面板堆石坝施工期反渗水问题及处理措施研究

宿 生，李晓伟

(海南蓄能发电有限公司，海南 海口 570311)

混凝土面板堆石坝由于良好的安全性、经济性和适应性，在水利水电工程中得到了广泛应用。我国自20世纪80年代采用现代技术修建混凝土面板堆石坝以来，相继建成了天生桥一级、公伯峡、水布垭等一批代表性工程，取得了筑坝技术的重大进步。

在面板堆石坝施工过程中，由于坝体结构、施工组织等方面的原因，施工期反渗水问题往往难以避免，对坝体施工质量及大坝安全有较大影响，必须予以妥善处理。

1 施工期反渗水问题产生的原因

1.1 坝体结构方面

面板堆石坝的坝体分区设计一般考虑坝料的渗透稳定，即上游坝料渗透性小于下游坝料。但这种坝料分区设计必然造成坝体承受反向水渗水压力的能力较弱。天生桥一级面板堆石坝试验表明，3m宽垫层在约4.0m反向水压力情况下即可能出现管涌型渗透破坏，珊溪面板堆石坝2m宽垫层在约3.0m反向水压力情况下即可能产生管涌和流土过渡性破坏[1]。

国内学者计算分析表明，混凝土面板承受反向渗水压力能力极为有限。刘永开假设混凝土面板为板式梁、底部周边缝处约束为铰支座，推导出支座破坏前后不同反向渗水压力下板式梁的最大弯矩及出现的位置，计算表明50cm厚、双向配φ22@200钢筋的混凝土面板在5.78m反向水压力下即达到其抗弯承载力[2]。

1.2 地形方面

由于面板堆石坝趾板对基础要求较高，一般要求开挖至弱风化基岩，必然造成趾板建基面低于下游堆石区建基面，形成坝址区高程最低的凹坑，具备水流汇集条件。

坝基集雨面积内的降雨径流、围堰及两岸基岩渗水、各类施工用水则为反向渗水的形成提供了水源条件。

1.3 施工组织方面

统计已建和在建的面板堆石坝工程，其下游围堰一般不做专门防渗处理，导致施工期通过下游汇入坝体内的水量较大，特别是趾板下挖较深的工程，施工期反渗水更易对坝体产生危害[3]。

围堰挡水后，坝体内渗水量受地下水位影响将有所增加。受围堰度汛标准限制，汛期一旦洪水翻过围堰，淹没趾板基坑，则后续抽水过程中上游垫层坡面或面板也面临反向渗水压力的威胁。

2 施工期反渗水的危害

2.1 表现形式

(1)在大坝填筑过程中，如反渗水聚集在趾板下游侧不能及时引排，则将造成该区域垫层料、小区料等含水率过高，从而在碾压过程中不易压实，形成所谓的“弹簧土”[4]，影响填筑质量及进度。

(2)反渗水压力超过垫层料临界水力比降后，将从上游面逸出并造成垫层料的渗透破坏。垫层料(含小区料)一旦破坏，修复施工非常困难，且回填坝料的压实难以保证，特别是周边缝区域如坝料空隙率过大，则极有可能在运行期发生较大变形，造成止水系统破坏。

(3)混凝土面板及止水体系施工完成(或部分完成)后，如反渗水压力超过面板承载能力，将造成面板表面开裂，甚至出现抬动破坏。面板一旦抬动将严重破坏面板及止水体系，使其无法正常工作，其中周边缝止水将撕裂或从趾板混凝土中拔出，面板将折断鼓出且下部区域将出现脱空。面板抬动破坏后的检测及修复补强施工极为复杂、困难，代价高昂，并给坝体后期正常运行留下隐患。

(4)如坝体上游垫层料采用挤压边墙护坡，则反渗水压力可能造成挤压边墙脱坡坍塌，其原理与面板抬动破坏类似。

2.2 部分工程反渗水破坏情况

根据文献报道情况，国外塔斯马尼亚水电局[5]在初期面板堆石坝施工中，曾发生过反渗水损坏面板的事故，国内也有多座面板堆石坝在施工期受反渗水破坏，见表1。

3 施工期反渗水处理措施

国内面板堆石坝工程在实践中积累了较为成熟的施工期反渗水处理经验。总体而言，反渗水处理方案应综合考虑地形、地质、气候及现场施工布置等因素，采取截排结合、以排为主的方法。具体来说，就是通过围堰、截水沟等措施避免外水进入基坑，同时在坝体内布置排水管、集水井等对内水进行抽排。

本文主要对施工期反渗排水措施的布置进行讨论。

3.1 施工期反渗排水方案

根据现有文献报道情况，面板堆石坝施工期反渗水的处理一般采用预埋反向排水管自流后在趾板上游集中抽排及设坝内集水井抽排的方法，其中珊溪、白溪、滩坑、三板溪、柴石滩、龙马、引子渡、柏叶口、开茂、巴贡(马来西亚)等工程采用了预埋反向排水管方案，天生桥一级、公伯峡、水布垭、吉林台一级、斜卡等工程采用了反向排水管结合坝体集水井的方案，并均获得了成功[11- 12]。

可见采用反向排水管进行坝内反渗排水方案已获坝工界认可，并取得了广泛应用。在此基础上，在坝内布置反渗集水井可提高反渗排水的保证率，并能灵活应对各种情况下的反向排水管堵塞失效事故，也可为后期反向排水封堵提供便利。但布置集水井对坝体填筑及面板混凝土浇筑有一定的干扰，且增加了后期集水井回填、封堵工作量。

表1 国内部分面板堆石坝反渗水破坏情况[6- 10]

实际工程建设过程中，应结合工程实际情况，在确保工程安全的前提下，选择经济、适用的反渗排水方案。

3.2 施工期反渗排水设计

3.2.1反渗水量的确定[13]

需进行引排处理的坝体总渗水量一般包括以下部分：集雨面积内的降雨汇水、地下渗水、施工用水等。

集雨面积内的降雨取值可考虑选取代表时段的平均降雨量，并根据坝基周边截排水设施布置对总汇水量进行折减取值；地下渗水包括围堰、坝基及边坡渗水等，可在围堰防渗、坝基开挖完成后实测确定；施工用水来源包括坝料加水、坝面洒水、灌浆等，可结合施工方案取值。

坝体总渗水量(一般以m3/h为单位)确定后，可进一步确定反向排水管数量、管径及抽水需要的水泵参数。

3.2.2 反向排水管的布置

综合各工程情况，反向排水的布置基本类似，区别仅在于反向排水管的数量、管径、材质、外露长度、坝体内花管段排水体设置等。一般的布置原则为：

(1)反向排水管与坝内横向碎石排水体形成纵横联系的排水系统，确保坝内积水能顺利自流排出。

(2)反向排水管一般布置在河床段高程较低部位，坝外伸出趾板顶部，坝内深入主堆石区一定范围，并设一定长度的花管段，外包不锈钢滤网，接碎石排水体。

(3)排水管横向布置应考虑趾板分块及地形等因素，并应注意保证渗水量较大区域的排水能力。

图1为某工程施工采用的反向排水管布置型式，河床趾板处设置3根φ200反向排水管，间距均匀分布6m，出口外露5cm，内部伸向堆石区1m，在堆石区2.0m范围内设置排水体；伸进排水体内钢管采用花管，排水孔口包2层不锈钢滤网。

3.2.3 坝内集水井的布置

坝内集水井的布置一般与反向排水管相结合，且以自流排水为主，集水井抽排为辅。其具体布置也宜结合坝体内渗水情况、施工度汛要求等综合考虑。如水布垭工程坝内集水井的布置情况[13]，在距离趾板后部25m的堆石区设置2个集水井(直径2.0m)，排水井由2层圆形钢筋网围成，之间填充级配碎石净料，钢筋网外填1m厚的过渡料；在河床段共设6根排水钢管(直径20cm)与排水井联合工作。

3.2.4 反向排水的封堵

反向排水的封堵施工关系到混凝土面板防渗系统的安全，对封孔时间、封孔顺序、面板上游铺盖回填速度、面板下游水位上升速度、面板承受的反向水压力等均应进行详细分析和研究。

图1 某工程反向排水管布置典型剖面图

封堵施工应待面板及止水施工完成，选择在枯水期晴好天气时进行，尽可能抽干基坑内积水，并停止坝区内施工用水。

根据坝体总反渗水量及面板后坝体性状、坝料空隙率等，可以求得反向排水封堵后坝内水位上升高度与时间的近似关系。一般而言，根据面板下游侧水位上升速度，并考虑一定富裕度的情况下，上游铺盖填筑强度较高，一般是难以达到的。

为稳妥起见，反向排水管的封堵宜分批进行，先封堵出水量较小的排水管，再结合坝前铺盖填筑情况陆续封堵剩余排水管，最后封堵的排水管附近可结合面板压重设置挡土墙对排水管出口进行保护，形成集水井对渗水进行抽排。待排水井以外的区域铺盖足以抵消下游反向水压力时，立即进行最后1根反向排水管的封堵。

(1)用竹竿裹纱布清洗排水管内壁，然后塞30cm白麻至排水管深处，再填筑30cmSR塑性填料。

(2)采用自流方式进行灌注预缩砂浆，灌注至孔口后采用钢筋对砂浆进行振捣密实。

(3)在孔口5cm填筑SR塑性填料。

(4)孔口周围50cm×50cm范围内基面清理干净，采用SR塑性填料找平，用50cm×50cm(长×宽)的6mm氯丁橡胶片和2cm厚钢板进行孔口封闭，钢板采用膨胀螺丝固定。

(5)钢板外侧浇筑C30混凝土保护墩，混凝土结合面凿毛处理。

图2 某工程反向排水管封堵布置图

3.3 其他需注意的问题

(1)为减少汇入坝体内的水量，应在基坑外侧及左右坝肩适当位置设置临时截水沟，对地表水引排。同时，应尽可能避免其他作业面施工用水排入坝体基坑区域。

(2)在坝体下游可考虑布置排水井将下游积水抽出围堰外，减轻上游排水负担。

(3)做好反向排水管的日常检查、维护，发现堵塞及时进行疏通。汛前应将趾板基坑及边坡上的杂物等清理干净，避免随雨水流入基坑。

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4 特殊情况的处理

4.1 汛期洪水淹没基坑后的抽排水

汛期洪水淹没基坑造成反向排水堵塞失效是多个工程面板抬动破坏的直接原因。由于洪水携带的大量泥沙可能淤积并堵塞反向排水管出口，洪水过后基坑抽水可能对上游坡面或面板产生反向水压力，因此抽水过程应十分小心，尤其应重视以下方面：

(1)抽水速度应尽可能慢(下降速度0.5～1.0m/d)，必要时通过监测仪器及时监控坝内水位，确保不出现反向水压力；关注面板钢筋计、三向测缝计等的测值变化情况，掌握面板工作状态。

(2)抽水过程中发现面板表面鼓出、错位，或钢筋计、三向测缝计测值异常等情况时，应立即停止抽水并向基坑反抽水平压。

(3)如分析确认反向排水管已失效，则后续抽水过程中应在面板上随水位下降同步打孔降压。

如果坝内未布置内水位监测仪器，或仪器失效、不能准确监测坝内水位，也可考虑在面板上试验性开孔排水减压辅助抽水，以策安全。

排水孔排距采用1.0～2.0m，孔径以小于100mm为宜，并在孔口充填过滤材料，防止垫层区细料掏空。

(4)抽水完成后，及时对基坑进行清理，并对反向排水管进行疏通，直到排水通畅。

4.2 寒冷地区面板堆石坝越冬期反向排水保护

国内高纬度地区修建的面板堆石坝，则面临冬季反向排水管因水体结冰而堵塞失效的风险，必须采取可靠措施，保证坝体内积水不冻结，主要措施包括：

(1)保证排水通畅，确保坝体内的渗水处于流动状态。必要时采用电极对坝体反向排水管进行加热。

(2)做好面板的冬季表面保温，如具备条件可在越冬前进行盖重填筑。

4.3 面板抬动后的处理

一旦出现反渗水压力引起的面板抬动，须采取稳妥的处理措施，并注意以下方面：

(1)尽快疏通反向排水管，或在趾板、面板等部位布置足够的排水孔，降低坝内水压力，避免破坏范围进一步扩大。

(2)全面检查面板、趾板及止水系统破坏情况，为后续补强修复施工提供决策依据，包括周边缝、垂直缝止水破坏范围，面板裂缝性状、脱空范围，趾板混凝土破损情况，垫层料细颗粒流失情况等。

(3)视破坏范围和程度，采取的补强修复措施主要包括凿除受损区域并重新浇筑、止水修复、脱空区域回填灌浆、面板表面裂缝处理及加强施工缝表面止水处理等。凿除受损面板的修复施工还需注意剩余面板沿坡面的抗滑稳定。

面板抬动破坏的修复施工应力求稳妥，消除隐患，具体做法可参考国内相关工程案例。

5 结语

分析国内面板堆石坝反渗水破坏的工程案例可以发现，一些工程认识到了反向渗水危害，也采取了相应的工程措施，但施工中仍因疏忽大意或各种突发情况，出现反渗水压力造成面板抬动的事故。可见面板堆石坝反渗水处理是一个十分复杂的问题，必须因地制宜，采取针对性的措施。结合目前国内工程建设情况，建议做好以下方面：

(1)在设计阶段即统筹考虑发生反渗水破坏的可能性，制定合理、可行的反渗水处理方案，明确相关技术要求，更好地指导施工。

(2)反渗水处理方面应适当留有余地，提前制订特殊情况下的应对措施，做到未雨绸缪。

(3)加强施工期坝内水位、周边缝位移、面板钢筋受力等的监测，尤其是洪水淹没基坑后抽水等突发情况下的安全监测，为施工提供决策依据。