向上翻涌状，且推动小砂粒上下翻动，渗流汇集成明流排出。主坝背水坡出现大面积散浸，且在下游坝坡上出现一条干湿分明的分界线，渗流严重处有明水出逸。

二、方案比选

针对上述存在问题，初拟三种方案进行比选：方案一是高压喷射灌浆防渗板墙，方案二是普通混凝土防渗墙，方案三是塑性混凝土防渗墙。

方案一具有施工简单、速度快等特点。防渗技术的成墙材料均为输入的水泥浆与土的凝结体，其防渗效果受施工工艺、土层结构等因素影响较大，施工质量不易控制，工程耐久性差。

方案二和方案三处理坝体渗流彻底，工程耐久性好，质量易控制。方案二和方案三相比，塑性混凝土防渗墙克服了普通混凝土防渗墙与土体弹性模量差异过大，不适应土体变形的缺点，塑性混凝土防渗墙以粘土和膨润土代替部分水泥，因而成本可大大降低。

根据以上综合比较，本工程选用方案三，即坝体采用塑性混凝土防渗墙进行防渗。

三、技术要求

主坝施工桩号范围为0+013～0+561，轴线长548m，防渗墙面积约13956m2，墙厚60cm，设计墙顶高程90.974m，塑性混凝土防渗墙底部深入基岩1.0m，最大墙深约为31.5m。

密度：2.0～2.2t/m3。

抗压强度：1.5～5MPa。

弹性模量≤2000MPa。

渗透系数：n×10-7～n×10-8cm/s。

四、方案实施

施工程序：测量放样——导槽——成槽——清孔（Ⅰ期槽孔下设接头管、Ⅱ期槽孔刷接头）——下设预埋管（埋设土压力计）——下设浇筑导管——塑性混凝土浇筑。

按照设计要求放防渗墙轴线，槽孔划分为两序孔，即Ⅰ期、Ⅱ期槽孔，长度分别为7.8m、8.4m。

修建钢筋混凝土导向槽，在造孔过程中，为防止钻具撞击孔口造成孔口坍塌，造孔前应设钢筋混凝土导向槽。导向槽的轴线与防渗墙的轴线平行一致，导向槽墙宽1m、深1.4m，导向槽口宽1m。

利用液压抓斗成槽，先施工Ⅰ期槽，后施工Ⅱ期槽。首先采用“纯抓法”抓取上部粘土或粉土层，弃渣外运；下部基岩由冲击钻完成，抽筒法出渣，并根据岩样确定基岩面高程和入岩深度。

成槽后采用“气举反循环法”进行清孔，同时向槽孔内注入膨润土泥浆进行换浆。清孔结束后，采用比重秤、含砂量仪、粘度计等试验仪器对槽孔进行全面检测验收。

清孔后Ⅰ期槽孔内下设接头管，Ⅱ期槽孔清孔换浆前用刷子对Ⅰ期槽孔接头混凝土进行洗刷，以刷子不带泥屑、孔底淤积不再增加为结束标准。

下设预埋管间距为1.5m。

混凝土浇筑采用“泥浆下直升导管”法。

五、实施中重点控制的几个环节

1.槽段划分

槽段长度的划分要充分考虑防渗墙轴线处地质条件、槽孔深度、预测成槽周期、导管布置和浇筑能力、冲击钻及抓斗成槽设备功效等，在保证槽孔稳定的前提下，尽量采用较长槽段，以减少墙体接头数量，加快施工进度。

2.造孔成槽

依据设计文件设置基准点对防渗墙的轴线及高程加以控制。造孔前先做孔口导向槽，孔位偏差、孔斜率应控制在允许范围内。基岩以上地层采用抓斗施工，基岩部分避免使用传统的“钻劈法”施工，以防在基岩中留有小墙。

3.基岩判定

在冲击钻钻基岩时，用抽桶抽取岩样按照鉴定程序进行基岩面的确定，并由设计（地质工程师）、监理单位联合签发基岩鉴定表。防渗墙嵌入基岩深度按1.0m控制。副孔深度根据确定的两侧主孔深度结合钻取岩样确定。

4.护壁泥浆

保证槽孔孔壁的稳定性是防渗墙施工的关键因素之一。新拌制的泥浆每班至少做一次粘度、比重、含砂量测试，根据造孔需求随时调整泥浆配合比，如发现泥浆粘度指标降低，应适当掺加新浆进行调整。如粘度指标升高，可加入分散剂，经处理后仍达不到标准的必须废弃。

5.终孔验收

终孔验收项目有孔位、孔深、孔宽、孔斜、入岩深度。孔斜采用重锤原理进行孔斜测量。槽孔宽度不小于60cm，孔深不小于设计深度，孔斜满足规范及设计要求。

6.埋设预埋管

预埋管采用桁架固定，桁架由Φ18钢筋制作纵向主筋定位架，将预埋管与钢筋架焊接为一个整体桁架。预埋管孔距1.5m，平面上的允许偏差不大于±10cm。

7.墙段连接

防渗墙段连接采用“接头管法”，接头管下设深度根据实际情况确定，接头管起拔后，采用冲击钻扩孔，注意避免铸管事故。接头管全部拔出混凝土后，应对其新形成的接头孔及时进行检测、处理和保护。

8.塑性混凝土浇筑

①粘土采用湿掺方式，将粘土配制成一定浓度的浆液，然后加入砂石骨料和水泥进行拌合。这种方法可以分散均匀，避免粘土出现结块现象。②导管下设，每个槽段布设2～3套导管，导管距一期槽端不大于1.5m，距二期槽段不大于1.0m，导管之间间距不大于3.5m。当孔底高差大于25cm时，导管布置在其控制范围内的最低处。③浇筑时，保证导管初次混凝土埋深不小于50cm，浇筑过程中导管埋深一般保持在1～6m，同时混凝土浇筑面要均匀上升，避免浇筑速度过慢导致混凝土丧失流动性，同时也应避免过快压入形成真空造成堵管。

六、结语

防渗墙工程是重要的隐蔽工程，尤其是塑性混凝土防渗墙的强度和弹性模量等力学指标的控制尤为重要，它的合格与否关系到整个工程的成败。

本工程坝体成墙面积11079.96m2，基岩成墙面积1066.31m2，总成墙面积12146.27m2。工程完成后，业主委托第三方检测单位，通过地质雷达、钻机取芯、注水试验等检测手段对防渗墙进行了抽检，结论满足设计及规范要求。主坝下游原存在的渗漏问题现已不复存在。本工程的成功实施，进一步验证了塑性混凝土具有弹性模量低、极限应变大、对周围土体的适应性强、和易性能好、凝结时间长、在施工中不易发生堵管和假凝事故等优点，同时具有成本低、防渗效果好的特点，为类似工程提供了经验和依据，具有良好的推广应用价值。