混凝土防渗墙在暖泉沟水库除险加固工程中的应用

刘 召

（山西省水利建筑工程局集团有限公司 山西太原 030006）

1 工程概况

暖泉沟水库位于宁武县南24 km 余庄乡暖泉沟村南汾河支流洪河上。坝址以上控制流域面积50.3 km2，总库容478.54 万m3，大坝为碾压均质土坝，最大坝高15.5 m，是一座以防洪、供水为主，兼顾养殖的小（1）型水库。

由于该水库运行过程中在渗透水流的作用下，坝体出现渗漏并有局部破坏，坝体下游有13 处渗水点，局部有土体颗粒被带出现象。为防止渗透变形，采用混凝土防渗墙工程措施，在坝体和坝基内部形成垂直防渗体，截断土层中的渗透水流，降低渗透坡降，彻底消除大坝不稳定隐患，以提高水库安全运行能力。

2 混凝土防渗墙施工整体要求

混凝土防渗墙中心线平行于坝轴线且位于坝轴线上游侧1.4 m 处，总长225.7 m，终孔最大深度25.12 m，平均深度18.25 m，防渗面积4147.1 m2。混凝土防渗墙墙体结构形式为槽孔形，墙体厚80 cm，墙底高程深入相应部位坝基基岩弱风化层以下1.0 m，墙顶高程1 771.91 m（坝顶高程以下1.89 m 处）。

混凝土防渗墙施工大体可分为槽段成型和混凝土浇筑两大类。槽段成型选用CZ-22 型冲击钻，冲击时利用钻头可以将孔内部分土直接挤向孔壁一侧，增加了孔壁的密实性和稳定性，逐步达到设计墙底高程。混凝土浇筑是在槽段内安装若干组导管，按规定的浇筑速度，自槽底至槽顶连续浇筑一次成型。

3 混凝土防渗墙施工工序

混凝土防渗墙施工工序依次为：修建施工平台、制备泥浆、做导向槽、造孔、清孔、混凝土浇筑等。

1）修建施工平台。修建的施工平台主要包括导向槽、钻机平台、倒渣平台等，它们需要承受钻机造孔、混凝土搅拌车行走、清孔换浆等在施工中产生的荷载，所以需具备一定的强度、刚度和稳定性。

2）制备泥浆。结合本工程地层的特点，在造孔过程中采用黏土泥浆固壁，泥浆在防渗墙施工中的作用主要是保持孔壁稳定不塌孔、避免造孔形成的钻渣沉淀影响造孔进度和冷却润滑钻具等作用。拌制泥浆所用黏土和水的各项指标均应满足相关规范的要求。

依据施工强度安排，并结合坝顶施工作业面场地的整体规划，本工程采用了每4 个槽段为一个泥浆搅拌系统。黏土采用人工上料，泥浆搅拌机搅拌，搅拌好的泥浆输送到储浆池，为防止泥浆沉淀而影响其性能指标，储浆池配备一台空压机进行二次复搅。储浆池的储浆量应满足槽段内最大漏失量，以及清孔换浆的需求。造孔使用的泥浆从储浆池直接泵送入槽孔内，液面始终保持在导墙顶高程以下30 cm 左右。另外为了减少施工成本，造孔、清孔换浆、以及混凝土浇注时槽段中溢出的泥浆流入回浆池，经重新调配并满足要求后重复利用。

3）做导向槽。导向槽具有导向、泥浆储存、槽孔混凝土标高定位和支撑外部机械荷载等作用，它对于混凝土防渗墙主体结构来讲是一种临时建筑物，一般情况下完工后予以拆除。因导墙由钢筋混凝土现浇而成，临建费占比较高，所以在施工总体安排时应通盘考虑，让其与防渗墙有效结合，做到不拆除也不影响工程的整体外观和安全运行的目的。

导向槽由一组背对背对称的导墙组成，导墙断面形式为L 型断面，导向槽中心线与防渗墙中心线重合，导墙垫层为10 cm 厚C15 混凝土，墙身为C20 混凝土，高度1.5 m，厚度及外露面顶宽40 cm，内侧间距90 cm，基础为放大扩宽脚，导墙顶高程高出施工平台30 cm 以利于排渣。导向槽内外侧用黏土自下而上分层填筑并对称夯实，防止导墙倾覆或位移。

4）造孔。根据本工程地层情况以及墙体结构形式，选用钻劈法成槽的方法。

（1）钻机平台。钻机平台位于防渗墙轴线上游侧，呈一字型并一次性铺设及安装完成，由下至上依次为30 cm 厚碎石垫层、枕木、导轨、冲击钻机等。

（2）倒渣平台。倒渣平台位于防渗墙轴线下游侧，因需承受造孔泥浆溢出和清孔倒渣的冲刷，除必备的强度以外，还需具有抗冲抗磨功能。倒渣平台一般采用20 cm 厚C20 混凝土基础，也可采用30 cm 厚浆砌石基础。

（3）先导孔施工。为了更好地摸清本工程的地层情况，根据设计要求，主体工程施工前，在防渗墙轴线上每2～3 个槽段，孔距20 m 左右，布置一个先导孔对原地层进行复勘。先导孔采用地质钻机钻孔，孔径89 mm，自孔口至孔底全孔采取岩芯，并对采取的芯样进行验收，确定防渗墙岩面埋藏深度以及造孔深度。

（4）槽孔定位。在钻机平台的导轨上用红漆标注每个槽段的位置并进行编号，同时在每个槽段内标注主副孔的位置，尤其在两期槽段的接头处做着重标记，施工中可以做到对每个槽孔进行精确冲击钻进，以保证槽段的连续性。

①槽段划分：本工程共划分29 个槽段，其中包含14 个一期槽和15 个二期槽，每个槽段长8.8 m，施工中先钻一期槽，再钻二期槽。

②主副孔划分：每个槽段分为9 个孔，其中包含5个主孔和4 个副孔，主孔间距2 m，副孔间距1.2 m，孔径0.8 m，相邻的两个槽段接头处增加一个接头孔，施工中先钻主孔，再钻副孔，每个孔的孔深均应深入基岩面以下1 m。

（5）槽孔冲击钻进。槽孔冲击机械选用CZ-22 型冲击成槽钻机，冲击过程中在泥浆护壁的作用下可以对原有地层进行挤密加固处理，从而获得较快的钻进效率和槽孔成型效果。造孔采用两钻一劈法，施工中先钻主孔，再钻副孔，最后劈打小墙，每个孔均应对岩样和入岩深度再次进行联合验收，与先导孔相互补充和验证，以确保防渗墙坐落在持力层上。

槽孔在冲击过程中应保证槽壁平整垂直，每冲击5 m 采用重垂法测量孔斜，孔斜率不得大于0.4%，钻头在冲击过程中也在不断的磨损，每钻完一孔，都需对钻头直径进行测量，发现有磨损处要及时补焊，以保证槽宽至少达到0.8 m，相邻两期槽段接头孔孔位偏差在任一深度的偏差值，不得大于设计墙厚的1/3。整个槽段成型后从槽顶到槽底，从左到右往返进行扫孔，确保浇筑槽段整体联通并畅通无阻。两期槽段的接头处各搭接一个接头孔，这样可以使相邻槽段的接触面积增大，保证了槽段之间的联接质量和防渗效果。

接头孔的冲击时间应根据混凝土强度增长值、钻孔深度以及外界施工环境温度等因素确定，如果间隔时间较短，会造成已浇筑未凝固的混凝土墙体冲击破坏，如果间隔时间延迟，混凝土强度值逐步增长，会造成冲击难度增大。根据施工经验，接头孔冲击时间一般控制在一期槽混凝土浇筑完后12～24 h 为宜。

5）清孔。造孔验收合格后，进行清孔作业。清孔作业采用抽筒换浆法，利用抽筒从槽底至导墙顶反复下放、提升、倾倒的倒渣循环作业，同时向槽内注入清水，液面始终与导墙顶高程保持齐平，在槽内形成对孔壁的压力，保证在清孔过程不塌孔。

槽内泥浆的粘稠度直接关系到混凝土浇筑质量，所以清孔换浆结束1 h 后，槽内泥浆相对处于稳定状态，用专用泥浆三件套检测设备，在距槽底0.5～1.0 m 的位置对槽内泥浆的性能进行全面检测，需达到密度不大于1.30 g/cm3，粘度不大于30 s，含沙量不大于10%，且槽底淤积厚度不大于10 cm 的标准，方可进行下一道工序施工，否则应重新清孔换浆直到验收合格为准。

另外，为保证防渗墙的整体防渗效果，两期槽段接触面的刷洗质量也至关重要，接触面的刷洗采用钻机带动具有一定重量的圆形钢丝刷，通过调整钢丝绳位置使钢丝刷对接触面槽壁进行施压，从槽底至槽顶进行往返刷洗，从而达到对接触面刷洗的目的。接触面涮洗的结束标准是刷齿上不带有包裹的泥屑，槽底淤积不在增加且达到有关标准。

6）混凝土浇筑。清孔换浆验收合格，孔内泥浆的性能处于最佳状态，应尽早开始浇筑混凝土，且时间间隔不长于4 h，否则应对清孔换浆工序重新组织验收。

（1）墙体拌合物及工作性能。墙体拌合物为C20W8混凝土，所用水泥、水、骨料、外加剂等原材料，以及拌合物的和易性、强度、耐久性等技术指标须符合有关标准，其中和易性指标对浇筑的难易程度、成型后墙体密实性起到至关重要的作用，要求拌合物工作性能满足：入孔坍落度18～22 cm，扩散度34～40 cm，坍落度保持15 cm 以上的时间应不小于1 h；初凝时间不小于6 h，终凝时间不宜大于24 h；混凝土的密度不宜小于2 100 kg/m3等要求。

（2）混凝土浇筑。混凝土浇筑大体分为导管布置和浇筑提升两类，防渗墙底高程为设计墙底高程且满足入岩1 m 的要求，墙顶高程比设计高程高出30 cm左右。

①导管布置及安装。混凝土浇筑采用导管直升法进行，导管需满足强度、刚度和密封紧密的要求，浇筑槽段内安装3 套内径25 cm 的导管，把边的两套导管距槽端的距离宜为1.0～1.5 m、每套导管之间的距离不得大于3.5 m。下管前按照槽段深度、混凝土生产能力、浇筑提升速度、导管拆卸次数等参数进行配管并依次编号，下管时严格按照编号顺序下入导管，导管之间采用密封卡扣件快速连接，每套导管的底端布置在槽底以上15～25 cm或其控制范围的最低处，顶端高出导墙顶面一定范围方便浇筑混凝土即可。导管上端安置接料漏斗，安装好的导管固定在槽孔口的井架上，由冲击钻机卷扬机配合提升。

②浇筑提升。混凝土浇筑前每套导管接料口先置入可浮起的隔离橡胶空心球塞，浇筑时先注入水泥砂浆润滑管路再浇筑混凝土，并将球塞从管底挤出后漂浮于槽段顶部，说明管路畅通无卡阻现象。浇筑中3 套导管同时开始，导管底端埋入混凝土的深度不得小于1 m，不宜大于6 m；混凝土面上升速度不应小于2 m/h，一般控制在2～3 m/h，槽段内各处混凝土面应均匀上升，如有高差，需控制在0.5 m 以内。浇筑过程中每30 min 测量一次槽段内和导管内混凝土面深度，便于指导导管拆卸、校对浇筑方量和检验浇筑质量等。

整个浇筑过程中导墙顶部用活动盖板盖牢，一是方便施工人员操作和检验，防止安全事故发生；二是防止混凝土从导管外散落入槽段内，影响浇筑质量。

4 质量检查

混凝土防渗墙墙体质量检查在相应部位成墙28d后进行，按规范要求在槽段接缝处等具有代表性的位置，选取2 个检查孔进行钻孔取芯和注水试验。

1）钻孔取芯。选用地质钻机进行全孔取芯钻进，孔径89 mm。芯样获得率99.3%，表面平整光滑，无明显裂隙存在，每孔任取3 组进行抗压抗渗试验，强度最小值23 MPa，抗渗1 MPa，可以评价和评定混凝土防渗墙均质性、抗渗性、密实性和结构强度均达到合格标准，满足设计要求。

2）注水试验。检查孔进行全孔注水试验，渗透系数检测结果最小值为1.68×10-8cm/s，满足设计不大于1×10-7cm/s 的要求。检查孔各项指标检查完成后进行封孔，封孔按帷幕灌浆的要求进行处理。

5 结语

解决水利工程渗透变形有诸多措施，但对于可灌性差的土层和砂砾石层等软基而言，混凝土防渗墙是解决该类地层渗漏破坏的最可靠方法。施工过程中必须加强对孔深、孔位偏差、孔斜率、槽孔入岩深度、两期槽接头的套接厚度等终孔质量检查；必须加强对接头孔刷洗、孔内泥浆性能、孔底淤积厚度等清孔质量检查；必须加强对导管布置、导管埋深、混凝土面上升速度、混凝土面高差等混凝土浇筑质量检查，严格的按照有关规范和技术标准进行施工，方能保证混凝土防渗墙的成墙效果和防渗性能，才能满足设计和安全运行管理的需要，更能发挥水库工程的综合效益。