浅谈水利工程中柔性防渗墙的设计

浅谈水利工程中柔性防渗墙的设计

李宝喜赵月

关键词：平原土坝混凝土防渗墙设计

1、概述

我国平原地区水库大多修建于二十世纪五、六十年代，一般为就地取材筑坝，坝型以均质土坝居多，坝高较低。由于历史原因，大坝填筑质量普遍较差。有的坝基处理不彻底，甚至未清基，直接在河床上填土筑坝。坝基存在深厚砂砾石层渗水通道。坝体裂缝、沉陷、坝基渗漏现象十分普遍。汛期高水位时，大坝下游地面极易产生渗水、管涌险情，危及水库安全运行。随着混凝土防渗墙施工工具和工艺技术的不断发展和完善，将混凝土防渗墙技术应用于土坝防渗加固，已成为平原区水库大坝防渗加固的一项重要措施。根据作者多年的工程经验，介绍了平原地区土坝混凝土防渗墙的设计与施工原则，旨在为类似工程提供借鉴。

2、混凝土防渗墙设计方案

根据地质勘探资料分析，平原区均质土坝坝体普遍存在上坝土料选择要求不严格、筑坝土料分区不明显，碾压不充分，填筑质量差的问题。抽样检查结果表明，干密度小于1.5t/m3的土样占数的60%以上，同时坝基相对不透水层或透水系数较小的土层一般埋藏深度5m~20m。据此，防渗墙布置设计方案一般有两种；第1种方案是在坝顶布孔修筑混凝土防渗墙；第2种方案是在大坝上游坝坡坡脚设混凝土防渗墙，上游坝坡铺设复合土工膜方案，两种方案均可达到防渗要求。

第1种方案在坝顶施工，具有施工人员少，不受汛期洪水干扰等优点，但存在防渗墙体较深，施工时易塌孔等缺点，一旦出现问题，补救困难，同时，上游坝坡裂缝、漏水、沉陷等问题得不到解决。

第2种方案避免了坝体塌孔现象的发生，墙体较浅，施工方便，可以保证施工质量及进度，能有效地解决水库上游坝坡质量问题。缺点是防渗墙在大坝上游坡脚施工，水库需要放空，影响水库效益发挥，且施工易受汛期洪水干扰，渡汛困难，有的部位还需增加施工围堰等临时工程量。

故大坝除险加固时，根据水库各自的具体情况，选择合适的防渗加固方案。对无法放空的水库，且上游坝坡防护质量较好的大坝，一般采用第1种方案进行防渗加固处埋。对于具有放空条件的水库，一般采用第2种方案进行加固处理。

3、混凝土防渗墙的设计

3.1混凝土防渗墙的设计深度

混凝土防渗墙底部原则上嵌入相对不透水层1m左右，顶部嵌入坝体防渗体中。目前，平原地区土坝混凝土防渗墙深度大多在40m以内。

3.2混凝土防渗墙墙体厚度的确定

防渗墙的厚度应满足墙体抗渗性、耐久性、满足墙体应力和变形的要求，同时还应考虑到地质情况及施工设备等因素。

由于国内防渗墙设计无规范，防渗墙的渗透计算和渗透稳定分析以及强度、变形计算尚无规范的计算方法和理论。在设计时，根据防渗墙破坏时的水力坡降确定墙体厚度（），计算公式如下：

式中：——作用在防渗墙的最大水头差（m）;

K——搞渗坡降安全系数，一般取3~5。

Jmax——防渗墙渗透破坏坡降，取300。

根据已建成的混凝土防渗墙统计，防渗墙允许承受的水力坡降Jp=Jmax/K，可达到100，当K=5时，Jp为60，假定防渗墙承受的最大水头差与坝前水深相同。平原区水库，由于河流水头较低△Hmax一般在10-30m之间居多。计算得：=0.15-0.5m，即可满足要求

为节约材料，降低成本，平原地区土坝混凝土防渗出墙可以做得薄一些，受造孔机具限制，参考国内工程经验，平原区土坝混凝土防渗墙墙体厚度一般确定为0.20-0.8m之间。

3.3墙体材料

参考国内外已建防渗墙的经验，一般采用塑性混凝土作为墙体材料。这种材料有抗渗性能好，变形模量低，极限应变值大，适应变形能力强等特点。

塑性混凝土防渗墙的设计指标为：28d弹性模量800—1000MPa，抗压强度≥2.5MPa，渗透系数<(1-9)×10-8cm/s。配合比见表1。

表1塑性混凝土配合比（kg）

水泥膨润土水砂石外加剂

160802608488480.66

4、混凝土防渗墙的施工

防渗墙是在坝体内连续造孔成槽，以泥浆固壁，在泥浆下浇筑混凝土而建成的。对于小型工程，一般采用冲击式钻机造孔或两钻一抓法。这两种方法都先施工一期槽孔（主孔），后二期槽孔（副孔）。后一种方法工效高，目前被水利工程广泛采用。但该法施工平台要求大于18m，施工时难以布置。成墙厚度受开槽机械限制，防渗墙一般较厚。

目前，平原地区土坝防渗墙工程施工的另一种方法采用液压开槽机连续槽孔法。液压开槽机是由在同一轨道上行走的开槽机、水下混凝土浇筑机、清槽砂石泵及混凝土搅拌机组成。液压开槽机沿墙体轴线连续成槽，槽孔完全连续。墙体厚度20cm左右，最大深度可达40m。该法适用于砂壤土、粉土、粘土等地质条件。每台班工效可达150m2，造价150元/m2（20m深22cm厚的墙体150元/m2）。

防渗墙顶部处理。桩头处理时结合桩顶检查一并进行，在回填前查明有无漏桩，搭接厚度是否满足设计要求等情况，如有应进行补桩处理。防渗墙桩头顶部应于挖除并回填。有条件的采用粘土或粉质粘土回填，也可以用原堤身开挖土回填，但应除掉碎石和杂物。回填密实度不小于0.92。

5、防渗墙施工中应注意的问题

防渗墙施工过程中，造孔质量是保证防渗墙质量的首要环节。同时，在防渗墙施工过程中，造孔时间占总工期的2/3以上，是制约工期的关键环节。施工中应采取预防偏孔措施，有效地防止或减少偏孔，使孔斜控制在允许范围内。

保证混凝土防渗墙施工质量和速度的关键在于开槽的连续性，浇筑的及时性。并且要把泥浆固壁作为一个重要的施工环节去对待。否则，一旦出现塌孔，将导致施工中断，而断开段的处理相当困难。因此，各工序必须严格按规程进行操作，控制进度和质量。同时加强机械设备的维修养护，保证完好率，确保混凝土防渗墙“连续作业”，达到保证混凝土防渗墙施工质量的目的。

6、结语

实践表明，混凝土防渗墙技术应用于平原地区大坝除险加固工程，可有效解决坝体，坝基渗漏问题，且具有施工速度快，工程造价低，防渗效果好，可靠性高等特点，是水库大坝防渗加固较好的措施。随着混凝土防渗墙技术的迅速发展，施工机具的不断创新和完善，经济效益的不断提高，其用途将日益广泛。