土石坝除险加固超薄防渗墙组合防渗技术研究

吴天奇 翟泽冰

(1.江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工结构工程技术中心，江西 南昌 330029)

混凝土防渗墙作为一种可靠的垂直防渗设施，在水利防渗工程中得到广泛应用并取得了较好的防渗加固效果[1]。混凝土防渗墙施工方法较多，有桩柱式、板桩灌输式、槽板式、泥浆槽灌注式等，各有其适应性和优势。受制于工程水文地质、防渗体结构体型、防渗深度和墙板厚度等因素，工程实践应用中单一防渗技术很难兼顾技术、经济和施工等方面，如：高喷灌浆喷射工艺对于地质适应性和防渗深度有很强优势，但对于薄(超薄)防渗墙而言，因其工程量较小，工程投资经济效益不高[2]；振动沉模技术因其施工工艺简单，对工程量较小的防渗墙，具有施工工效高、价格优势明显的特点，但其防渗深度受施工机械设备的制约，最佳防渗深度为15～20m,最深仅达25m[3]。采用2种及以上技术进行联合防渗，取各自优点进行互补，对于坝高超过25m的中小型土石坝薄(超薄)混凝土防渗墙的施工质量保障尤为重要。鉴于此，本文探讨联合传统高喷灌浆与新型振动沉模，对七里坡水库黏土心墙土石进行除险加固处理，在获得较好防渗效果的前提下，经两种施工技术的优势互补，提高了施工工效，降低了防渗墙综合造价。

1 组合防渗施工技术工作原理

对于地层相对较复杂、技术标准要求较低的中小型土石坝除险加固工程的防渗措施，设计要综合考虑地质适应性、防渗深度和工程造价等因素。振动沉模技术作为一种新型防渗技术，通过双模板交叉施工可实现无接缝、不开叉、一次连续平整成墙，成墙厚度为8～25cm，可实现薄(超薄)防渗墙成墙，在20m深度范围内具有明显经济优势，但其防渗深度浅，不能深入基岩相对不透水层成为其应用的制约因素[4]。高喷防渗墙作为一种传统防渗技术，在地质适应性、防渗深度和可深入基岩等方面均具有优势，但造价较高。针对中小型土石坝(坝高超过20m)的特点，考虑20m范围内采用振动沉模，超出及深入基岩部分则采用高喷灌浆进行联合施工，实现两种防渗技术的优势互补，在满足防渗的基础上，降低工程投资。

1.1 振动沉模工作原理

振动沉模防渗墙施工主要设备包括压模系统和注浆系统两部分，目前我国水利工程领域主要以“双模板振动沉模”为主，其施工程序为：①通过机械式振动锤将模板A沉入到设计深度土层中→②紧挨着上一模板A将模板B沉入土层中→③向压入模板A内部灌注浆液，并振动提升模板A→④启动步履式桩机沿防渗轴线前移，并再次压入模板A→⑤向压入模板B内部灌注浆液，并振动提升模板B→⑥启动步履式桩机沿防渗轴线前移，并再次压入模板B，如此循环直至完成整道防渗墙的施工。双模板振动沉模防渗墙施工程序如图1所示。

图1 双模板振动沉模施工程序

1.2 高压喷射灌浆工作原理

高压喷射灌浆(简称高喷灌浆)采用钻机钻孔，将装有特制喷嘴的注浆管下沉至设计预定深度，利用高速射流束冲击、切割土体，通过强烈扰动掺搅后凝结成连续防渗结构体，改变原地层的结构和组成，达到提高地基或填筑体防渗性能和承载力的目的[5-6]。高喷灌浆施工程序为：①灌浆试验(现场试验确定灌浆施工参数)→②测量放线、灌浆孔定位(按照施工图纸及规范要求进行桩位放样定位，并进行定位桩编号标识)→③钻孔(地质钻机回旋转进)→④下喷射管(高喷台车就位，并试喷调试喷浆系统)→⑤供气、供浆、灌浆(输送水泥浆、压缩空气及高压水进行喷射灌浆)→⑥终喷、封孔(回灌至施工平台顶部封孔)，如图2所示。

图2 高喷灌浆施工程序

2 组合防渗应用实例分析

2.1 大坝病险现状

七里坡水库修建于1977年，竣工于1980年，是一座以灌溉为主兼引水发电、城市供水等综合利用的小(1)型水库。水库控制流域面积7.52km2，总库容357.5万m3。大坝为黏土心墙坝，坝基高程561.75m，坝顶高程593.25m，最大坝高31.5m。大坝心墙基础直接置于强风化岩石上，由于受当时建设标准、技术和投资资金等因素制约，大坝未做地质勘探，且属于典型“三边”工程，质量监管缺失，施工质量较差。建成蓄水试运行时就发现局部渗漏点，给水库留下较大安全隐患，长期低水位带病运行。1996年和2003年，分别对水库进行除险加固处理，但仅限于大坝局部培厚加固、溢洪道改建等，未进行全面的安全鉴定。2015年，现场踏勘和钻芯取样试验表明，大坝砌筑质量整体较差，但结构稳定性良好，未发现明显变形及塌鼓等现象。在大坝下游坝坡右侧排水沟及坝肩山坡低洼处存在明显渗水现象，渗流量为1.2L/s。使用雷达探测和大地电导率法分别对渗水区域进行探测，表明下游坝坡马道以下桩号0+075.500～0+086.500、0+123.500～0+129.000坝段2.6～13.5m深度范围内存在软弱层，透水性较强，且呈现从坝体内至外逐渐向右偏移的发展趋势。大坝坝体填筑质量较差、坝基岩石强分化、坝体局部渗漏严重等，致使工程存在较多安全隐患且呈逐年增加趋势，急需采取合理防渗措施进行加固处理，确保水库功能正常稳定发挥。

2.2 除险加固防渗方案

防渗心墙直接置于强风化岩石上，深2.8m左右，风化岩石质地及完整性较差且节理裂隙发育，承载力较低导致坝体出现不规则裂缝。鉴于坝体土石填筑料均匀度较差、坝基岩石风化承载力低、坝体局部渗漏等问题，须通过灌浆和修筑防渗墙来提高坝基弹模、承载力和增强坝体防渗性能。鉴于七里坡土石坝最大坝高只有31.50m、防渗墙须贯穿坝顶至坝基等特点，经与劈裂灌浆和复合土工膜等防渗方案进行对比，振动沉模防渗墙施工技术不仅适用于20cm超薄防渗墙施工，同时其经济效益和防渗效果更佳。考虑到坝高31.50m已经超过振动沉模技术的最优防渗深度20m以内，设计优化确定分段联合振动沉模和高喷灌浆两种施工技术，通过两者间的优势互补，在满足防渗的基础上，提高工程施工工效和投资经济效益，即：坝体中上部(20m)采用振动沉模技术施工超薄防渗墙，厚20cm；坝基采用高压喷射灌浆以提高坝基承载力，并向上与振动沉模防渗墙连接(高12.5m)，厚5～30cm；高喷灌浆与振动沉模间搭接1m。在坝基和坝体内部自下而上浇筑施工形成连续完整的垂直防渗幕墙，经防渗墙截水、阻水达到防渗目的。大坝除险加固组合防渗方案如图3所示。

图3 大坝除险加固组合防渗结构

2.2.1 高喷灌浆施工

坝基至相对不透水层3m以上及坝体574.25m高程以下12.5m范围内均采用高压旋喷工艺进行灌浆施工，钻孔孔距0.8～1.2m(粒径大取小值),孔径不小于90mm；高压水泥浆比重1.4～1.5，泥浆压力不小于35MPa，浆量70～100L/min；压缩空气压力不小于0.6～0.8MPa,流量0.8～1.2m3/min；喷浆管提升速率6～12cm/min(漏浆严重时取小值)；喷浆管旋转速度8～10r/min，摆角360°；灌浆嵌入基岩深度不小于3m，达相对不透水层。按三序加密施工，相邻间隔要求在24h以上，严格控制施工现场质量，并根据现场施工情况合理调整灌浆参数。对灌浆过程中质量把握不定的孔应待原因查明后，严格进行复灌处理。

2.2.2 振动沉模施工

鉴于七里坡水库原防渗心墙的黏土特点，振动沉模防渗加固施工以水泥和优质黏土为主要材料。防渗板墙布置在坝体中上部20m，并分别向左右两坝肩嵌入山体10m。防渗浆液采用普通硅酸盐水泥和优质黏土配置(水泥∶黏土∶水的配比为1∶0.3∶1)，浆液比重不小于1.6。高频液压振动锤激振力为570kN，频率为1050次/min。放样测量误差不大于2cm，平整6m宽作业平台，并沿防渗墙轴线设置40cm(宽)×60cm(深)浆液导向槽，槽中心误差不大于5cm；浆液泵灌浆量30m3/h；模板浆液灌满后振动上拔提升速率2～3m/min。灌浆中要严格控制灌浆间隔时间和模板倾斜度，对于漏浆、冒浆等问题要根据现场实际情况合理采取限流、嵌缝、浓浆等补救措施，确保整个防渗板墙具有完整连续性和良好防渗质量。

3 黏土心墙土石坝防渗效果分析

3.1 坝基及坝体高喷灌浆防渗

七里坡水库土石坝坝基与基岩接触带及坝体下部12.5m范围内采用高压旋喷工艺施工，共计完成钻孔496孔，钻孔总进尺8255m。防渗墙施工结束后，现场采用围井钻孔压水和取芯样室内试验等方法进行墙体施工质量检查。根据大坝整体布置在典型部位设置4处围井，开挖进行外观质量观察，防渗墙墙体连续完整，搭接质量良好，有效墙厚(墙体最薄处墙厚约5.8cm、最宽处墙厚约30.5cm，平均墙厚约23.8cm)满足规范要求。为检测墙体抗压强度和渗透指标能否满足设计规范要求，对高喷灌浆试验的4个围井进行钻孔取芯样室内抗压强度检测和注水试验，检测结果见表1。

表1 高喷灌浆围井钻孔检测结果

表1检测结果表明，围井钻孔检测的渗透系数为6.50×10-8～9.13×10-8cm/s，满足不大于1×10-7cm/s规范指标要求；墙体单根芯样连续完整，均匀密实度好，抗压强度为2.96～4.25MPa，满足不小于2.5MPa规范指标要求。通过高喷灌浆，坝基渗漏得到合理处理。

3.2 振动沉模防渗板墙防渗

大坝高喷灌浆结束后即进入坝体中上部20m深振动沉模防渗板墙施工，总历时72天，共完成板墙(厚20cm)面积5168.80m2。通过围井钻孔取芯样直观观察，在大坝中上部形成一道连续、完整的防渗墙帷幕。防渗板墙取芯样室内试验，检测结果见表2。

表2检测结果表明，围井钻孔检测的渗透系数为1.89×10-8～4.25×10-8cm/s，满足不大于1×10-7cm/s规范指标要求；破坏渗透坡降大于500；墙体单根芯样连续完整，均匀密实度好，抗压强度为4.65～6.28MPa，满足不小于4.0MPa规范指标要求。通过振动沉模施工充填了坝体裂隙、空洞等渗漏通道，坝体整体渗透稳定得到提高，防渗加固修复效果明显。

表2 振动沉模围井钻孔检测结果

4 结 论

为解决七里坡水库土石坝除险加固工程中防渗墙墙厚超薄、防渗深度深、须深入基岩相对不透水层和投资经济效益低等问题，探讨将高喷灌浆与振动沉模两种防渗技术联合。通过技术优势互补，取得了较好防渗效果和投资经济效益。主要研究结论如下：

a.振动沉模具有施工工效高、经济性高等优点，但其防渗深度和难以深达基岩相对不透水层是其应用制约因素；高喷灌浆虽可克服振动沉模的不足，但其造价高、经济性较低。将高喷灌浆与振动沉模联合，利用优势互补分段进行组合防渗，其技术上可行、经济上优越。

b.七里坡水库大坝坝基及坝体下部12.5m范围内采用高喷灌浆，坝体中上半部20m采用振动沉模施工防渗墙，有效阻断了坝基和坝体渗漏通道。围井钻孔试验表明，防渗墙体连续完整、密实度高，抗压强度和渗透系数均满足规范要求，防渗加固效果好。

c.防渗墙竣工投运后，大坝坝基及坝体渗漏问题得到有效治理。组合防渗技术应用于地层相对较复杂、技术标准要求较低的中小型土石坝除险加固工程，防渗效果好、施工工效高、投资经济效益高，具有较好的推广应用前景。