柏峰水库主坝混凝土防渗墙防渗处理效果分析

葛龙进，曾 锃，胡允楚 ，黄 婵 ，叶俊飞 ，吴民正

(1.浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002；2.浙江省义乌市水务局，浙江 义乌 322000)

0 引 言

我国大部分黏土心墙坝兴建于20世纪50-70年代，受当时条件限制，普遍存在填筑密实性差、土质混杂、防渗性能差或心墙基础清基不彻底等状况，造成心墙变形、开裂、渗漏等问题[1]。从浙江省已完成除险加固水库来看，黏土心墙存在压实度偏低，渗透系数偏大[2]，心墙下游面无反滤保护或反滤层高度不够等问题；部分心墙存在贯穿性纵向裂缝[3]；部分存在分散性土。其他省份水库也存在类似问题：如河北大洋沟水库，心墙部分地段为含细粒土粗砂，该层渗透系数为8.2×10-4cm/s[4]；甘肃的锦屏水库，坝体存在横向的表层及内部裂缝[5]。

压实度偏低、渗透系数偏大造成心墙防渗性能差，浸润线偏高，渗漏量偏大；心墙变形、开裂易造成集中渗漏、冲蚀、管涌及水力劈裂。轻者影响水库效益，严重时会对大坝安全构成威胁，需及时进行除险加固处理。除险加固措施主要有黏土套井回填、混凝土防渗墙、上游坝面土工膜或斜墙等。近几十年来，水利工作者对混凝土防渗墙进行了大量研究，研究领域从最初的施工工艺、质量检测，逐步向墙体材料、混凝土配合比、应力应变分析和混凝土耐久性研究等方面深入，为混凝土防渗墙的推广应用提供了强大的技术支撑。

1 工程概况

义乌市柏峰水库位于东阳江支流吴溪上游柏峰村，水库控制集水面积23.4 km2，水库总库容2 267 m3，正常蓄水位122.50 m。工程按50 a一遇设计，2 000 a校核。柏峰水库是一座以供水和灌溉为主，结合防洪等综合利用的中型工程。

原水库主坝坝型为黏土心墙砂壳坝，最大坝高38.5 m，坝顶高程126.13 m，防浪墙顶高程127.13 m。原副坝为均质坝，坝高18.5 m。经30 a以上的运行，主坝在坝体渗流稳定、坝坡稳定、坝基渗漏和坝肩绕坝渗漏等方面存在安全隐患，威胁大坝安全和水库效益的发挥。经核查，水库大坝认定为三类坝，需进行除险加固[6]。

2 混凝土防渗墙设计与施工

2.1 混凝土防渗墙设计

工程经C25混凝土面板、坝面土工膜、坝体混凝土防渗墙以及黏土套井4个方案比较，最终选定坝轴线混凝土防渗墙加固方案[7]。防渗墙顶高程124.40 m，防渗墙轴线与坝轴线重合，并贯穿坝体嵌入弱风化基岩内，左右两岸设混凝土岸墙与坝基紧密连接，形成封闭的防渗系统。两岸防渗墙地基实施帷幕灌浆，并与左岸溢洪道帷幕相连。主坝加固断面见图1。

混凝土防渗墙弹模指标E28 d=4 000～6 000 MPa，C28 d≥8 MPa；墙体厚度0.8 m，墙底深入弱风化基岩0.8 m[8]。

2.2 混凝土防渗墙施工

主坝混凝土防渗墙于2009年1月采用“钻劈法”成槽施工，共27个槽段。最大墙深43.5 m，墙体厚度0.8 m。两坝头的岸墙基础置于弱风化岩石上。

原主坝坝下涵管在7号槽段，于1996年进行了封堵处理。混凝土防渗墙截断老涵管后，伸入弱风化岩石0.8 m。在该部位的造孔与混凝土浇筑施工中，未出现明显的漏水、漏浆等异常情况。

防渗墙达到设计强度后，采用地质钻机造孔，对两坝头墙基实施帷幕灌浆处理，单排孔距2.5 m，孔深伸入基岩14～25 m。灌浆压力接触段为0.4 MPa，以下按每米0.02 MPa递增。

图1 主坝加固断面Fig.1 Reinforcement section of main dam

3 防渗墙质量检测

3.1 混凝土试块检测

混凝土试块按规范要求制作后，运送至有检测资质的检测单位进行检测，检测结果见表1。

从表1可以看出，混凝土试块的试验组数符合规范要求，混凝土强度保证率在95%以上，离差系数小，试验结果符合设计要求。

表1 主坝防渗墙混凝土试块检测成果

注：表中判别式按普通混凝土试块按《水利水电施工质量检验与评定规程》附录C执行，n≥30按表C.0.1判别，称判别式①；5≤n<30 按表C.0.2判别，称判别式②；2≤n<5按表C.0.3判别，称判别式③。

3.2 混凝土防渗墙超声波检测

防渗墙施工完毕3个月后，对混凝土防渗墙进行超声波的双孔单发单收试验[9]及钻孔电视[10]，以检测防渗墙混凝土的均质性和密实性[11]。共检测了防渗墙5、6、16、17、23、24号槽段9个孔，超声检测结果见表2。

表2 主坝防渗墙对孔声速范围及其统计结果Tab.2 Sound velocity range and its statistical results of seepage prevention wall of main dam

检测结论：主坝防渗墙的检测波速均在2 500 m/s以上，且离差系数小，混凝土均质性、密实性好；槽段与槽段间未发现无明显的夹泥层，连续性好；主坝被检测槽段沉渣已基本清理干净，接触面结合良好。

4 防渗处理效果分析

4.1 防渗措施特点

本工程的防渗措施具有以下特点:

(1)采用弹模与强度稍高于塑性混凝土的低弹模混凝土防渗墙(根据有限元计算结合已建成且运行良好的工程实际经验，本工程选取弹模5 000 MPa作为质量控制标准)，既能适应不均匀受力及相应的变形，又有较高的耐久性，是浙江省病险水库土石坝坝体防渗处理最主要的措施之一[12]。

(2)采用嵌固式防渗墙，穿过坝体与坝基接触段这一薄弱环节，并伸入弱风化岩石一定的深度，避免接触渗漏与接触冲刷。

(3)采用0.8 m厚防渗墙，满足抗渗性与耐久性的要求，施工方便，经济合理[13]。

4.2 库水位与墙前墙后渗压计水位对比分析

水库主坝渗压计布置：横向3排，纵向5排，各断面布置渗压计9～11只，各点1～3只，渗压计具体布置见图2。

图2 柏峰水库主坝渗压计布置Fig.2 Osmometer layout of main dam of baifeng reservoir

渗压计自2009年4月至10月埋设完毕后，获得2011年1月1日至2012年11月(2012年12月以后水库放空，进入除险加固二期施工)较完整的渗压计实测水位资料，横向上各排渗压计实测水位过程线见图3～图5。

图3 G1排渗压计实测水位过程线Fig.3 Measuring water level process line of osmometer of G1 row

图4 G2排渗压计实测水位过程线 Fig.4 Measuring water level process line of osmometer of G2 row

图5 G3排渗压计实测水位过程线Fig.5 Measuring water level process line of osmometer of G3 row

根据库水位的涨落与渗压计水位的关系可以看出：

(1)2011年1月1日至2012年11月1日期间，库水位变幅较大，最高水位达到约120 m，最低水位约为104 m，相差近16 m。防渗墙上游侧渗压计G1-2、G1-5、G2-1、G2-5、G3-1、G3-5实测水位随库水位的涨落而起伏，受降雨、渗流等因素影响，渗压计水位存在不同程度的滞后，但变化步调基本一致，具有较好的相关性。防渗墙下游侧渗压计G1-7、G1-9、G2-7、G2-10、G3-7、G3-10、G3-11实测水位随库水位的涨落而保持基本稳定，越远离防渗墙，水位稳定性越好，与库水位相关性差。

(2)G1断面防渗墙上游侧1.5 m处渗压计G1-5水位与下游侧1.5 m处渗压计G1-7水位差约7～14 m，G2断面防渗墙上游侧1.5 m处渗压计G2-5水位与下游侧1.5 m处渗压计G2-7水位差约9～16 m，G3断面防渗墙上游侧1.5 m处渗压计G3-5水位与下游侧1.5 m处渗压计G3-7水位差约9～14 m。防渗墙上下游水位降幅明显，各断面的水位降幅较接近，进一步说明混凝土防渗墙总体质量较稳定，防渗效果较理想。

4.3 加固前后坝体浸润线对比分析

2015年7月12日，水库水位达到正常蓄水位122.5 m。加固前渗流分析计算的坝体浸润线与加固后实测浸润线见图6。

图6 加固前后坝体浸润线对比Fig.6 Comparison of immersion line of dam before and after reinforcement

由图6可看出：在正常蓄水位的条件下，加固后下游坝体浸润线比加固前渗流分析计算的浸润线低10 m以上，降幅较大，不但改善了渗流条件，同时增加了下游坝坡的稳定性。防渗墙前后水位差达到20 m，墙的渗透比降[J]=250，满足允许渗透比降[J]≥100的设计要求，抗渗性能优良。

4.4 防渗墙耐久性检验方法与手段

防渗墙耐久性的评价指标是长期防渗效果，影响长期防渗效果的主要因素是墙体的整体性与墙体材料的密实性[14]。

影响墙体抗渗性能主要因素是混凝土内部裂缝，裂缝的产生与墙体材料、施工条件、施工工艺以及墙体本身的受力条件相关，运行期的应力状态直接影响着后期裂缝的发展，墙体应力状况可以通过应力计算与应力应变监测资料来进行检验和分析。从浙江省已建工程相关监测资料成果反映，防渗墙应力满足设计要求，防渗墙混凝土横截面大部分处于受压状态，不同高程的水平位移变化幅度较小，上下游方向位移量均在正常范围内(均小于其墙深的0.3%)[15]。

防渗墙的长期密实性主要取决于是否产生渗漏与与溶蚀。防渗墙厚度一定时，其安全使用寿命与防渗墙的水泥用量成正比，与防渗墙的渗漏量、CaO的溶蚀量成反比，具体检验方法可采用溶蚀试验[14]。根据施工时的配合比制成试件，试验可参照《土工试验规程》(SL237-1999)。试验时除对试样渗漏水进行收集外，定期测试渗透系数和CaO溶出量，根据测试结果进行分析判断。本工程采用的配合比：水胶比采用0.57，水泥用量332 kg/m3，膨润土掺量占胶材总量的25%，弹模5 120 MPa。由此浇筑的混凝土，既保证了低弹模，又保证了一定的水泥用量与混凝土强度，从而提高混凝土的耐久性。

5 结 语

(1)本文以柏峰水库主坝防渗加固为例，针对心墙坝的共性问题，开展工程应对措施及监测检测方法研究，研究成果可为类似工程提供借鉴。

(2)低弹模混凝土防渗墙兼顾了低弹模与混凝土强度，满足抗渗性和耐久性，已在我省多座水库加固中成功运用，应用前景广阔。混凝土试块、超声波检测、墙前墙后水位及加固前后坝体浸润线等监测检测方法可用于防渗墙有效性评价；应力计算、应力应变监测资料分析、混凝土溶蚀试验等综合方法与手段可用于防渗墙耐久性评价。

(3)为确保防渗墙的长期有效，建议在运行管理中加强监测及资料分析，开展相关的试验工作，发现问题，及时采取处理措施。