土石坝施工工艺及防渗帷幕工艺研究应用

郭凯勇

（广东省清远市清新区清西防汛工程管理所，广东 清远 511500）

1 工程概况

深圳公明水库扩建工程设计洪水标准为100a一遇，校核洪水标准为5000a一遇，总库容为1.48亿m3。本工程属大（2）型Ⅱ等工程。

项目主要的构筑物包括主坝、放水隧洞和进出口构筑物等。主坝连接楼村水厂到大马山，黏土心墙土石坝，坝高64m，宽8m，最大坝高50.7m，坝长1121m，最大底宽约280m。

文章以公明水库4 号坝工程建设为研究背景，在分析场地施工条件下，对工程的主要部分的施工工艺和重难点坝基防渗和灌浆工艺进行研究，以期探究局部水文地质条件较差的黏土心墙土坝工程的高标准施工工艺。

2 工程地质与水文地质条件

放水隧道及其进出口的主要地层由残破积粉黏土、全～微风化基岩组成，局部地区分布的不良地层包括松散人工填土、淤泥质黏性土和冲洪积的粉细砂等，深度不超过10m，液土层为粉细砂层，坝基处主要包括全风化的持力层和残坡积土层，具有中等压缩性[1]。

坝址区域可见f1、f5两条断裂构造，均为压扭性断裂构造，形成规模小，且具有弱透水性。断裂带近处局部岩体裂隙发育，局部区域漏水[2]。

3 大坝主体施工工艺及治理控制

3.1 总体方案

开工后第一个枯水期内完成围堰修筑、坝基开挖、基础处理、导流明渠修筑施工。进入第一个汛期前将上游围堰拆除一缺口，满足汛期泄洪，开工后第8 个月进行坝体填筑。进入第二个枯水期后，在导流明渠上游横江水库溢洪道修筑封堵围堰，导流明渠拆除，上游围堰缺口修复，围堰上游积水采用水泵排水至上游横江水库，坝体三区闭气后，进行坝体三区（河床段）填筑[3]。

施工的关键线路为：部分施工道路施工→坝基开挖、基础处理→坝体一、二、四区填筑→坝体三区（河床段）填筑（进入第二个枯水期后）→坝体整体填筑→面板施工→坝顶防浪墙施工→坝顶路垫层、水泥稳定土施工→清场验收。

3.2 土石方爆破及坝基施工工艺

大坝工程分四个区进行施工，其中Ⅲ区为天然河道段，即大坝填筑时预留缺口段。

首先进行Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ区坝基开挖，以Ⅲ区坝基开挖为主。其次在Ⅲ区开挖完成后（工期1 个月），马上进行Ⅱ区的开挖。土石方开挖遵循自上而下原则进行施工，施工工序图如图1 所示。

图1 坝基土石方开挖施工程序框图

3.2.1 施工工序布置

土石方开挖主要包括坝基清理、左右岸开挖及上下游截、排水沟方开挖，坝基开挖标准是：坝基范围内的人工填土、淤泥、粉细砂全部挖除，表层土为残坡积、全风化土层、冲洪积黏土时，清基需将表层腐植土清理干净，清基厚≥1m[4]。

坝基处理主要包括平整场地、岸坡喷混凝土、地下防渗墙、地下帷幕灌浆施工等项目。防渗墙施工平台台地开挖、填筑施工→防渗墙施工平台及混凝土导墙施工→截水槽底线以下Ⅰ期防渗墙及帷幕灌浆施工→拆除平台→截水槽开挖基坑降水施工→截水槽开挖→导向墙及Ⅰ期防渗墙顶部50cm 凿除→Ⅱ期防渗墙顶部50cm 混凝土浇筑→截水槽回填及防渗墙Ⅲ期混凝土浇筑→坝基场地平整碾压。

3.2.2 土石方爆破施工工艺方法

左右岸开挖位于混合花岗岩的弱、强、全风化带下限，边坡采用预裂爆破（工程量较少的采用液压冲击锤）开挖修坡。石方工程在全强风化带以上使用凿裂法、以下采用钻爆法[5]。

凿裂法施工：在开挖范围内采用大功率推土机后部的松土器，强行压入强风化岩内，在行走过程中将风化岩凿裂，大功率推土机的松土器有3 个齿，齿宽2.5m，采用连续作业方法，每次凿深0.5m。

钻爆施工时，土石方从上至下的开挖，使用手风钻梯开挖的方法，爆破边坡的方法进行施工，使用手风钻钻孔，75 度钻孔倾角，移动空气压缩机供风，预留保护层，坝基土石方底水平基面，最后手风钻小孔径药卷爆破法分层进行开挖保护[5]。

3.2.3 坝基施工工艺方法

施工平台使用220HP 的推土机进行挖土集料，使用1m3的反铲局部开挖，人工修整并机械修坡。开挖过程中需留置平台填方可用土料,将其运至需填方地段进行填方，废料拉至渣场堆放。

混凝土导墙在施工时，其长度要长出防渗墙轴线两端0.5m，比墙顶高0.5m。待导墙混凝土强度达到7 成后，两侧土料回压碾实。防止泥浆、污水从外侧进入底部。导墙混凝土模板施工采用普通钢模板作为面板，背带用φ40 钢管的支护形式。

截水槽开挖基坑降水施工。在截水槽开挖前，选用明沟集水和井点降水的方法进行基坑排水，确保工作面干燥降低地表水。截水槽边线布设降水井，使用高压冲枪成孔的方法进行开挖，成孔孔径300mm，深度应比滤水管超过半米。

截水槽开挖全部为土方开挖，施工分区与大坝开挖施工分区必须相一致，各区开挖可同时进行，均采用1 台2.5m3反铲直接开挖装30t 自卸车运至5—1#、5—2#及3—2#渣场。每区的开挖均从大坝上游侧向下游侧推进，直至开挖完成。开挖边坡人工进行削坡处理[6]。

拆除导墙和防渗墙顶0.5m 部分在施工检查合格后，拆除时先挖导墙使其全部漏出，完全脱离连续墙后再打炮眼卸运装走。

3.3 坝体施工

4 号坝为壤土心墙堆石坝，大坝上游坝坡坡度为1 : 3.0，下游坝坡为二级坡，一级坡度为1 : 2.5,二级坡坡度为1 : 2.65，马道宽2.0m.上游坝坡采用厚250mm 的现浇钢筋混凝土和下设垫层，其中碎石厚300mm，反虑砂垫层厚300mm;坝体下游设有棱体排水，棱体顶高程25.00m，排水棱体以上部分采用干砌石草皮护坡.防渗体为黏土心墙，顶高程63.50 m，最大高度为50.6 m。心墙上游侧面设水平1.0 m 厚、下游侧面设水平2.0 m 厚的砂反滤层[7]。

土石坝土方填筑主要包括强风化料、反滤料、垫层料（碎石、砾石）、壤土（黏土）的填筑、碾压和接缝处理和护坡等。根据坝体填筑强度，按上、下两部分分区下部，坝高的45m 以下，四个填筑区之每个区再分为上游区、心墙区、下游区。上部坝面狭窄后，只按原来的四个填筑区编号。施工时先填筑Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ区（非明渠段），待施工围堰形成截流后再填筑Ⅲ区（明渠段）。具体填筑程序如下图2：

图2 土石坝填筑顺序框图

3.3.1 施工工艺

基础碾压，大坝坝体施工分为左右岸即Ⅰ～Ⅱ区、Ⅳ区、Ⅲ区进行，先期为大坝左右岸即Ⅰ～Ⅱ、Ⅳ区的填筑施工，填筑前坝体的基础开挖已全部结束，基础碾压随坝体填筑的施工进行。因左右岸基础处于河道漫滩地上，无起伏坡度，采用大吨位振动碾[8]。验收合格后进行坝体填筑。

壤土心墙填筑。由于坝体心墙的宽度较小，黏土（壤土）心墙采用平行于坝轴线的流水作业方式进行施工。

防渗心墙分段进行填筑施工，每段的平面尺寸保证满足施工机械正常作业的要求，约为100 ～150m。分段长度除考虑施工机械的工作性能以外，以保证一个工作面的作业时间，控制在一个半班以内为原则进行划分。盛夏季节施工，为防止热量和水分散失，还要尽量缩短作业循环时间。黏土（壤土）心墙分段填筑时，上下层分段位置要错开。

土料铺填施工方法:黏土心墙坡比1 : 0.5，随着坝壳的填筑土料填筑亦分四个区(同坝体填筑分区),接槎坡度不陡于1 : 3.0。采用自卸车运土上坝，162KW 推土机平土，14t 凸块碾压实。初步拟定黏土虚铺厚度40cm，碾压遍数7 遍，具体土料铺筑按现场铺筑试验所确定的施工工艺和施工参数进行准备，报监理人批准后，方可进行施工作业。

土料压实方法：土料压实严格按照经现场铺筑试验确定并经监理人批准的碾压参数和碾压机具进行施工。黏性土碾压时应平行与轴线方向，不可垂直坝轴线方向。黏土心墙碾压采用14t 凸块碾采用进退错距法进行碾压，行车速度以1～2 档为宜。

顺碾压方向开始碾压，应注意邻近段交接带碾痕互相搭接，长度≥0.3～0.5m，垂向搭接宽为1m左右。每层压实完后挖出不合格部位料土并夯实。

3.4 坝顶施工

坝顶结构包括上游防浪墙、电缆沟、路面混凝土基层及下游路缘石、电缆沟、排水沟施工。坝顶宽度为8.0m，长1121.00m，路面上游至下游设2%的横坡。

重点是防浪墙中心线位于坝轴线上游3.45m，结构型式为“L”型，壤土心墙和砂反滤层填筑到62.50m 结束，防浪墙底座坐于其上。防浪墙高2m，顶高程为64.30m。下游设路缘石与浆砌石格梗相接。坝顶结构总体施工程序见图3。

图3 坝顶结构总体施工程序

首先对主坝防浪墙建基面进行检测，利用人工进行找平、清理干净后，必要时采用振动碾。按设计放出防浪墙的设计边线、坝面高程。在基面上打Φ28 锚筋，便于模板支立。

防浪墙兼顾景观功能，因此在防浪墙永久外露面—二期混凝土施工时制作定型模板，同时采用清水混凝土施工工艺。

防浪墙一期底座模板支立时，利用基础面打锚筋作为架立，将钢模和钢筋安装到位。模板表面涂刷工业蜡，脱模后保证混凝土表面光洁、整齐。锚筋与预埋在坝体内部的混凝土梁相连，以保证受力条件良好。下部螺栓位置设置斜支撑加固，斜支撑间隔布置。

二期墙身混凝土支模时，采用定型模板组合成型，底部利用第Ⅰ层混凝土预埋螺栓加固。并在内部设对拉螺栓，间距为1.2m。

3.5 上下游坝坡施工

大坝上游坡坡比1 : 3,下游坝坡在45m 高程处设宽2.0m 的马道，马道以上坡比1 : 2.5,以下坡比1：2.65,堆石棱体顶高程25.0m，内坡1 : 1,外坡1 : 1.5,在上坡面上设置两条由坝顶到坝脚的梯步，宽2.0m。在60.0m 高程处设宽0.8m 的观测平台。板上设排水孔，以消除因库水降落或其他原因产生水压力顶托混凝土板。下游坝坡采用草皮护坡，每65m 设一条横向排水沟，与马道及棱体上的纵向排水沟相连，每225m 设置与横向排水沟结构的梯步，宽2m。重点是对砌体的施工工艺进行严格控制。

浆砌石砌筑时，砌石使用铺浆的方法进行砌筑，砂浆稠度30～50mm，砌石转角交接处需要同时砌筑。

毛石砌筑体的基础做成阶梯形，上下阶梯相错一半，相邻阶梯的毛石应相应错缝搭接。干砌石体砌筑使用材料为料石或毛石砌筑料；石料使用前表面应洗除泥土和水锈杂质，砂砾垫层厚度应均匀。

4 坝基处理及灌浆工艺控制

4.1 混凝土防渗墙

施工总体方案采用钻抓法进行墙体开挖、膨润土泥浆进行护壁、水下直升导管法浇筑混凝土。拟采用冲击钻机将每个槽段的导孔(主孔)钻至设计深度，再用液压抓斗将两孔间副孔抓走。

基岩部分采用冲击钻机钻至设计深度，若地基砂砾层密实度较大，采用冲击钻劈打副孔。

4.2 帷幕灌浆

在坝基混凝土防渗墙以外透水率＞3Lu、弱风化岩层设帷幕灌浆，采用单排，灌浆孔距2m。灌浆帷幕防渗设计标准为：灌浆后基岩透水率≤3lu。形成坝基永久防渗体系。

灌浆根据设计施工技术要求或者帷幕灌浆试验结果，证明需要50%以上灌浆孔段采用超细水泥浆液，将按照细水泥浆液灌浆的有关试验结果和规定进行。

钻孔施工工艺，帷幕灌浆施工按单元划分而分序加密原则进行。首先选择单元内部分Ⅰ序孔做为先导孔进行钻孔和灌浆；先导孔进行分段压水试验，从先导孔的施工中获取地质资料，岩石渗透性和灌浆资料，从而确定帷幕防渗底线进入强、弱风化岩层的深度。

防渗墙内埋设导向管要定向准确，钻机立轴与孔口管倾角、方位匹配。钻孔施工过程中采用较长粗径钻具，适当控制钻进压力。

5 结 论

文章对公明水库4 号坝主坝的建设工程为研究对象。针对坝基局部裂隙透水的现状，提出了相应的土石方、坝基和坝体填筑的工艺，并坝基防渗帷幕灌浆工艺进行了详细说明，对现有坝基透水防渗技术提供了技术支持，为了发挥防渗墙和帷幕灌浆法防渗技术的应用价值。