西坑水库防渗设计方案比选

黄有文

(广东省水利水电科学研究院,广州 510635)

1 工程概况

西坑水库位于广东省佛山市高明区，主要建筑物有土坝、溢洪道、输水涵管，是一座以灌溉为主，结合防洪、备用水源等综合利用的中型水库。水库大坝为均质土坝，坝顶高程为113.80 m，防浪墙顶高程为114.20 m，最大坝高为29.50 m，坝顶长度为225 m。

根据现场检查及检测，土坝背水坡在相对高水位运行时，一级马道和二级马道之间存在“牛皮胀”现象。据管理人员反应，土坝的“牛皮胀”现象存在已久。水库于1967年竣工，根据历史资料查看，分别在2004年、2009年对土坝的渗流问题采取过处理措施，均未得到有效解决。

针对“牛皮胀”现象，探测及使用高密度电法仪、表面波地震仪以及探地雷达等检测手段对土坝的渗漏问题进行了分析。

① 高密度电法仪检测显示：坝体电阻率反演整体呈层性，从坝顶到坝基电阻率依次下降；在一二级马道之间浸润线贴近坡面，在二级马道以上14 m范围内存在有多处可能溢出点。

② 表面波地震仪探测分析：坝体的波速剖面形态分布波速值在70～380 m/s之间，说明坝体填筑质量整体较差，在大坝背水坡一级和二级马道之间中部以及靠右侧局部区域存在填土不密实情况。

③ 探地雷达检测表明：距大坝右坝肩0～35 m，55～85 m和93～122 m范围内，同相轴中断，回波较弱，该部分坝体均匀性差，土体不密实；距右坝肩140～183 m范围内同相轴中断，回波破碎，该部分坝体填筑质量差。

上述检测结果在一定程度上说明西坑水库土坝坝体填土填筑质量相对较差，结合勘察注水试验结果，大坝背水坡存在透水性为中等透水的部位，且坝体填土压实度为81.57%。分析认为填土填筑质量差是产生“牛皮胀”现象的主要原因。

2 防渗设计

2.1 方案比选

土坝防渗加固技术应根据水利工程的实际情况选择，并严格按照相应的标准进行实施[1]。本次防渗设计拟对充填灌浆、塑性混凝土防渗墙、高压喷射灌浆以及黏土防渗斜墙四种方案进行比选，分别从四种防渗措施的工程效果和施工难易程度等因素进行综合分析，防渗方案对比分析见表1所示。

表1 坝体防渗方案分析

高压喷射灌浆防渗体的整体性能上不如混凝土防渗墙，且不能入岩，耐久性差，防渗体容易分叉。高压喷射灌浆方案最大孔深为35.0 m，即使采用先进钻机，也难以保证偏斜率小于1.2%，此时，两孔偏差就有可能达到0.84 m以上，防渗墙下部可能搭接不上。黏土斜墙方案需要大量黏土，土料场距离远大于10 km，实施起来不够经济[2]。充填灌浆成本相对较低，但效果往往不理想。经综合分析，本次拟采用塑性混凝土防渗墙对原坝体进行防渗处理。

2.2 塑性混凝土防渗墙设计

2.2.1防渗墙厚度设计

防渗墙的厚度主要由防渗要求、抗渗耐久性、墙体的应力与强度及施工设备等因素确定。其中，防渗墙的耐久性是指抵抗渗流侵蚀和化学溶蚀的性能，这两种破坏作用均与水力梯度有关。目前，防渗墙厚度δ主要是根据水力梯度考虑确定的，即：

(1)

(2)

式中：

JP——防渗墙的允许水力梯度；

Jmax——防渗墙破坏时的最大水力梯度；

H——防渗墙的工作水头，m；

K——安全系数，一般采用K=3～5。

参考类似工程经验，我国已建大部分塑性混凝土防渗墙工程的允许水力梯度均小于60，并安全运行。塑性混凝土防渗墙的允许水力梯度建议采用JP=50～60为宜[3]。本工程取防渗墙允许水力梯度JP=55。校核洪水位112.77 m时，模拟修建了防渗墙后的水库，计算得出浸润线后，水头H=27.77 m，计算所需厚度δ=0.505 m。参考国内已有的经验为0.6～1.3 m，故本次设计取防渗墙厚度为0.6 m(计算结果见表2所示)。

表2 防渗墙厚度计算

2.2.2防渗墙设计深度

考虑到防渗墙施工时，会在孔底淤积一定的泥浆、岩石碎屑或软土等沉渣，如果嵌入基岩太小，这些淤积物在高水头作用下可能会失去稳定而形成渗漏通道。参考国内土坝防渗墙施工技术案例，一般对于表层属于弱风化、渗透系数小的基岩，防渗墙入岩深度一般0.5～1.0 m即可，对于强风化、渗透系数较大的基岩，其入岩深度因施工难度不大可以适当加深到1～3 m。根据地质钻孔资料，西坑水库坝基层依次为砾质粘性土层、强风化花岗岩层、中风化花岗岩层。其中砾质粘性土层层厚约为3～10 m，渗透系数为5.2×10-5cm/s，渗透系数不大。本次设计防渗墙墙底嵌入砾质粘性土层5.0 m，设计最大深度约35.0 m。

2.2.3塑性混凝土墙体材料

本工程采用工程类比法设计塑性混凝土的配合比，以节省配合比的设计工程量。查找国内已建塑性混凝土防渗墙的工程设计资料，初步提出配合比。其要求如下：

抗压强度：R28=1.0～2.5 MPa；

渗透系数：K28≤2.0×10-7cm/s；

初始模量：E28≤500 MPa；

坍落度：18～22 cm；

模强比：E28/R28=200～500；

扩散度：35～45 cm。

结合《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》(SL174—2014)7.0.6规定：“塑性混凝土的胶凝材料的总量不宜少于240 kg/m3，其中水泥用量不宜少于80 kg/m3，膨润土用量不宜少于40 kg/m3，水泥与膨润土的合计用量不宜少于160 kg/m3，砂率不宜小于45%。”本次设计提出防渗墙塑性混凝土的配合比参考值见表3，具体数值仍需根据现场试验进行确定。

表3 塑性混凝土配合比参考值

2.2.4施工平台与导墙设计

防渗墙施工的施工平台应坚固、平整，适合重型设备和运输车辆行走，宽度要满足施工需要，其高度应高出地下水位1.5 m以上和施工期水位，应能顺畅排出废水、废浆、废渣。平台可以布置在导向槽的一侧或两侧，平台宽度一般为10～15 m。本工程施工平台顶高程高于校核洪水位0.5 m；大坝现有坝顶宽度仅为5.5 m，无法满足施工要求，设计通过在背水坡回填土并加挡土墙的方式拓宽平台宽度至12.0 m。平台上部先铺设15 cm厚的块石垫层，再在其上铺筑10 cm厚的混凝土，以便行走重型机械设备。

导墙也称导向槽，它的主要作用：① 标定防渗墙位置;② 加固和固定槽口;③ 防止废泥浆、雨水和污水流入槽孔内;④ 是挖槽机械的支撑平台。

本工程采用“[”形混凝土导墙，其优点是易于施工，比较坚固，质量较易控制，既可承受较大的地面荷载，又利于土体的保护。两导墙的中心线与防渗墙轴线重合，两导墙内侧间距宜比防渗墙厚度大40～100 mm。

2.2.5泥浆的制备

建造槽孔时泥浆的功用是支撑孔壁，悬浮、携带钻渣和冷却钻具。本工程采用优质膨润土护壁，膨润土采用二级钙基膨润土，分散剂为工业碳酸钠。泥浆性能指标主要考虑比重、马氏漏斗粘度、含沙量等。设计泥浆性能指标参数及泥浆配合比分别见表4和表5。浆液制备时应选用洁净的淡水，采用高速搅拌机进行拌制，拌制方法和时间应通过试验确定。应按规定的配合比配制泥浆，各种成分的加量误差不得大于5%。储浆池内的泥浆应经常搅动，保持泥浆性能指标均一。

表4 泥浆性能指标参数

表5 泥浆配合比 kg

2.2.6槽孔建造设计

常用的成槽方法有钻劈法、抓取法、钻抓法等。抓取法是用抓斗施工，是目前国内较新的槽孔建造方法，适用于细颗粒地层，工效高于钻劈法和钻抓法。本工程采用液压抓斗进行施工。根据相关工程经验，抓取法施工时，主孔长度等于抓斗开度，副孔长度宜为主孔长度的1/2～2/3，有利于使抓斗施工副孔时便于切割土体，并保证槽孔的连通。设计单元槽段主副孔长度如图1所示。

图1 单元槽段示意

2.2.7质量检查与控制

防渗墙质量检查程序分工序质量检查和墙体质量检查。

1) 工程质量检查包括：终孔、清孔、接头管(板)吊放、钢筋笼制造及吊放、混凝土搅拌与浇筑等检查，以及基岩岩样与槽孔嵌入基岩深度等。

2) 墙体质量检查应在成墙28 d以后进行，检查内容为墙体的物理力学性能指标、墙段接缝和可能存在的缺陷。检查可采用钻孔取芯、注水试验或其他检测方法。对防渗墙墙体取芯后进行物理力学性能试验所取得的成果，以及钻孔注水试验的成果，是评价墙体质量的重要依据。

3 结语

西坑水库的塑性混凝土防渗墙施工方案已通过专家技术评审并获得批复。现阶段工程尚未施工，无法补充说明施工后防渗效果。本文主要从设计的角度论述土坝防渗的处理措施并提供本工程的推荐方案，待施工完成后针对塑性混凝土防渗墙的施工工艺、检测手段及效果再做进一步论述。