塑性混凝土防渗墙在合东水库大坝防渗处理中的应用

陈宇明

（湘乡市水利局 湘潭市 411400）

l工程概况

湘乡市合东水库位于湘江水系涟水支流岩江上游，坝址距S209省道和壶天镇3km，水库集雨面积14.75km2，正常蓄水位186.20m，正常库容2202万m3，校核洪水位 187.69m，总库容 2501万 m3，灌溉壶天、棋梓两镇2.8万亩农田，是一座以灌溉为主，结合防洪、养鱼等综合效益的中型水利工程。该水库建于1976年，为粘土心墙坝，最大坝高39m，坝顶高程190.90m，坝顶宽6m，坝顶轴长146m。坝基持力岩层为石英砂岩夹页岩，岩石风化破碎，具弱透水性；坝体填筑土为含砾粘土，碎石含量高，未按要求进行分区填筑，碾压不密实。水库因施工质量差、运行久，大坝坝体、坝基及左右坝肩渗漏严重，2003年经水利部大坝安全管理中心鉴定为三类坝病险水库。针对大坝地质条件和坝体渗漏特征，设计坝体采用垂直塑性混凝土防渗墙进行防渗处理；坝基及坝肩采用帷幕灌浆进行防渗处理，两者形成封闭、连续的防渗板墙。塑性混凝土防渗墙设计要求：防渗墙轴线位于坝轴线上，范围0+000～00+146桩号，全长146m，墙体设计厚度为0.6m，深入强风化基岩1m，墙顶标高为189.90m，最大成墙深度47m。单元槽段长6m，防渗墙总面积4265m2。

2 混凝土防渗墙、施工方法简介及选用

混凝土防渗墙就是利用钻孔或挖槽机械,在松散的透水地基或坝（堰）体中以泥浆固壁挖掘槽形孔或连锁桩柱孔，在槽孔内浇筑混凝土或其它防渗材料，筑成具有防渗功能的地下连续墙。

2.1 防渗墙的种类

（1）普通混凝土防渗墙：以水泥、粉煤灰为胶凝材料拌制的在水下浇筑的大流动性混凝土筑成。

（2）粘土混凝土防渗墙：除水泥、粉煤灰外，由掺加了占胶凝材料总量20%左右的粘土的大流动性混凝土筑成。

（3）塑性混凝土防渗墙：水泥用量较低，由掺和较多的膨润土、粘土等材料的大流动性混凝土筑成，它具有低强度、低弹模和大应变等特性。

（4）固化灰浆防渗墙：在已建成的槽孔内，以固壁泥浆为基本浆材，在其中加入水泥、水玻璃、粉煤灰等固化材料以及砂和外加剂，经搅拌均匀后固化而形成的一种低强度、低弹模和大极限应变的柔性墙体。

（5）自凝灰浆防渗墙：以水泥、膨润土、等材料拌制的浆液，在建造槽孔时起固壁作用，槽孔建造完成后，该种浆液可自行凝结成一种低强度、低弹模和大极限应变的柔性墙体。

合东水库设计采用塑性混凝土防渗墙，强度等级为C10，墙厚60cm，墙深伸入基岩1m。混凝土选用抗压强度小于5MPa，抗渗标号W6的塑性混凝土。塑性混凝土防渗墙物理力学控制指标：渗透系数K≤（1～9.0）×10-8cm/s， 抗压强度 R28.d＞2.5MPa，弹性模量（800～1000）MPa，允许渗透比降 J≥80；施工物理特性指标要求：混凝土入孔时的坍落度为（18～22）cm，混凝土初凝时间不能小于6h，终凝时间不能大于24h。

2.2 混凝土防渗墙成槽的施工方法

（1）钻劈法：用冲击钻机钻凿主孔和劈打副孔形成槽孔的一种防渗墙成槽施工方法。

（2）钻抓法：用冲击钻机先钻主孔,然后用抓斗挖掘其间副孔,形成槽孔的一种防渗墙成槽施工方法。

（3）抓取法：只用抓斗挖掘地层,形成槽孔的一种防渗墙成槽施工方法。此法要求有较宽阔的施工场地。

（4）铣削法：用专用的铣槽机铣削地层形成槽孔的一种防渗墙成槽施工方法。

钻抓法及抓取法施工相对速度较快，但入岩嵌固较难；铣削法在国外早有应用，而国内才仅仅开始使用，须采用专用的液压双轮铣槽机，费用高，难以采用；钻劈法相对速度较慢，但适合于入岩嵌固。

合东水库由于坝顶较窄，不适于抓斗机施工，且设计要求深入基岩1m，所以造槽采用钻劈法。

3 塑性混凝土配合比确定

本工程设计上要求塑性混凝土配合比由现场试验确定，配合比试验是在试验室标准条件下得出的，而施工现场天气、气温等条件不一样，直接影响到塑性混凝土的各项指标。塑性混凝土的配合比设计与普通混凝土的差异较大，不但要对混凝土强度进行设计，同时还要着重考虑混凝土的弹性模量以及抗拉强度是否能达到设计要求。因此，塑性混凝土的配合比设计需要在对其各个配合比参数的影响因素进行试验研究后方能设计出满足要求的配合比。

因本工程规模不是很大，而且不具备较好的试验条件，故采用了工程类比法设计塑性混凝土的配合比，参考类似工程的配合比初选了3个配合比，并做了进一步的试验研究加以确定。施工期间根据现场试验对初选参考配合比以水泥量、粘土用量、砂率和水胶比进行调整、优化，最终确定的配合比见附表。

附表 材料配合比表 kg/m3

4 钻劈法建造塑性混凝土防渗墙

合东水库大坝除险加固坝体采用钻劈法建造塑性混凝土防渗墙施工方法，并在防渗墙中安置预埋管,然后进行坝基帷幕灌浆，在防渗墙和坝基之间进行接触灌浆相互搭接，形成一道完整的防渗帷幕，达到除险加固的目的。

本工程钻劈法建造塑性混凝土防渗墙主要施工工艺如下：

测量放样—→开挖施工平台—→修筑导墙—→成槽钻进—→清孔—→验孔—→预埋灌浆钢管—→设置混凝土导管—→泥浆下混凝土浇筑。工艺流程详见图1。

图1 工艺流程图

4.1 开挖施工平台

防渗墙施工平台要求坚固、平整，适合重型设备和车辆行走（如吊车、铲车），宽度要能满足施工需要，本坝原坝顶宽6.0m，不能满足施工需要，于是降坝（1.0～1.5）m，宽增加到9.0m，现基本能满足施工需要。

4.2 修筑导墙

造槽施工前必须先修筑导墙，导墙是为防渗墙施工建造的临时构筑物，其功能是为钻具导向、保护槽口、设备承重。本工程考虑到坝体上部5.0m是十分松散的石渣土，容易跨塌，导墙采用现浇钢筋混凝土。导墙厚0.5m,埋深1.0m，导槽中心轴线和防渗墙轴线重合，内侧间距64cm，比防渗墙宽4cm（防渗墙厚60cm）。

4.3 轨道铺设

在导墙两侧铺上枕木，枕木上架轨道，便于钻槽机移动。轨道平行于防渗墙轴线，轨道间距根据钻机底座轮距确定，本次施工每6.0m为一槽段，并在枕木上钉有铁钉以标记出主孔、副孔位置。

4.4 造槽施工

对于坝体土质好，槽孔较浅的槽一次性单孔钻至槽底；对于坝体质量差，土质松散，较深的槽，分（5.0～10）m为一阶层钻劈。全长共分23个槽段，槽孔分两期进行施工，即用冲击钻机钻进槽段主孔至终孔，主孔完成后，槽段副孔用冲击钻机钻凿副孔中心，每钻进（3～5）m即对小墙进行劈打。主孔、副孔长度均为0.60m，每个槽段由5个主孔及5个副孔组成（详见成槽钻孔示意图2），单个槽孔长度为1.2m。在成槽过程中，为了使槽孔垂直，钻头冲击力不要过猛，钢丝绳带力冲击。泥浆护壁，冲钻过程中如漏浆，则须另制泥浆补充；如垮槽，则停止冲钻，马上回填粘土，边回填边冲钻，压挤密实。

图2 成槽钻孔示意图

4.5 泥浆护壁

泥浆在造孔成槽过程中起到固壁、悬浮、携渣、冷却钻具和润滑的作用，成墙后还可增加墙体的抗渗性能。根据本工程的特点，槽内护壁采用的是膨润土泥浆护壁，利用供浆管输送至槽孔内使用，槽孔孔口泥浆面在成槽过程中保持在导墙顶面以下（30～50）cm范围内。制浆设备系统为：泥浆池容量为30m3，泥浆拌和机1台，容量为0.4m3。泥浆配合比为每立方米泥浆：水为1000kg，膨润土为 100kg，Na2CO3为3kg。采用泥浆比重秤、粘度计、马氏漏斗进行泥浆三项指标的检测。根据不同地质条件及时调整泥浆配合比，泥浆比重为（1.1～1.2）g/cm3。

4.6 基岩面确定

根据设计地质剖面图、邻孔基岩深度、钻进速度分析、捞渣情况分析等方面综合确定。

4.7 清 孔

就是清除孔内残渣、沉渣。槽孔质量检查合格后即进行清孔，用带阀们的抽沙筒捞取槽孔内沉渣，清孔1h后，槽内沉渣不大于10cm为合格。

4.8 下预埋管和设置导管

（1）预埋管布置：预埋管Φ110钢管，间距2.0 m，每槽布预埋管3根（1.0m位置、3.0m位置、5.0m位置）。

（2）两端两根预埋管的固定：管底切割成锯齿状，防止在基岩面上滑动，中间每10m套一个固定支架，控制往两端偏移，管口用“井”字架焊在轨道上固定。

（3）中间预埋管偏斜控制：中间预埋管由于两侧还要下导管，所以中间不能用架子固定，为防止偏移，按以下方法控制：混凝土灌注时先灌注地势低的一端，防止管底滑动；槽底浇筑水平后，两侧导管轮流平衡浇筑。

（4）调设置导管：导管内径400mm，每槽段布置2根导管，导管间距3.0m，距槽端1.5m，距槽底（15～25）cm 以内。

4.9 泥浆下混凝土浇筑

泥浆下混凝土浇筑采用直升导管法，开浇前先注入少量水泥沙浆，随即注入足量的混凝土埋住导管底部，然后边浇筑边提取导管。浇筑过程中按以下几点控制：

（1）测绳测量，导管埋入混凝土中规范要求不少于 1.0m，不大于 6.0m，本工程控制在（2.5～4.0）m。

（2）混凝土面上升速度不小于2m/h。

（3）混凝土面均匀上升，各处高差控制在50cm左右，通过吊铅球跟踪测量，调节两根导管注入量来控制。

4.10 槽段连接

槽段连接可采用接头管法和钻凿接头孔法，接头管法适于抓斗成槽施工，钻凿接头孔法适合于冲击钻成槽施工。本工程采用钻凿法进行接头连接，即一期槽段浇筑完毕12h后，视混凝土强度进行二期槽段造孔时，将一期槽段混凝土套抓35cm，以保证接头质量。钻完孔后，需用专用的机具将其两端一期槽（或圆桩）混凝土上所附泥皮及地层残留物全部清除。

5 防渗墙施工特殊情况处理

5.1 漏浆、塌孔处理

（1）漏浆：造孔过程中有少量漏浆现象，采用加大泥浆比重，投堵漏剂等措施处理；出现大量漏浆现象，马上采用回填粘土钻进处理，槽孔采用投锯末、水泥或高水速凝材料等进行堵漏处理，并改冲击反循环钻进为冲击钻挤实钻进，确保孔壁槽壁安全。或在造孔前，对架空地段进行预注浆处理。根据工程施工经验，危险性管涌土，会加剧地层渗漏通道的渗漏，钻进时，要加强泥浆损失测估，改变钻进工艺，准备好足够的堵漏材料及时处理好渗漏，尤其是槽孔的副孔钻劈时，要小心提防。合东水库主坝施工没有发生过漏浆情况。

（2）塌孔：由于覆盖层级配不均，结构松散，造孔中可能出现塌孔。发现有塌孔迹象，首先提起施工机具，根据塌孔程度采取回填粘土、柔性材料或低标号混凝土等处理。如孔口塌孔，采取布置插筋、拉筋和架设钢木梁等措施，保证槽口的稳定。如槽内塌孔严重，必要时可浇筑固化灰浆后重新造孔。本工程的5#、7#、9#槽均有不同程度的跨塌，采用了回填粘土方法处理。

5.2 孔斜的处理

造成防渗墙发生孔斜的原因有很多，其中地层原因是最主要的。当槽孔施工发生孔斜时，将使墙体的有效厚度减少以及影响墙体的连续性，因此，孔斜的控制尤为重要，当槽孔施工发生孔斜时，应采取以下措施处理：

（1）改变钻头规格、形状。冲击钻机施工中要勤测量，及时掌握孔形情况，如发现偏斜，可在钻头上加焊一圈钢筋，扩大钻头直径，扩孔改变孔斜；或在孔斜的相反方向加焊耐磨块进行修孔。

（2）回填石料修孔。冲击钻机造孔中如果发生孔斜，可用（10～25）cm石料回填至偏斜段顶部。重新进行该段造孔，并加大造孔过程中的测斜密度，严加控制进行修孔。

（3）定位、定向聚能爆破处理探头石。造孔过程中遇到探头石易发生孔斜，可采用定位、定向聚能爆破炸掉探头石后继续钻进。

5.3 混凝土浇筑堵管的处理

防渗墙的浇筑应严格按照规范的规定执行，有效地控制混凝土的搅拌质量及按规定掌握导管的埋深，是避免发生堵管的关键措施。一旦发生堵管，可利用吊车上下反复提升导管进行抖动，疏通导管，如果无效，可在导管埋深允许的高度下提升导管，利用混凝土的压力差，降低混凝土的流出阻力，达到疏通导管的目的。当各种方法无效时，可考虑重新下设另一套导管，新下设的导管底部应完全插入混凝土面以下，然后用小抽筒将导管内的泥浆抽吸干净，方可继续进行混凝土的浇筑。

5.4 墙体质量事故的处理

如混凝土防渗墙在浇筑过程中发生中断或发生事故而影响质量时，可根据事故的具体情况采取以下措施进行补救：

（1）凿除已浇筑的混凝土，重新清孔换浆进行浇筑。

（2）在防渗墙上游侧补贴一段新墙，并保证与旧墙和两端槽孔混凝土连接完整，达到防渗标准。

（3）在发生事故的部位上游侧进行钻孔灌浆，形成一段帷幕对事故部位进行补救，达到防渗标准。

（4）在发生事故的部位上游侧进行高喷灌浆，形成一段高喷防渗墙对事故部位进行补救保护，达到防渗标准。

6 结 语

湘乡市合东水库大坝渗漏问题，通过采用钻劈法建造塑性混凝土防渗墙和坝基帷幕灌浆后，经过了几年的考验，防渗效果显著，坝下游渗漏现象得到了彻底地解决，下游水塘多处泡泉点和坝脚集中渗水点基本消失。实践证明，塑性混凝土防渗墙技术在合东水库中的应用是成功的，施工质量满足设计要求，达到了预期防渗效果，各项质量检测指标均能符合设计和相关规范要求。说明钻劈法建造塑性混凝土防渗墙技术在大、中型水库坝体防渗处理上是一项可行的、有效的新工艺，具有广泛的应用前景。

1 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.