混凝土防渗墙在土石坝防渗加固中的应用.pdf

2 0 1 4年第 1 2期 ( 第 4 2卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v anc y No 1 2 2 01 4 f T 0 t a l N o 4 2 ) 文章编号 ： 1 0 0 7 7 5 9 6 ( 2 0 1 4 ) 1 2 0 0 5 1 - 0 3 混凝土 防渗 墙在 土石坝 防渗加 固中的应 用 周 晓明 ( 1 长江勘测规划设计研究院， 武汉 4 3 0 0 1 0 ； 2 国家大坝安全工程技术研究中心， 武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要： 土石坝的渗流安全问题在整体安全中占有重要地位 ， 直接影响大坝的运行安全。混凝 土防渗墙作为挡水建筑物加固防渗体系的主体部分 ， 防渗效果最为可靠。文章在分析材料及 其工艺的基础上， 对土石坝防渗加固中混凝土防渗墙的设计、 施工方法等问题进行初步总结。 关键词： 混凝土防渗墙 ； 土石坝； 防渗加固； 设计要点； 控制指标 中图分类号： T V 5 4 3 8 文献标识码： B Ap pl i c a t i o n o f Co n c r e t e Cu t o ff W a l l i n Re i nf o r c e me n t o f Ea r t h Ro c k Da m Se e pa g e Co nt r o l ZHOU Xi a o mi n g ， ( 1 Y a n g t z e R i v e r S u r v e y ， P l a n n i n g ， D e s i g n and R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 1 0 ， C h i n a ； 2 N a t i o n a l D a m S a f e t y E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r ， Wu h a n 4 3 0 0 1 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： E a r t h r o c k d a m s e e p a g e s a f e t y p r o b l e ms o c c u p y a n i mp o r t a n t p o s i t i o n i n t h e o v e r a l l s e c u ri t y ， d i r e c tly a ffe c t i n g t h e s a f e o p e r a t i o n o f t h e d arn Co n c r e t e d i a ph r a g m wa l l a s t h e ma i n b o d y o f wa t e r r e t a i n i n g s t ruc t u re o f s e e p a g e p rev e n t i o n a n d r e i n f o r c e me n t s y s t e m， a n t i s e e p a g e e ff e c t i s mo s t r e l i a b l e O n t h e b a s i s o f ma t e ri a l s a n d t e c h n o l o g y ana l y s i s ， t h e p a p e r s u mma r i z e s t h e p rob l e ms o n d e s i g n， r e i n f o me m e n t o f c o n c r e t e an t i s e e p age wa l l i n e a r t h roc k d a m see p ag e p rev e n tio n an d c o ns t r u c t i o n me t h o d s Ke y wo r ds： c o n c r e t e c u t o ff wa l l ； r o c k fil l d a m ； s e e p a g e p r e v e n t i o n a n d r e i n f o r c e me n t d e s i gn p o i n t s； c o n t r o l j n d e x 0 前言 我 国是世界筑坝 大国 ， 截止 2 0 0 8年年底 ， 修 建 各类水库近 8 7万座 ， 其中 9 0 以上大坝为土石坝 。 由于历史原 因， 相当一部分大坝是 边勘测 、 边设计 、 边施工 的， 加之管 理不善 ， 不少 大坝 成为 了病 险工 程 ， 有的甚至溃坝失事。这其 中， 因渗流破坏 问题所 占的比例高达3 0 一 4 0 。渗透水流除浸湿土体降 低其强度指标外 ， 当渗透力大到一定程 度时将 导致 坝坡滑动、 防渗体被击穿、 坝基管涌、 流土等重大渗 流事故 。由于土石坝筑 坝材 料具有一定渗透性 ， 坝 体渗流场的分布取决于不 同区域筑坝材料的渗透性 能， 各类坝型对筑坝材料的渗透性能有一定要求， 当 材料渗透性不满足要求或 防渗体产生裂缝 时， 坝体 就会产生渗流异 常， 影 响大坝安全 和正常运行 。由 于 2 0世纪 5 O _8 0年代我 国的筑坝技术落后 ， 施工 质量较差， 碾压密实度不满足要求， 造成坝体或防渗 体 出现裂缝 ； 或者 坝后、 防渗体后无反 滤、 防渗体厚 度不够 、 基础处理 不完善等 ， 造成 大坝渗漏 ， 甚至发 生渗透破坏 。根据土石坝特点及我国土石坝病害情 况， 土石坝的渗流病害可分为以下几种情况： 坝基 渗漏。由于施工时大坝清基不彻底 ， 坝基坐落在透 水性较强的覆盖层上 ， 或坐落在裂隙发育 、 透水性较 大、 未进行防渗处理或处理不完善的基岩上， 致使坝 下游或坝脚 出现渗漏 ； 坝肩渗漏。由于施工 时坝 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 1 作者简介 周晓明( 1 9 8 1一) ， 男， 湖北黄梅人 ， 工程师， 从事水利水电工程加 固设计工作 。 一 51 2 0 1 4年第 1 2期 ( 第 4 2卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y NO 1 2 2 01 4 ( T o t a l N o 4 2 ) 肩裂隙发育 、 透水性较大的基岩未进行 防渗处理或 处理不完善， 致使两岸坝坡与岸坡结合处下游出现 渗漏； 坝体及防渗体渗漏。由于施工时防渗体或 坝体填筑质量差 ， 压实度及渗透性不满足规范要求 ； 或者大坝变形较大 ， 引起 防渗体开裂 ； 或铺盖等防渗 体的设计长度、 厚度不够； 或防渗体无反滤保护或保 护不符合要求等； 下游排水体及反滤料淤堵。 由于下游排水体及反滤料 淤堵 ， 造成坝体浸润线抬 高， 局部位势集中， 渗流比降增大， 致使下游坝坡出 现渗漏； 防渗体与刚性建筑物接触渗漏； 坝下涵 管渗漏； 动物危害； 岩溶渗漏及浸蚀性危害等。 对于土石坝异常渗流现象， 根据上堵下排的原 则 ， 防渗加固措施一般分为水平防渗和垂直防渗两 大类 ， 使其渗透坡降不超过允许坡 降， 保持土体 的渗 透稳定。水平 防渗主要是上游铺盖 ， 结合下游排水 减压设施 。铺盖长度应保持一定 的水平 渗径 ， 使 出 逸坡降小于允许值 ， 排水减压设施 尽可能靠近坝脚 位置 ， 以便更有效的降低坝体浸润线 ， 减少坝基承压 水头 ， 防止坝脚 与排水 沟间土层的渗流破坏。水平 铺盖防渗加 固可就地取材 ， 施工场地大 ， 进度快 ， 简 单易行 ， 但施工时需放空水库 ， 对受制于放水设施 限 制或库区取水需要的病险水库 ， 往往受到限制。 随着我国水利技术 的发展 ， 垂直防渗加 固技术 得到了迅速发展， 垂直防渗已成为十分常见的工程 措施 ， 其中混凝土防渗墙 的效果最为可靠 ， 因此成 为 许多重要工程的首选方案 。混凝土防渗墙 主要采用 钻凿 、 锯槽 、 液压开槽机、 射水及抓斗等工法 ， 在坝体 或地基 中建造槽型孔 ， 以泥浆 固壁 ， 然后采用直升导 管 ， 向槽孔内浇筑混凝土 ， 形成连续的混凝土墙 ， 以 达到防渗 目的。防渗墙施工可以适应各种不 同材料 的坝体和各种复杂 的地基 ， 墙 的两端能与岸坡 防渗 设施或岸边基岩相连接 ， 墙 的底部可嵌入弱风化基 岩内一定深度， 彻底截断坝体及坝基的渗透水流 J 。 1 混凝土防渗墙设计要点 采用混凝土防渗墙加固， 应根据土石坝 的坝型、 坝高及渗漏原因确定布置形式。对于坝基和坝体都 存在渗漏隐患的均质土坝， 混凝土防渗墙宜布置在 坝轴线上游 附近， 对于黏土心墙坝宜 布置在黏土心 墙中部。对于斜墙坝如坝基 出现渗漏 ， 在水库可以 放空的条件下 ， 一般布置在斜墙脚下 ， 如坝体坝基均 渗漏 ， 其布置同均质土坝 。 1 1 防渗墙厚度 一 5 2 一 混凝土防渗墙 厚度主要根据墙体抗渗性能 、 耐 久性及施工条件确定 。 根据抗渗要求 ， 墙厚 t 应满足式 1 ： ( 1 ) 式中： 为防渗墙作用水头； ， 为防渗墙允许水力 梯度。 不同材料混凝土防渗墙 的允许水力梯度见表 1 。 表 1 混凝土防渗墙的允许水力梯度 混凝土耐久性丧失 ， 多半是被渗透水侵蚀 的结 果。根据试验研究， 按其强度降低 5 0 的年限作为 选择墙厚的准则 ， 年限 可按式 2计算 ： = ( 2 ) 式中： 0为使混凝土降低 5 0 所需溶蚀水量 ， i n k g ， 一 般情况 n取 1 51 8 ； M为 m 混凝土水泥量 ， k g m ； L为墙厚 ， m； k为渗透系数 ， m a ； i 为水力梯度 ； 为安全系数 。 混凝土防渗墙使用年 限 可根据 水利水 电工 程结构可靠度设计统一标准( G B 5 0 1 9 9 9 4 ) 确定， 1 级壅水建筑物结构 的设计基准期应采用1 0 0 a ， 其 它 永久性建筑物结构应采用5 0 a 。 防渗墙采用的槽宽及墙厚应 与挖槽机具 的一次 成槽 宽 度 相 适 应 。国 内 已 建 成 的墙 厚 在 0 6 1 3 m， 如不能满足设计厚度要求 ， 则以两道墙解决 。 根据挖槽机具 ， 采用 冲击钻造孔 的设计墙厚一般 取 0 8 m， 抓斗造孔一般取0 6 m。 1 2 防渗墙控制指标 1 2 1 抗渗等级 混凝 土抗渗等级按 2 8 d龄期的标准试件测定 ， 根据建筑物开始承受水压力 的时间， 也可利用 6 0 d 或 9 0 d龄期的试件测定抗渗等级 。混凝土防渗墙的 抗渗等级要求不得低于 水工混凝土结构设计规范 ( S L 1 9 1 -2 0 0 8 ) 要求 。 1 2 2 渗透系数 混凝土防渗墙分槽段浇筑 ， 各 槽段间分缝处存 在泥皮接缝 ， 其泥皮厚度对 防渗墙 的整体 防渗性能 存在一定影 响。另外 ， 防渗墙混凝土水下浇筑过程 中， 施工质量控制 的好坏对 防渗性能也有一定 的影 周晓明： 混凝土防渗墙在土石坝防渗加固中的应用 第 1 2期 响。因此 ， 一般对混凝土防渗墙提出渗透系数小于 i 1 0 。e m s ( i 为 1 5 ) 。 c 抗压强度与弹性模量： 混凝土防渗墙的抗压强 度与弹性模量主要受防渗墙在坝体中的受力条件控 制 。防渗墙属薄型结构 ， 其受力实 际主要 受抗 拉强 度控制 ， 混凝土的抗拉强度 与抗压强度有正 比关系 ， 因抗压强度 检测 比较方便 ， 一般采用抗压 强度作为 控制指标。同时， 防渗墙的受力与其适应坝体的变 形能力也有关系， 防渗墙的弹性模量越低， 适应坝体 变形的能力越强 ， 防渗墙应力就越小 。工程设计 中， 要求防渗墙混凝土的抗压强度高 ， 而弹性模量低 ， 这 是一对矛盾， 具体需要根据防渗墙的应力应变分析 确定 。对一般 的土石 坝加 固工程 ， 一般要求抗压强 度 R 2 8 7 5 M P a ， 弹性模量 E 3 5 1T I 。一期槽端的导管距 孔端或接头管宜为 1 01 5 m， 二期槽端 的导管距 孔端宜为1 0 m。当槽 底高差 2 5 c m时 ， 导管应布 置在其控制范 围的最低处。导管的连接和密封必须 可靠 。应在每套导管的顶部 和底节管以上设置数节 长度为 0 31 0 m的短管 。导管底 口距槽底应控制 在 1 5 2 5 e m范围内。开浇前 ， 导管内应置人可浮起 的隔离塞球。开浇时， 应先注入水泥砂浆， 随即浇人 足够 的混凝土 ， 挤 出塞球并埋 住导管底端。在浇筑 过程 中， 要控制混凝土浇筑强度 ， 速度过快可能劈裂 坝体 ， 过慢会使混凝土表面泥浆沉淀较厚 ， 同时表层 混凝土初凝 ， 影响浇筑质量。 ( 下转第 9 9页) 一 53 李向慧： 朝阳市保护地蔬菜膜下滴灌系统典型设计 第 1 2期 阻有关的系数 ， 取 0 5 0 5 ； s 。为多孔管进 口至首孔的 间距 ， m； s为分流孔间距 ， m； N为分流孔总数 ； q d 为 单孔设计流量 ， L h ； d为管道 内径 ， m m； b为管径指 数 ， 取 4 7 5 ； m为流量指数 ， 取 1 7 5 。 辅 、 毛管进 口水头计算公式 ： h 。=h d+K ， ( 1 0 ) 式中： h 。 为设计辅、 毛管进口水头， m； h 为毛管为灌 水器设计水头1 0 m， 辅管为进口水头； ； 为等距多孑 L 管沿程 水 头损 失 ， 1 1 1 ； K 为水 头损 失 扩 大 系数 ， 取 1 1 ； 毛、 辅管水力计算见表 1 。 表 1 毛、 辅管进 口水头表 参数h a m d m m N K h m h 。 m 毛管 1 0 1 5 1 7 7 1 1 1 0 1 1 1 辅管 1 1 1 3 6 3 4 1 1 3 7 1 5 2 2 ) 干、 支管水力计算 ： 干 、 支管沿程水头损失按公式 ： = fQ a d L ( 1 1 ) 式 中： 为与摩阻有关 的系数 ， 取 0 4 6 4 ； Q 为干 、 支 管的流量 ， L h ； d为干 、 支管直径 ， m m； b为管径指 数 ， 取 4 7 5 ； L为干、 支管长度 ， m 。 干、 支管进口 水头计算公式与毛、 辅管进口水头 计算公式相同。 干、 支管水力计算见表 2 。 表 2 典型地块支管进口水头表 q d 参数 m 3 ： h 一 2 IIlln ， m 支管 2 7 8 1 0 0 0 4 6 4 1 7 7 2 5 9 2 1 l 7 5 王 篁 竺 ： 兰 竺 ： ： ! ! ! ： ： ： 3 ) 系统首部压力计算： h 首 = 干+h 过+ 局+ 阀 ( 1 2 ) 式中 ： h 首为首部压力 ； h 过为过滤器 ； 取 7 m； h 干为干 管压力 ； 2 0 2 m； h 局为取沿程损失 的 1 0 ； h 阀为闸 阀损失 ； 0 5 m。 典型地块首部压力 H 首=为2 9 8 m。 选用水泵时必 须满足下列条件 t 采 用的水泵额 定流量应大于或等于管网的设计流量； 额定扬程应 大于或等于管网工程设计的总扬程 。 3 结语 由于滴灌是高效节水 的灌溉方式 ， 而地膜又具 有提高地温、 防制杂草、 减少水份蒸发的效果， 使保 护地蔬菜膜下滴灌系统节水效果显著， 滴灌水利用 系数达到 0 9 5以上 ， 做到 了地下水资源合理利用、 采蓄平衡 ， 在缺水地区有一定的推广意义。 参考文献 ： 1 杜延庆 农业节水灌溉之滴灌技术研究 J 黑龙江水利 科技 ， 2 0 1 4 。 4 2 ( 0 8 ) ： 1 3 91 4 0 ( 上接第 5 3页 ) 2 4 墙间接缝 各槽段间由接缝 连接成 防渗墙整体 ， 槽段 间的 接缝是防渗墙的薄弱环节。两槽 孔间混凝土墙的连 接， 是保证防渗的关键。在连接部位， 从孔口到孔底 连接 的墙厚 ， 必须达到设计厚度 ， 且混凝土墙间必须 连接紧密， 夹泥层不能过厚 ， 以防渗透破坏 。 目前采 用的接头主要方法有钻凿法 、 拔管法 、 双反弧法 、 铣 槽法及接缝设置止水等。 3 结语 1 ) 我国的病险土石坝主要存在设计不合理、 施工 质量差、 碾压不密实、 坝基清理不彻底 、 基础处理不完善 等隐患， 造成大坝裂缝 、 渗漏、 稳定安全度不够及防洪能 力不足等问题， 需采取措施进行加固处理。 2 ) 对于土石坝渗漏问题， 可根据坝体渗漏具体 情况 ， 选用施工工艺和技术较成熟的混凝土防渗墙 ， 通过严格控制施工过程 ， 可以保证工程质量 ， 达到根 本解决土石坝渗漏问题的 目的。 3 ) 防渗墙造孔过程是防渗墙施工中的事故多发 环节 ， 由于槽段的不稳定因素 ， 应尽量缩短各槽段的 施工时间， 保证槽段正常施工。同时 ， 应提前做好应 急预案 ， 出现塌孔等突发事件 ， 要及时处理。 4 ) 混凝土防渗墙作为隐蔽工程， 其质量好坏只 能在施工过程中进行控制， 在最终运行中才能够完 全体现。为保证 防渗墙在 土石坝 防渗加 固中的质 量 ， 一定要充分研究和论证 ， 选择合适 的墙体材料和 施工工艺 ， 同时要注重施工 过程的控制 ， 从造孔 、 清 孑 L 、 混凝土浇筑等方面进行严格控制。 5 ) 防渗墙 终孔 深度应准 确判定 ， 入岩深度要按 设计要求控制， 基岩可配以帷幕灌浆， 杜绝墙下隐藏 渗漏通道 ， 确保工程加固的彻底 防渗。 参考文献： 1 孙继昌中国的水库大坝安全管理 J 中国水利， 2 0 0 8 ， ( 2 0 ) ： 1 01 4 2 谭界雄 ， 位敏 我国水库大坝病害特点及除险加固技术 概述 J 中国水利， 2 0 1 0 ( 1 8 ) ： 1 72 0 一 9 9