龙圣洞水库防渗墙施工中产生坝顶裂缝的原因分析和应对措施

徐砜

（湖南百舸疏浚股份有限公司 长沙市 410007）

龙圣洞水库防渗墙施工中产生坝顶裂缝的原因分析和应对措施

徐砜

（湖南百舸疏浚股份有限公司 长沙市 410007）

混凝土防渗墙技术已广泛应用于病险水库土石坝的防渗加固中，但在工程施工中，由于坝体土本身质量、施工等原因，坝顶常出现纵向裂缝。在龙圣洞水库防渗墙液压抓斗成槽过程中，槽孔下出现了塌孔现象，与此同时，混凝土导轨出现了下沉并产生裂缝。水库曾经垮过坝，原坝体填土质量较差，时值防渗墙施工中正是雨季，大坝土体含水量渐趋于饱和，进入槽段两侧的渗流水引起空隙水压力上升是造成裂缝的主要原因；布置在坝顶的混凝土防渗墙在施工期容易产生纵向裂缝。在施工中应加大分期成槽间距，缩短槽段长度，缩短成槽后到混凝土浇筑间隔时间，增加护壁泥浆浓度，同时避免在雨季施工。

混凝土防渗墙技术 混凝土导轨 裂缝 处理措施

1 工程概况

1.1 工程简介

龙圣洞水库位于清泉县西北部浣溪镇境内，地理位置坐标为东经121°51′52″，北纬33°46′05″，距浣溪镇10.0 km，距清泉县城30.0 km。

水库坝址控制集雨面积23.1 km2，多年平均降雨量1 533.0 mm。正常库容964.6万m3，总库容1 010.2万m3，灌区设计灌溉面积为0.31万hm2（4.72万亩），保护下游耕地0.27万hm2（4.1万亩），保护人口1.5万人，电站装机2×200 kW，是一座以灌溉为主，结合防洪、发电、城镇供水、养殖等综合效益的中型水利工程。

枢纽工程由大坝、溢洪道、输水建筑物、电站等组成。水库正常蓄水位304.0 m，相应正常库容984.6万m3；设计洪水位304.84 m，相应库容1 027.0万m3；校核洪水位305.10 m，相应库容 1 040.2万m3；死水位272.50 m，相应库容31.0万m3。

大坝为粘土心墙坝，坝顶高程为306.57 m，坝基高程264.3 m，最大坝高42.27 m，坝顶轴线长为463 m，坝顶宽为6 m，上游坝坡坡比为1∶1.8～1∶3.75，下游坝坡坡比1∶1.5～1∶2.75。

1.2 原坝体土质量状况

（1）龙圣洞水库大坝分三个阶段建设而成，第二阶段大坝填筑至30.85m后，在1975年10月库内连续降特大暴雨，洪水漫顶后导致垮坝；垮坝复工后，新老坝结合面处理质量未达到设计要求，溃坝后的土体未能得到彻底清除。

（2）大坝填筑土90%的土料为灰岩风化溶蚀的残积土，10%左右的土料为砂岩风化残积的粘土夹碎石，大坝心墙主要由含砾的粘土、粉质粘土填筑而成，其粘粒含量的平均值为37.28，最大达42.5%，最小为30.1%；施工采用人工挖运、人工平仓、人工夯实等方式，压实质量未能达到规范要求。

（3）坝体填土含水量过高，整个坝体抗剪强度偏低；1975年溃坝后的土体未能得到彻底清除，上游坝脚干砌石挡墙直接建于滑移土体上，大坝上、下游坝的抗滑稳定安全系数均不满足规范要求。

2 防渗墙设计指标

混凝土防渗墙位于原大坝坝顶中间， 沿坝轴线布置，墙顶高程305.73 m，墙体厚度为0.6 m，墙底高度263.92 m，最大墙深约44.8 m，工程量15 050 m2，抗渗等级W6。防渗墙嵌入岩层深度为1.0m。混凝土防渗墙起讫桩号0+028～0+463，长435 m。

坝基帷幕灌浆孔位于防渗墙体正下方， 在浇筑防渗墙混凝土时预埋¢130焊管作为灌浆管道。大坝单排帷幕灌浆范围为0+000-0+463,双排帷幕灌浆范围为0+283-0+322段。孔距2 m，排拒1.5 m，分3序孔施工。 灌浆底界深入强风化层或相对不透水层地基，防渗标准为q＜10 Lu。

按照设计要求，施工顺序为先浇筑混凝土连续防渗墙，再利用预埋灌浆管进行坝基帷幕灌浆。

本工程导向墙采用直型导墙形式， 导向墙净宽为0.80m,深度为1.2 m，直样形混凝土导墙宽度1 m，导墙顶部高出施工平台面0.01 m，以免积水流入槽内。防渗墙施工总长度为435m,设计成槽段长度为一期6.4 m、二期5.6 m。 槽段施工分一期、二期成槽施工，导墙及槽孔布置形式见图1。

图1 导墙及槽孔布置形式

3 成槽施工裂缝产生过程

（1） 槽孔塌孔。 本工程防渗墙成槽采用液压抓斗开挖土体， 进入基岩面后， 换用冲击钻钻入基岩1.0 m，施工方在采用液压抓斗开挖38#槽孔的施工过程中槽孔内出现了塌孔现象。 本工程防渗墙设计槽段长度为6 m，在土体槽孔建造时Ⅰ序孔采用“三抓法”，即先抓左右侧2.8 m，再抓中间0.8 m（液压抓斗宽度为2.8 m），再调用冲击钻入基岩1 m；Ⅱ序孔采用“两抓法”，38#槽孔属于Ⅱ序孔施工，第一抓已挖至基岩面，开挖深度40 m，第二抓开挖至20 m左右深度的时候出现了塌孔现象（据液压抓斗操作工事后陈述，第二抓15 m深度以上进尺相对其它槽孔而言容易很多，其它槽孔抓斗进尺约30 cm，而38#槽孔第二抓进尺约60 cm，15 m以下进尺恢复正常进尺标准），发生塌孔现象后，操作工在驾驶室内感觉机身有往前倾斜感觉，立即停止了抓孔进尺，将液压抓斗机械移到了安全位置。

（2） 混凝土导轨下沉及坝顶产生裂缝。 在发现槽孔塌孔的相同时段，38#槽孔下游侧混凝土导轨瞬间发生了沉降， 混凝土导轨靠大坝下游侧作业平台出现了泥浆涌出地面的现象， 施工平台局部有下沉迹象，（下沉幅度50 cm左右），混凝土导轨在0+208和0+286桩号段分别出现了拉裂现象，混凝土导轨沉降变形后，与已浇筑的混凝土防渗墙产生了（3～5）cm不等的裂缝，裂缝深度通过测绳吊钢筋预测达25 m， 通过现场施工人员检查变形及沉降混凝土导轨长度达120 m，具体为大坝0+208～0+328桩号段。（注：在塌孔及混凝土导轨沉降过程中及发生后一段时间，槽孔始终没有发生漏浆现象）

4 裂缝产生的原因分析

此险情发生后， 一方面督促施工单位采取工程措施防止裂缝进一步扩张（譬如对塌孔槽孔回填干土，抽排导向槽内的积水，清除坝坡荷载等），另一方面向上级及时作了汇报，组织相关水利专家及设计、监理单位对此现象进行研究、分析，制定处理措施。

（1） 原坝体土本身质量问题。 老坝体填筑质量较差，密实度不够，土体空隙发育，含水量偏高，抗剪强度不均匀。通过对《龙圣洞水库除险加固工程技施设计报告》的阅读及研究发现：大坝填筑土90%的土料为灰岩风化溶蚀的残积土，10%左右的土料为砂岩风化残积的粘土夹碎石， 大坝心墙主要由含砾的粘土、粉质粘土填筑而成；施工采用人工挖运、人工平仓、 人工夯实等方式， 压实质量未能达到规范要求；而且大坝在1975年垮过坝，溃坝后的土体未能得到彻底清除，造成原坝体新、老结合面处理未能达到规范要求。 由于坝体碾压质量较差，密实度不佳，造成土体空隙发育，从而在造孔施工中，出现了劈裂现象，此次产生塌孔及裂缝的桩号段正是原来垮坝的部位。

（2） 坝顶施工外荷载的影响。 由于近期雨水比较丰沛，况且液压抓斗机械自身重量较重（80t），坝顶受上覆压力的影响，加上施工机械的外荷载，特别是机械长时间的振动，影响了槽段的稳定。

（3） 空隙水压力上升的影响。 现假设在该土体单元附近开展了防渗墙成槽施工，槽内充满了护壁泥浆，此时水源源不断渗入到土体单元ó中，空隙水压力升高了⊿u，图2中的圆2向左移动至圆3位置，并与有效强度包线相切，这时土体就发生剪切破坏。沿槽段轴线方向的土体发生剪切破坏，就会出现纵向裂缝。 裂缝出现后，槽内水加速向土体渗流，引起土体的空隙水压力加速上升， 从而引发沿坝轴线方向的劈裂现象。 对于防渗墙布置在坝顶位置的情况，由于防渗墙轴线靠近最小主应力面，因此更容易发生劈裂现象。

图2 防渗墙成槽施工过程中引起的土体应力变化图

（4） 坝顶施工平台堆载的影响。 施工方在坝顶防渗墙成槽施工中， 将液压抓斗开挖出来的泥浆就地堆放在施工平台下游侧坝坡上，增加了坝顶荷载，是导致坝体沿下游方向滑动的因素之一。

（5） 坝体土质含水量的变化。 由于施工时段雨水比较丰沛，致使坝体上部土体呈饱和状态，从而导致坝体浸润线抬高，槽壁下游侧粘土内摩擦角减小，下滑力增加，加上坝顶施工外荷载的影响，继而诱发了槽孔外壁粘土体由外而内产生了弧状倾覆， 最终导致砼导轨发生沉降及裂隙。

由上所述，由于原坝体土质松软，施工外荷载的影响，土质含水量的变化及空隙水压力的上升，加上堆放在坝顶的弃土的下滑牵引力， 致使在防渗墙成槽施工中沿坝轴线方向产生了一条连续的裂缝。

5 裂缝预防与处理措施

5.1 预防措施

（1） 清除坝体堆放弃土。 责成施工方立即清除堆放在坝顶的弃土，并对下游一级坝坡削坡减载，保证卸载后的坡比不陡于1∶1.75。恢复防渗墙施工后，成槽开挖出来的泥浆当天必须清除外运。

（2） 加大槽段间隔，缩短槽段长度。下一步的成槽施工中，将槽段分Ⅰ、Ⅱ期施工改为分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期施工，并将原槽段长度6 m改为3 m；以期减少对坝体的纵向扰动，延长渗流水的渗径，这样不容易产生贯穿裂缝。

（3） 采用合适的泥浆护壁。 泥浆中的土颗粒进入土体中的空隙后，对空隙起封闭作用，减缓了空隙水压力的上升速度，有利于减少裂缝的产生；因此在施工中应严格控制泥浆比重、粘度、静切力、泥饼厚度等参数，适当掺加增强浆液粘滞度的外加剂。泥浆浓度也不宜太大，否则作用在槽壁的土压力会增大，对坝坡稳定不利。

（4） 缩短成槽到混凝土浇筑的时间。 槽孔内的水是慢慢渗入土体的，时间越长，渗入的水量越多，空隙水压力上升幅度也愈大，容易产生裂缝，因此施工中应尽量缩短从成槽到混凝土浇筑的时间。

5.2 处理措施

（1） 浇灌粘土水泥浆。 对坝体裂缝进行跟踪变形监测，每日两次，倘若裂缝趋于稳定没有扩展，等汛期过后，先进行下游坝坡透水料的培厚，待培厚成型，大坝的抗滑稳定系数满足设计要求后，再对裂缝进行套管灌粘土水泥浆，控制灌浆压力＜5 N/cm2。假如在下游坝坡没有培厚， 大坝抗滑稳定系数不满足设计要求的前提下进行裂缝灌浆处理， 浆液对坝体槽壁土体的侧向压力可能造成裂缝的进一步扩张，一旦出现这种险情，处理起来将更加棘手和复杂。

（2）在裂缝两端设减压井。在已经形成的裂缝两末端设置减压井， 已降低作用在坝体的承压水头及渗透压力，约束裂缝的进一步发展。

2017-02-16）

徐砜（1982-），男，大学本科，从事水利水电工程施工与管理工作。