云州水库副坝区防渗工程设计与施工

王海峰

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

云州水库副坝区防渗工程设计与施工

王海峰

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

云州水库运行30多年来，虽经过续建和加固，但未从根本上解决水库主要建筑物自身安全和对下游地区的防洪安全。水库副坝区渗漏严重，高水位运行时存在渗流稳定问题。经过论证分析，副坝区采用混凝土防渗墙垂直防渗，防渗墙截渗总面积3万m2。防渗墙工程已建成1a多，截断了副坝及库岸区强渗漏带，减小了库区渗漏，消除了安全隐患。

副坝区；渗漏；防渗墙；设计；施工

1 工程概况

云州水库位于河北省张家口市赤城县云州镇北3km处，系潮白河主要支流白河上的一座以防洪为主，结合灌溉、发电的大（Ⅱ）型水利枢纽工程，总库容1.02亿m3。水库于1958年动工兴建，1972年建设完成，后又进行了续建、加固和震害处理。水库枢纽建筑物包括主坝、副坝、泄洪洞、发电输水洞及坝后式电站。

水库运行30多年来仍存在一系列问题：主坝、副坝坝坡稳定不满足规范要求，副坝区及库岸渗漏严重、渗流稳定；泄洪洞淤积严重；闸门、启闭机设备老化；大坝安全监测与管理设施不完善等。为保证水库的正常运用，消除水库自身的严重威胁及其对下游地区的防洪安全，水库亟需进行除险加固防护。

2 副坝区渗漏问题及地质情况

2.1 副坝区渗漏

云州水库副坝位于主坝右侧约1km的白河古河床上，古河床总宽830m，为U型谷。副坝及所在区域的古河道库岸为副坝区。水库自建成蓄水至今，古河道库岸一直存在渗漏问题。由于渗漏严重，多年来水库始终低水位运行，最高水位仅达到1028.56m，低于正常蓄水位1029.60m，远低于副坝坝顶高程1033.67m。对于不同的库水位，库岸渗漏量随水位的升高而增大；对于同一库水位，库岸渗漏量随水库运行的年限增长而增大。副坝区完全状况呈逐步恶化趋势。

由于古河道常年有渗水存在，现副坝区下游河床局部已形成3000m2的小范围沼泽化地带。河床卵石层中细颗粒含量较大，在水头作用下不断沿渗漏通道流失，逐渐增大卵石层的透水性，并在下游河床地形较低、通透性较好的部位出溢，副坝下游860m处常年溢水，并伴有冒砂现象。虽然渗流出溢点距副坝较远，但长时间的渗漏会破坏卵石层的稳定性，致使渗漏范围进一步扩大，特别是水库高水位运行时，局部发生的管涌有可能形成大的渗漏通道，危及大坝安全。

2.2 副坝区地质

副坝区古河床左岸山体岩性为花岗岩，属非可溶岩类，且山体较为高大宽厚、无单薄分水岭及断层分布，视为相对隔水层；右岸为黄土状土坡体，属微透水、弱透水层。副坝区地质结构为上覆盖层、下基岩的双层结构。上部壤土覆盖层，属微透水、弱透水层。其下分布卵石层，范围广、厚度大，总宽度约830m，层厚9.5～68.5m，多呈密实状态，平均粒径d50为11.5～60mm。根据不同时间勘察卵石层注水试验成果分析，卵石层普遍属于中等透水层，但层中存在集中渗漏带。在钻探过程中，发现渗流带有漏浆现象，漏浆层在高程1005～1019.1m段，桩号0+050～0+550，说明此层段通透性较强，已经形成了较强的渗漏带，是水库渗漏的主要渠道。下伏基岩为花岗岩及片麻岩，岩体完整性较好，为弱透水层，透水率较小。

3 副坝区防渗工程设计与施工

3.1 垂直防渗方案

为解决副坝区渗漏问题，消除渗流稳定安全隐患，副坝区库岸必须进行防渗处理。对于砂卵石基础渗漏采取垂直防渗和水平防渗两种方案处理措施。经比较，两方案均可解决副坝区古河道的渗漏问题，但各有优缺点。根据云州水库副坝区的实际情况，从施工期蓄水和汛期防洪，工程管理运用，防渗材料的耐久性、可靠性和工程投资等方面综合分析考虑，采用垂直防渗方案对副坝区古河道渗漏进行处理更为合理。

为确定合理的防渗轴线，在副坝轴线及轴线上游50m、下游50m共3条线路进行了比选。坝轴线至其上游50m范围内基岩面高程变化较小，起伏差一般为1～2m，且变化无规律性；坝轴线下游50m布线基岩面高程局部地段较同桩号轴线处有所抬高，但总体并无明显升高趋势。由于3条防渗轴线工程地质条件相似，确定采用副坝原坝轴线作为防渗轴线。

副坝区库岸渗漏加固处理的主要目的是尽量减少库岸渗漏量、避免副坝区出现渗流破坏的可能。根据副坝区地质情况，对副坝区古河床中的强集中渗漏带进行防渗加固处理。

考虑混凝土防渗墙和帷幕灌浆两种防渗方案的实施长度分为全部隔断渗流通道（全封闭）和仅隔断强渗漏通道（半封闭）。

由于副坝两岸地形变化较大，进行防渗墙施工时其施工平台可随地形做成台阶状（高平台）或以坝顶高程为准经大开挖后形成同一平台（低平台），各方案技术经济指标见表1。

表1 副坝区垂直防渗方案技术经济指标

表1中9个方案采用的防渗顶高程均按强集中渗漏带上限确定。在防渗范围方面，全部封闭或半封闭都是对设计防渗顶高程以下的卵石层而言，均属于局部防渗，只是防渗长度不同。由于古河床下伏基岩和强渗漏带以外的覆盖层段渗透性较差，故两者均可满足设计的防渗要求。

综合分析9个方案实施后的防渗效果，施工对机具、场地平台的要求，开挖回填对环境的影响，工程投资及工程实施对下游环境和居民生活的影响，采用了方案5的混凝土防渗墙（低平台半封闭方案）对副坝区库岸进行防渗处理。

3.2 防渗墙设计

3.2.1 确定防渗墙长度

考虑工程实施对下游环境和居民生活的影响，不宜将渗流全部截断，故加固设计原则上只截断强集中渗漏层段。以封堵住强集中渗漏带为原则，在此基础上墙体向两侧适当延伸。按确定的防渗墙轴线经布置后防渗墙顶长600m。

3.2.2 确定防渗墙顶、墙底高程

为指导施工，进一步查明基岩埋深情况，防渗墙施工前在其中心线上加密进行了23个先导孔的钻探工作，总进尺1140.1m，基岩面呈现出两侧略高、中间低的特点。

混凝土防渗墙体顶高程取强渗漏带上限1020m，墙体底部深入强风化基岩1m，防渗墙造孔深度36.5～52.4m，相应底高程988.3～1004.2m，造孔终孔时每个槽段槽底形成台阶状。

3.2.3 确定防渗墙厚度

本工程混凝土防渗墙最大作用水头34m，综合各种因素和参数相关资料：取混凝土防渗墙允许水力坡降80，计算混凝土防渗墙最小厚度43cm；由于河床为卵石层，造孔深度多在40～50m，参照工程类似条件和已建工程施工设备及施工水平，取防渗墙厚度60cm；混凝土防渗墙抗蚀年限120a。取墙高最大断面对墙体强度进行验算，经计算墙体没有出现拉应力，最大压应力0.9MPa，远小于墙体混凝土的允许抗压强度。

3.2.4 防渗墙顶平台布置

由于原副坝区地形高低不平，为便于施工，结合副坝加固，防渗墙统一采用1040.7m高程平台施工，平台总长610m，宽16m布置钻机工作平台、倒浆平台和施工道路。

3.2.5 防渗墙体材料

1020 m高程以下防渗墙采用C10W8F50混凝土，混凝土墙顶以上（1020～1040.7m）回填固化灰浆。在防渗墙施工中，考虑下部混凝土防渗墙和上部固化灰浆的连接及槽孔内墙体浇筑方便，在不改变防渗功能的前提下，将混凝土防渗墙顶以上墙体由固化灰浆调整为塑性混凝土，其他设计指标不变。其塑性混凝土抗压强度不小于3MPa，弹性模量300～1000MPa。

3.2.6 监测仪器布置

桩号0+020、0+022、0+120、0+122和0+470、0+472的防渗墙轴线上下游1.8m处各布设1个渗压计。渗压计埋设在基岩面以上1.5m高程处。

桩号0+020、0+120和0+470处的防渗墙体内布设3个观测断面。每个断面布设4支土压力计、4支应变计、2支无应力计。根据实际地形情况，在防渗墙外轴线两侧分别布设2个测压管。

3.3 防渗墙施工

3.3.1 施工布置

防渗墙施工前经土方开挖和回填，形成宽16m的施工平台。钻机工作平台总宽度5m，其中钢筋混凝土导墙宽2m，导墙下游布置倒浆平台、排浆沟和施工道路。根据现场地形条件和周边环境情况布设膨润土仓库、泥浆搅拌站、储浆池和混凝土拌和站等生产设施。

3.3.2 施工方法及工艺要求

防渗墙成槽采用CZ-22型冲击钻机钻劈法施工成槽，造孔采用膨润土拌制泥浆护壁，抽筒法进行孔内排渣及清孔换浆。槽孔施工分两期，共100个槽孔，单个槽孔长度5.3～7.0m。相邻槽孔采用“钻凿法”连接（套打一钻），即在2期槽孔端头与1期槽孔套打一钻，接头孔采用钢丝刷分段刷洗。

钻到设计深度后，经岩样鉴定，确认满足要求后终孔。槽孔终孔后进行孔位、孔深、槽孔宽度及孔斜全面检查、验收合格后清孔换浆。要求马氏漏斗粘度、密度、含砂量3项泥浆指标合格，孔底淤积厚度不大于10cm。

混凝土的工作性能为：坍落度18～22cm，扩散度34～40cm，坍落度保持15cm以上的时间不小于1h，混凝土初凝时间不小于6h，终凝时间不大于24h。

防渗墙混凝土浇筑采用水下直升导管法浇筑，每个槽孔布置2～3套内径为250mm的导管，导管底距孔底25cm，内用球胆隔离混凝土与泥浆。将拌制好的混凝土用混凝土泵送至槽孔孔口分料盘，通过直径250mm的导管灌入槽底，边浇筑边上提导管，在浇筑至距槽孔口20.7m位置后，用塑性混凝土浇筑至设计高程。

防渗墙混凝土浇筑时，埋管深2～4m，每30min量测1次混凝土面深度，每2h量测1次导管内混凝土面深度，控制各侧点高差不大于50cm。施工中绘制浇筑指示图，作好各项记录，随时掌握浇筑高度，当混凝土浇筑接近顶部导管时，放慢浇筑速度，注意导管埋深，掌握下料方量，使混凝土面均匀上升，最终使混凝土浇筑达到设计高程。

3.3.3 质量检查

防渗墙施工完成后，凿除桩头后经直观检查，墙体连接性良好，墙体厚度符合设计要求。在墙体共布设了6个孔的取芯检查，钻孔总进尺286.4m。检查孔均进行了注水试验，混凝土芯样分别进行了抗压、弹模、抗渗等试验，均满足设计要求。

4 结语

（1）副坝区防渗工程已建成1a多，观测期库水位为1022.56～1027.44m时，副坝防渗墙墙前水位1017.93～1020.57m，墙后水位1014.14～1016.60m，水位差4m，可见修建混凝土防渗墙后，截断了副坝及库岸区强渗漏带，消除了库岸及坝基发生渗流破坏的可能，减小了水库渗漏量。观测期防渗墙轴线外布设的测压管水位1017.927～1020.657m，与防渗墙墙前水位相差很小，表明防渗墙两侧存在绕渗现象，因此对下游居民生产生活及周边生态环境产生的影响很小。

（2）修建防渗墙后，古河道下游沼泽化地带原出溢点绝大多数消失，未出现冒砂现象，古河床渗漏量已大大减少，混凝土防渗墙已起到了很好的防渗漏作用，消除了安全隐患，保证了副坝区的渗流稳定和大坝的安全。

［1］高钟璞．大坝基础防渗墙［M］．北京：中国电力出版社，2000．

［2］王清友，孙万功，熊欢．塑性混凝土防渗墙［M］.北京：中国水利水电出版社，2008．

［3］兰卿良，曹洪波．黄壁庄水库除险加固工程科学研究文集［M］．北京：中国科学技术出版社，2005．

［4］SL174—96，水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范［S］．

［5］河北省水利水电勘测设计研究院．云州水库除险加固工程初步设计报告［R］．2006．

［6］孙继江．黄壁庄水库副坝垂直防渗工程设计［J］．水利水电技术，2005（4）．

［7］孙继江，李继东．黄壁庄水库副坝垂直防渗工程施工［J］．水利水电技术，2005（4）．

Design and Construction of Seepage Prevention Works of Auxiliary Dam in Yunzhou Dam

WANG Hai-feng
（Hebei Research Institute of Inverstigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

After continued construction and reinforcement for the past three decades，the problem of the safety of the major structures and the flood control in the downstream in the Yunzhou Dam is still not solved.Becaues of the serious seepage auxiliary dam，the seepage problem and stability of dam have existed when the reservoir in the high water mark movement.After analysis and discussion，the vertical anti-seepage of concrete anti-seepage wall with a total area of about 30 thousand m2is introduced in the auxiliary dam.Since its commission for one year，the seepageinterception has been made in the strong seepage zone of the auxiliary dam and dam region，the potential safety hazard has been eliminated，the seepage in dam region has been reduced.

auxiliary dam；seepage；anti-seepage wall；design；construction

TV543

A

1672-9900（2012）02-0033-03

2012-01-13

王海峰（1971-），男（汉族），河北万全人，高级工程师，主要从事水工结构设计工作，（Tel）022-26154642。