塑性混凝土防渗墙在小型水库大坝防渗设计中的应用

塑性混凝土防渗墙在小型水库大坝防渗设计中的应用

【摘要】结合水库大坝的坝型、坝体坝基的实际地质条件以及施工条件等，在大坝的防渗设计中经方案比较，选用人工挖孔桩塑性混凝土防渗墙作为大坝的防渗设计方案，为我们在资金较为有限的小型水库除险加固设计中，如何能够选用经济合理的大坝防渗方案提供了一定的参考借鉴作用。

【关键词】防渗设计大坝混凝土防渗墙小型水库 1 工程概况

（一）工程基本情况

凤凰肚水库是一座以灌溉为主的小（二）型水库，水库位于贵港市覃塘区三里镇大周村郁江支流鲤鱼江分支的河上游上，水库集雨面积2.02km2。距三里镇约4 km，距贵港市城区约34 km。

大坝采用30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核，相应水位分别为84.57m、84.82m，正常蓄水位为83.08m。水库总库容56.0万m3，其中调洪库容13.94万m3，兴利库容42.06万m3，死库容0万m3。

水库枢纽主要建筑物有大坝、溢洪道、放水设施各一座。凤凰肚水库垮坝时，受影响的主要有三里镇的大周合城屯等村屯，影响人口2450人，耕地2500亩。水库设计灌溉面积950亩。

（二）大坝地质情况

根据钻孔揭示，该坝坝体填筑土以黄色灰褐色含砾粘性土为主，硬塑~可塑，稍湿，无摇震反应，稍光滑，干强度中等，韧性中等，中等~偏高压缩性，厚度0.0~14.5m。根据现场注水试验，坝体心墙土渗透系数K=7.5×10-4cm/s，为中等透水性；坝壳土渗透系数K=9.6×10-4cm/s，为中等透水性，坝体土渗透性达不到规范要求。

坝基为红褐色~黄褐色残坡积土层，中等压缩性，硬塑~可塑状，稍湿至饱和，局部含强风化粉砂岩碎粒或碎块，厚度2.0~3.0m；残坡积土渗透系数K=2×10-4cm/s，为中等透水性。残坡积土层下部为寒武系强风化粉砂岩，灰黄色，岩石风化裂隙较发育，多为泥质充填，局部岩石风化为土状，手可捏碎。坝基强风化岩石由于节理裂隙发育，透水率q＝15 Lu，属中等透水层；弱风化带因不同地段裂隙发育程度不同，造成透水率变化较大，透水率q＝6Lu，属弱~中等透水层。

（三）大坝存在的主要问题

水库于1957年11月动工兴建，1958年5月完工。由于资金及管理方面的

原因，凤凰肚水库自建成至今只于1986年1次除险加固建设。大坝为粘土心墙坝，现状最大坝高16.7m，坝顶长130m，坝顶宽3.2m，坝顶高程为85.40 m。最大断面处，上游坡比为1:2.5；大坝下游坡比自上而下依次为1: 2.2、1:2.4、1：4.4，在73m高程处有一个宽16m的平台，平台下为干砌石排水棱体，上游坡没护坡，上段坡面杂草丛生，下段坡面被水冲刷洗淘严重，下游坡坡面凹凸不平，杂草丛生，没有排水沟，排水棱体尚完整，少部分出现松动脱落。根据管理人员介绍，大坝在蓄水位达83.1米高时下游右侧坝坡约77.80m高程会出现长约50m宽约2m的漏水带，渗漏量最大约达25L/s，水位越高，湿润面积越大，并且有逐年加大的趋势，水库已无法正常蓄水。

2 大坝防渗加固设计

2.1大坝防渗加固设计方案比选

① 方案拟定

由于凤凰肚水库大坝坝体、坝基及坝基接触带存在渗漏问题，坝体填筑质量较差，渗透系数较大，必须对大坝进行防渗加固处理。根据坝体坝基地质条件、大坝渗漏程度及施工条件等因素，根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274－2001）及《水电水利工程高压喷射泥浆技术规范》（DL/T5200－2004），同时结合已建类似工程经验，坝体防渗加固方案拟于工程中常见的塑性混凝土防渗墙和高压旋喷防渗墙两者之间选择。

方案一：塑性混凝土防渗墙方案

混凝土防渗墙沿大坝原坝轴线布置，下限线嵌入坝基填土分界线1.0m，顶高程以不低于正常洪水位控制，取为83.50m。防渗墙长130m，最大墙深16.41m，墙体允许渗透比降〔J〕＝80～100，按常规经验公式计算得墙厚d＝30cm即可基本满足要求，但由于本工程为小型工程，进库公路狭窄，钻孔机械无法到达，且附近无高压电流，因此混凝土防渗墙施工选择采用人工挖孔桩成槽，考虑人工挖孔桩的施工要求，人工挖孔桩桩径采用φ0.8m。

防渗墙墙体采用桩柱型墙体结构，此法所形成的防渗墙墙体是由一列连锁的桩柱组成，相邻桩孔间搭接一部分，先开挖一期孔（奇数号孔），挖完后随即浇筑混凝土，然后再施工二期孔（偶数号孔）。为了获得等厚度的连锁桩柱墙，将二期桩孔施工成“双反弧形”。每个一期孔造孔完毕后即浇筑混凝土先成桩柱，二期桩柱施工时，相邻两个一期孔之间开挖成断面为双反弧形状的桩孔，并将露出的一期桩柱侧面清理干净，再将这些桩柱孔浇筑混凝土，即成为连续的墙体。用此法施工的墙体连续性很好，能有效地避免深部分叉的现象。

连锁桩柱施工法示意图

1、一期桩柱砼；2、二期桩柱砼；3、护壁砼

方案二：高压旋喷防渗墙方案

沿大坝原坝轴线进行高压旋喷灌浆，旋喷孔穿过坝体至坝基填土线以下1.0m。高压旋喷灌浆轴线长130m，最大孔深16.41m。高压旋喷灌浆孔按单排布孔，孔距采用1.0m，灌浆沿线共设置了130个灌浆孔。坝体灌浆形成的有效防渗墙最小厚度为0.5m。高压喷射灌浆采用材料为水泥浆，坝体高压喷射灌浆形成的防渗墙渗透系数应小于10-5cm/s。

② 方案比选

两方案主要工程量及工程投资比较见表1。两方案工程直接投资相差不大，方案一比方案二多9.21万元。

表1 大坝加固方案主要工程量及工程投资比较表

方案一（混凝土防渗墙方案）：优点是防渗加固较彻底、可靠，防渗性能好，工程质量控制有保证；缺点是施工速度较慢、施工时间较长。

方案二（高喷防渗墙方案）：优点是施工速度快；缺点是当防渗深度较大时，由于钻孔偏斜旋喷墙下部容易开岔，不易控制工程质量，同时需要通过高喷试验确定孔距等参数，另外高压旋喷灌浆防渗体的防渗性能不如混凝土防渗墙。

经以上技术、经济综合比较分析后认为，方案二（高喷防渗墙方案）工程投资较省，但方案二对交通、供电等施工条件要求较高，本工程为小型工程，无法满足方案二施工机械对交通、供电的要求，而方案一（混凝土防渗墙方案）施工工艺可靠、工程质量易控制，技术可行，拟作为设计推荐方案。

2.2 推荐方案（混凝土防渗墙方案）防渗加固设计

① 防渗墙范围及底线确定

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的有关规定，混凝土防渗墙沿大坝加固后的坝轴线布置，下限线嵌入坝基填土分界线1.0m，顶至正常洪水位以上0.3～0.5m，防渗墙顶高程取83.05m。防渗墙长130m，最大墙深16.4m。

② 防渗墙厚度确定

防渗墙混凝土抗压强度等级1.0~5.0Mpa，按常规经验，防渗墙厚度按下式计算：

式中：d－防渗墙厚度（m）；

h－墙体最大作用水头；

〔J〕－墙体允许渗透比降，考虑施工和混凝土老化等综合因素取

〔J〕＝80～100。

经计算，墙厚d＝30cm可基本满足要求，但根据坝坡稳定综合计算结果，且考虑人工挖孔桩的施工要求，人工挖孔桩桩径采用φ0.8m。综合以上因素，类比其它工程经验，防渗墙设计厚度采用80cm。

③ 防渗墙技术参数

防渗墙体渗透系数小于10-6cm/s，砼抗压强度在1.0～5.0Mpa之间，弹性模量在300～2000Mpa之间。墙体允许渗透比降〔J〕＝80～100。

④ 防渗墙布置及设计

混凝土防渗墙沿大坝原坝轴线布置，下限线嵌入坝基填土分界线1.0m，顶高程以不低于正常洪水位控制，取为83.50m。防渗墙长130m，最大墙深16.41m，墙体允许渗透比降〔J〕＝80～100，按常规经验公式计算得墙厚d＝30cm即可基本满足要求，但由于本工程为小型工程，进库公路狭窄，钻孔机械无法到达，且附近无高压电流，因此混凝土防渗墙施工选择采用人工挖孔桩成槽，考虑人工挖孔桩的施工要求，人工挖孔桩桩径采用φ0.8m。防渗墙墙体采用前述的桩柱型墙体结构。

3 加固后大坝抗滑稳定分析

坝坡稳定计算采用北京理正软件设计研究院编制的《边坡稳定分析软件》计算，大坝加固后典型剖面稳定计算简图见图1，结果见表2。

表2加固后水库大坝坝坡稳定计算结果

由计算结果得知：（1）大坝加固后，在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位形成稳定渗流时，下游坝坡的抗滑稳定安全系数均满足《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL1-96）规定要求，下游坡不存在滑动危险。（2）水位从正常蓄水位骤降至1/3坝高水位时，上游坝坡抗滑稳定安全系数均大于上游坝坡抗滑稳定最小安全系数[K]=1.15；水位从校核洪水位骤降至正常蓄水位时，上游坝坡抗滑稳定安全系数均大于上游坝坡抗滑稳定最小安全系数[K]=1.05；满足《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL1-96）要求，上游坝坡不存在向下滑动的危险。（3）大坝加固后，在各种工况下，大坝上、下游坝坡的抗滑稳定安全系数较加固前均有较明显提高。

4 结束语

本水库根据大坝的坝型、坝体坝基的实际地质条件以及施工条件等，在大坝的防渗设计中针对具体情况进行方案优选设计，最后经方案技术经济比较选用人工挖孔桩塑性混凝土防渗墙作为大坝的防渗方案，这为我们在资金较为有限的小型水库除险加固设计中，如何能够选用加固比较彻底、防渗性能比较可靠且投资较省的大坝防渗方案提供了一定的参考借鉴作用。目前，该项目已经进入了紧张的施工建设阶段。

【参考文献】

[1] 广西贵港市水利电力勘测设计研究院.广西贵港市覃塘区凤凰肚水库除险加固工程初步设计报告[R].贵港：贵港市水利电力勘测设计研究院，2011.