山东省费县许家崖水库除险加固大坝心墙设计

刘 刚

(山东省临沂市水利勘测设计院，山东临沂 276000)

山东省费县许家崖水库除险加固大坝心墙设计

刘 刚

(山东省临沂市水利勘测设计院，山东临沂 276000)

本文分析了费县许家崖水库大坝心墙存在的问题及成因，并运用当今先进的防渗加固技术，通过方案对比，择优进行心墙设计，最终确定选用塑性混凝土防渗板墙进行加固。

防渗;混凝土板墙;心墙设计

1 概况

山东省费县许家崖水库是一座以防洪、灌溉、发电、供水、水产养殖为主的大(2)型水库。大坝系黏土心墙砂壳坝，坝高32.2m，坝长1214m，总库容2.81亿 m3，于1959年10月建成。由于大坝施工中分段突击、接头不实、黏土不纯，碾压差等原因，投入运行后，曾多次出现险情，虽经多次抢修加固，病险未除。2011年10月20日，水利部大坝安全管理中心将许家崖水库定为“三类坝”。存在的主要病险为：大坝心墙填筑质量较差，大坝桩号0+040断面心墙与坝基结合部位的渗透比降大于允许值，大坝桩号1+100断面心墙与坝壳结合面的渗透比降大于允许值，下游坡面出逸比降大于允许渗透比降，部分坝段下游坡无排水体，大坝桩号0+970～1+214坝段在高水位时坝后出现渗漏明流。

2 大坝心墙存在的问题及原因

经有资质部门实地勘测和专业人员分析，大坝心墙存在的主要问题及原因如下：

2.1 土质较差，且不均匀

大坝心墙土料来源主要为第四系冲洪堆积物及少量残坡堆积物，一般呈黄褐色－灰褐色，可塑－硬可塑，含较多中粗砂，局部为黏土，土质不均匀。大坝桩号0+000～1+020段，土质以壤土为主，局部为黏土;大坝桩号1+020～1+214段，心墙土质较为杂乱，以砾质壤土为主，混杂较多的岩石碎块，局部页岩呈夹层，注水试验渗透系数为6.20×10－4～8.55×10－4cm/s;防浪墙与接高心墙未结合，其间存在0.3m的含土角砾夹层，渗透系数为4.75×10－2cm/s，具强透水性，形成渗漏通道。

2.2 碾压不实，防渗能力差

据实测实验，接高心墙壤土的压实密度实测30点，按《碾压式土石坝设计规范》标准，合格的仅2点，合格率6.7%;原心墙压实度实测128点，合格6点，合格率仅为4.7%。由于碾压不实、渗透能力强，据室内实验，渗透系数为6.04×10－7～2.82×10－4cm/s，其中大于1.0×10－5cm/s的占78.9%。

2.3 心墙与齿墙及前后砂壳结合不好

据钻探，部分坝段心墙底部直接与坝基泥灰岩接触，结合不密实。钻探过程中发现心墙与岩石结合部存在漏水现象。

上游砂壳含土角砾处于饱和状态，且砂壳厚度较小。坝后砂壳以含土角砾为主，混杂较多泥土，含砂量不符合规范技术要求。坝肩泥灰岩与心墙间存在冲刷问题。

心墙是坝体的核心，存在问题及原因已找到，除险加固设计须针对存在的问题“对症下药”。

3 心墙加固设计方案的选定

当今水库防渗加固工程技术，比较先进的有防渗板墙、高喷灌浆、劈裂灌浆等方法，这些技术各有所长，同时也存在某些局限性。该坝心墙加固究竟采用哪种方法，可以达到经济、安全、施工方便、工期短的目的，只有从心墙存在问题入手，进行方案比较。

3.1 拟定以下两个方案进行比较论证，以确定合理方案

3.1.1 方案Ⅰ：塑性混凝土防渗板墙

施工工艺是在原接高斜墙挖除回填压实前，在原心墙顶部利用薄壁抓斗造槽，并采用泥浆固壁，然后用导管向注满泥浆的槽孔内浇注掺有泥浆的混凝土置换出泥浆，浇筑成塑性混凝土墙体。

a.截渗墙轴线及高程确定。防渗墙轴线设在防浪墙中心线处，墙顶部位于防浪墙基底，高程150.50m，下端嵌入基岩面以下1m。

b.防渗板墙厚度及位置确定。墙体厚度主要由墙体允许水力坡降控制，另外要考虑施工机具和墙体寿命。墙体允许水力坡降受材料配比影响，有一定的变化范围。混凝土防渗墙允许水力坡降为80，国内一般采用80～100，塑性混凝土墙允许水力坡降为80，由此计算得，墙厚为36cm，选用墙厚40cm。另外参照《碾压式土石坝规范》(SDJ 218—84)第4.2.9条，混凝土防渗墙对于中低坝，厚度采用坝高的1/60～1/40，但不小于40cm的原则，本次设计混凝土防渗板墙厚度取40cm，符合规范要求。

c.墙体材料。防渗墙墙体下部3m范围内采用C15普通混凝土，墙体为刚性，且保证有足够的抗渗性和耐久性;以上墙体采用塑性混凝土，以充分适应心墙变形。由于塑性混凝土防渗墙弹模低，对坝体变形适应性强，近年来工程中使用较多。塑性混凝土各项指标应达到：

抗压强度：R28=2MPa(保证率80%);

坍落度：18～20cm;

扩散度：40～42cm;

弹性模量：E28=500MPa;

渗透系数：K≤2 ×10－7cm/s。

黏土黏粒含量和塑性指数应符合规范要求。

膨润土塑性指数为28，黏粒含量35%。

每立方米塑性混凝土各种材料用量见表1。

表1 每立方米塑性混凝土各种材料用量表 单位：kg

d.塑性混凝土防渗板墙施工。混凝土防渗板墙工程包括造槽和成墙两种施工工艺，造槽心墙部分采用薄壁抓斗成槽，基岩部分采用冲击钻冲孔成槽。ⓐ造槽施工。施工时在坝顶大坝桩号0+000～1+214段将原坝顶斜墙开挖至150.50m高程，并推至大坝上下游坝坡上，填筑施工平台，平台宽度要求防渗板墙上游宽度9m，下游宽不小于5m，并按施工要求做导浆平台及排浆沟。造槽是混凝土防渗墙施工成败的关键，为确保混凝土防渗墙施工质量，施工顺序为：测量放线——砌筑 C20钢筋混凝土导墙——铺设导墙钢轨——造槽机械就位——挖槽——吸泥清底，在挖槽过程中注入泥浆固壁;ⓑ成墙施工。坝体成槽采用液压抓斗成槽机5CZ—22型冲击钻配合成槽，采用“四钻三抓”法，即先将防渗墙分槽段，由冲击钻冲打导向孔，再利用液压抓斗抓土成槽。坝基岩石成槽采用CZ—22型冲击钻冲击破碎，抓斗取渣。成槽采用泥浆固壁方式，泥浆配比应严格根据规范和现场试验资料确定。

3.1.2 方案Ⅱ：高压旋喷防渗板墙

其施工工艺是利用钻机造孔，然后将喷头管送至预定位置，用高压喷嘴喷射高压射流冲击和破坏土体，同时与灌入的水泥浆掺搅混合。在土中形成凝结防渗墙体，以达到防渗的目的。适用范围：粉土、含砂量较大的砂土层。技术经济指标：最大成墙深40m，渗透参数K＜1×10－6cm/s，施工工效平均为150m2/台班。

a.高压旋喷位置范围。高压旋喷灌浆在防浪墙轴线中心线处。墙顶部位于防浪墙基底，高程150.50m下端嵌入基岩面以下1m，高压旋喷施工应在库水位较低时进行，以尽量降低地下水渗流流速，保证灌浆质量。

b.施工参数要求。高压旋转喷灌浆采用单排旋喷套接结构形成，采用二管法施工，旋喷桩的直径1.0m，孔距1.0m，成墙最小厚度0.4m;空压机的压力为0.7MPa，流量1.0m3/min，气嘴数量2个，环状间隙1.2mm;泥浆泵压力 30MPa，流量 80L/min，密度 1.5g/cm3，浆嘴数量两个，浆嘴直径2.5mm，回浆密度不小于1.3g/m3;提升速度10cm/min。

c.墙体材料。ⓐ水泥采用425号普通硅酸盐水泥，其细度、安全性和凝结时间应满足固化水泥浆性能的要求。水泥应保持新鲜，受潮结块的不得使用，为提高浆液与砂层间的粘结力，内掺水泥用量8%的FS掺加剂，以增强墙体的防裂抗渗性能;ⓑ水：配置水泥浆液的水质应符合《混凝土拌合用水标准》(JGJ 63—89)3.0.4条的规定;ⓒ水泥浆液：应按确定的配合比1∶1拌制，并应充分拌和，普通搅拌机搅拌时间不得少于30s，水泥浆处制备至用完的时间不应超过4h，浆液温度应保持在5～40℃。

d.技术要求。高喷灌浆钻孔采用冲击钻钻进方法，钻孔孔位与设计孔位偏差不得大于50cm，杆和粗径钻具的垂直偏差不超过5%，钻过暂停或终孔待喷时，孔口应加以保护，若时间过长，应采取措施防止塌孔。钻进过程中，若泥浆严重漏失，孔口不返浆时应立即停止提升，少量返浆时降低提升速度，降低喷射压力、流量，进行原位灌浆，在浆液中渗入速凝剂，或采取加大泥浆浓度、泥浆中掺砂、向孔内填充堵漏材料等措施，直到孔口正常返浆再继续钻进。高喷灌浆过程中发生串浆时，应填堵串浆孔，待灌浆孔高喷灌浆结束，尽快对串浆孔扫孔，进行高喷灌浆，或继续钻进。高喷灌浆过程中应采取必要措施保证孔内浆液上返畅通，避免造成坝体劈裂。高喷灌浆因故中断后恢复施工时，应对中断孔段进行复喷，搭接长度不得小于0.5m。高喷灌浆结束，应利用回浆或水泥浆及时回灌，直至孔口浆面不下降为止。

e.质量检验。施工后，检验的时间宜在喷射注浆28天后进行，以防在固结体强度不高时，因检验而受到破坏，检验点的数量为高压喷注浆孔数的1%，并不少于3点。检验不合格者，应在不合格的点的附近进行补喷或采取有效补救措施，然后再进行质量检验。

3.2 加固方案确定

心墙加固方案比较见表2。

表2 心墙加固方案比较

心墙加固从以上两个方案比较，方案Ⅱ虽然成墙深度大，施工速度较快，但工程可靠性差，造价高;方案Ⅰ具有技术可行、防渗效果好、较方案Ⅱ经济等优点。结合工程地质条件，从施工质量、工期、有效截断坝基砂层的透水性及可能产生的渗透变形、节省工程投资等方面考虑，确定采用方案Ⅰ。

4 结语

许家崖水库大坝心墙存在的险情，过去由于勘探不清，资料不齐，措施不力，致使险情未能根除。该设计通过实地勘探，广泛收集资料，加以科学分析，方案对比等，确定选用塑性混凝土防渗板墙进行加固。该方案具有以下优点：ⓐ对心墙现有土质比较合适;ⓑ技术可行，防渗效果好，安全可靠;ⓒ造价较低，经济合算;ⓓ施工速度快，工期短。为确保设计方案的实施，施工、监理、材料选定，必须符合规定标准。

1 顾辉，陈卫国．病险水库土石坝加固设计30例［M］．北京：中国水利水电出版社，2009．

2 山东省临沂市费县许家崖水库除险加固工程初步设计［R］．2012．

Design of Shandong Feixian County Xujiaya Reservoir Danger Removal and Reinforcement Dam Core Wall

LIU Gang

(Shandong Linyi Water Conservancy Survey and Design Institute，Linyi276000，China)

This paper analyzes problems and formation causes of Feixian County Xujiaya Reservoir dam core wall．Current advanced anti-seepage reinforcement technology is used for optimally designing the core wall．Through scheme comparison，it is ultimately determined that plastic concrete cutoff wall is adopted for reinforcement．

anti-seepage;concrete cutoff wall;core wall design

TV62

B

1005-4774(2013)08-0036-03