摘要：本文通过对水库除险加固工程中混凝土防渗墙的设计和施工，介绍了薄壁液压抓斗法混凝土防渗墙的设计过程、以及在施工中应达到的技术要求及注意事项。
关键词：塑性混凝土防渗墙；设计；薄壁液压抓斗；施工
前言
混凝土防渗墙，是在松散透水地基中连续造孔，以泥浆固壁，往孔内灌注混凝土而建成的墙形防渗建筑物。混凝土防渗墙的设计，依据地基的工程地质与水文条件，结合闸坝结构的要求，确定墙轴线位置，选用墙体材料，初步选定墙厚；然后进行渗流及结构应力计算，确定墙底嵌入基岩或相对不透水层的深度及墙体材料物理力学指标，最终确定墙厚和墙体与防渗体连接的细部设计。常用的墙体材料有素混凝土、掺大量粘土的塑性混凝土、粉煤灰混凝土等。本工程采用塑性混凝土。
1.工程概况
某水库主坝为均质土坝，坝顶高程1649.70m，坝顶长150m，坝顶宽5m，最大坝高23m。基本上属于就地取材筑坝，由于历史原因，大坝填筑质量普遍较差，坝基清基不彻底，上坝土料不均匀，碾压质量差，坝体及坝基渗漏严重；坝基和坝端结合部渗漏，渗漏量随库水位升高而增大，坝体排水陵体已失效，原输水涵洞渗漏严重，且涵洞已发生断裂，严重威胁坝体安全和正常效益的发挥。经安全鉴定，水库大坝安全性综合评价为三类坝，即属于病险水库。
该水库大坝坝址位于低山缓谷地段。天然植被良好，无明显不良地址现象。基岩为白云质泥质灰岩偶夹粉砂岩，节理和岩溶均较发育。岩层风化强烈，完整性差，呈块状。上覆为第四系冲洪积松散层，灰岩仅在坝址下游30m以外地表出露。
2.设计方案
根据水库大坝坝轴线的渗透系数K值（见下图）和压水试验成果，结合工程现状和地形地质条件、水文条件，再考虑各种客观因素来确定防渗墙的设计方案。
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，已成为水库大坝防渗加固的一项重要措施。针对坝体垂直防渗墙施工中容易出现的造孔孔斜、地层严重漏浆、孔底清渣、接头连接等技术难题，应采用现代施工新技术、新工艺。随着现代施工工艺的不断提高和完善，采用薄壁液压抓斗施工技术无疑是一个快捷、高效的选择。大坝的垂直防渗处理方案为：坝体桩号0+007.50—0+141.50采用抓斗造孔塑性混凝土防渗墙，墙厚30cm。
塑性混凝土防渗墙设计物理力学指标为：渗透系数K≤5.0×10-7cm/s；墙体厚度t=0.30m；抗压强度3Mpa≤R28d≤5Mpa；弹性变形模量300Mpa≤E28d≤1000Mpa；允许渗透比降J≥80。
3.混凝土防渗墙设计
3.1混凝土防渗墙的设计深度
混凝土防渗墙底部深入全风化带下0.5m，顶部嵌入坝体防渗墙中，最大深度为20.6m。
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（δ），计算公式如下：
式中：ΔHmax—作用在防渗墙上的最大水头差（m）；
K—抗渗坡降安全系数，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。该水库，由于河流水头较低，ΔHmax在10m～30m之间。计算得：δ=0.15m～0.5m即可满足要求。
为节约材料，降低成本，土坝混凝土防渗墙可以做得薄一些，受造孔机具限制，参考国内工程经验，土坝混凝土防渗墙墙体厚度一般确定为0.20m～0.8m之间。
综上所述，根据施工条件，防渗墙采用的槽宽及墙厚应与一次成槽相适应，本工程防渗墙确定采用抓斗造孔施工，因此取防渗墙厚度为0.3m即30cm。
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。
4.混凝土防渗墙施工
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。本工程属于小（一）型工程，针对坝体垂直防渗墙施工中容易出现的造孔孔斜、地层严重漏浆、孔底清渣、接头连接等技术难题，确定采用薄壁液压抓斗法施工。
薄壁液压抓斗法新的防渗墙施工技术出现于20世纪90年代，此项技术适用于坚硬的土壤与砂砾石中成槽，成槽深度可达60米，此项技术不仅降低了工程造价，而且提高了工程施工速度，一台液压抓斗成槽平均工效为125m2/d，这大大的提高了工作效益、减小了施工难度。
5.混凝土防渗墙成墙技术特点
目前在水利工程的混凝土防渗墙方面没有现行的设计规范，在设计过程中参照现行的《 水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》（SL174—2014）、《 水利水电工程混凝土防渗墙施工规范》（DL/T5199—2004）来考虑本工程的混凝土防渗墙成墙技术，其特点如下：
5.1造孔成槽
5.1.1布置施工平台
抓斗施工平台设置在防渗墙轴线下游侧，原坝顶宽度只有5m不能满足抓斗施工所需8m宽的施工平台的要求。于是将坝顶高程由1649.70m降低2.20m至1647.50m作施工平台，将降坝的土料填筑到坝体下游侧，以保证抓斗施工平台的宽度。在防渗墙轴线的下游侧设置平行坝轴线的排渣排水沟，断面尺寸50×50cm，再在顺流右岸修建垂直防渗墙轴线的排渣排水沟，将废渣﹑废水排至下游泥浆沉淀池，经脱水后，所有废渣运至弃渣场。
5.1.2修筑导向槽
导向槽是在地层表面沿地下连继防渗墙轴线方向设置的临时构筑物。导向槽起着标定防渗墙位置、成槽导向、锁固槽口；保持泥浆液面；槽孔上部孔壁保护、外部荷载支撑的作用。导向槽的稳定是混凝土防渗墙安全施工的关键。本工程导向槽两侧墙体采用矩形断面，现浇C15钢筋混凝土构筑，槽内净宽40cm，顶部与施工平台齐平，顶部高程为1647.50m，导墙深1.00m，宽0.60m。
5.1.3抓斗成槽
土石坝防渗墙开槽施工工艺主要锯槽法和挖掘法。锯槽法主要有往履射流式开槽、链斗式开槽、液压式开槽；挖掘法主要有冲击钻法、抓斗法、冲抓结合法。根据本工程地质条件及生产性试验确定采用挖掘法中抓斗法，并制定了“三抓法”的施工方案，即采用KH-180液压抓斗机先抓取槽段的主孔再抓取中间的副孔成槽。
5.1.3.1槽段划分
混凝土防渗墙沿轴线方向划分为Ⅰ、Ⅱ期槽段。单序号为Ⅰ期槽段，双序号为Ⅱ期槽段。在同一个槽段内又分为3个孔：2个主孔和1个副孔。Ⅰ、Ⅱ期槽段开挖长度同为6.7m，第一、三主孔长度为2.8m，第二副孔长度为1.10m。
5.1.3.2开挖成槽
开挖成槽采用“三抓法”，在导向槽上放样标识孔位，将抓斗对正孔位后进行垂直造孔。首先施工槽段两端2.8m的主孔，主孔完成后再抓中部1.1m的副孔。主、副孔完工即该施工槽段成槽完工。
5.2 固壁泥浆
泥浆在造孔成槽过程中起固壁、悬浮、携渣、冷却钻具和润滑的作用，成墙后还可增加墙体的抗渗性能，本工程泥浆采用膨润土拌制，泥浆配合比为水800kg、膨润土230kg、Na2CO36.9kg；固壁泥浆性能指标密度1.10～1.20g/cm3，漏斗粘度30～90s、含砂量≤3%。
新制泥浆经过24h膨化后，利用供浆管输送至槽孔内使用，成槽及槽段浇筑过程中回收的泥浆，经净化后可重复使用。槽孔孔口泥浆面在成槽过程中保持在导向槽顶面以下30～50cm范围内。
5.3防渗墙体灌筑
混凝土防渗墙是在泥浆下灌筑混凝土，本工程是采用刚性导管法进行墙壁体灌注，混凝土竖向顺导管下落，利用导管隔离泥浆，使其不与混凝土接触，导管内混凝土依靠自重压挤下部管口的混凝土，并在已灌入的混凝土体内流动、扩散上升，最终置换出泥浆，保证混凝土的整体性。
5.3.1清孔换浆
槽段终孔验收合格后进行清孔，清孔采用抓斗抓取淤泥，利用下设潜水排污泵抽浆，并及时用新鲜泥浆补充。清孔换浆结束1h后，达到下列标准：（1）孔底淤积厚度不大于10cm；（2）泥浆参数为：槽内泥浆比重不大于1.1g/cm3，粘度不大于35s，含砂量不大于3%。清孔换浆工作可以结束。
槽段清孔换浆结束前将钢丝刷子安装在抓斗斗体上，紧贴一、二期混凝土结合面，分段上下反复提动，达到刷子上不带泥屑，孔底淤积不再增加，即接头面清洗合格。
5.3.2槽段混凝土灌注
（1）清孔换浆结束后，下设混凝土灌注导管，导管内径为209mm。一期槽段长度为6.7m，下设三套导管，两侧导管距槽端1～1.5m；二期槽段由于套抓接头，槽段长度为7.3m，下设三套导管，两侧导管距孔端1.0m；同时，槽段内导管间距不大于3.5m。导管底部距槽孔底板不大于25cm，当槽底高差大于25cm时将导管置于控制范围的最低处。
（2）灌注前导管内置入可浮起的隔离塞球，灌注时先注入水泥砂浆，随即注入足够的混凝土，挤出塞球并埋住导管底端，避免混凝土与泥浆混合。
（3）灌注过程中每30min测量一次混凝土面，每2h测量一次导管内混凝土面，根据混凝土面上升情况，决定导管的提升长度。导管在混凝土内的埋深最小不得小于1.0m，最大不得大于6.0m，在保证埋深的前提下，随着混凝土面的上升，用吊车提升导管，并将顶部的部分导管拆除。
（4）槽孔内混凝土面上升至槽口时，采用泥浆泵抽出浓浆，并提升导管，减小埋深，增加混凝土的冲击力，直至混凝土顶面超出设计墙顶标高0.5m，即可停止浇筑，拔出导管。
5.4槽段接头处理
相邻槽段的衔接部分即为接头，本工程采用钻凿法进行接头连接，即一期槽段浇筑完毕后12小时后，视混凝土强度进行二期槽段造孔时，将一期槽段混凝土套抓30cm，以保证接头质量。
6.混凝土防渗墙成墙技术会出现的问题
6.1坍塌、漏浆
槽段在成槽过中会出现局部坍塌和大面积坍塌，当出现局部坍塌时宜加大泥浆密度，出现大面积塌孔时宜用优质粘土（掺入20%左右水泥）回填到坍塌处以上1～2m，待沉积密实后再进行施工，同时在相应地段减小槽段开挖长度。
槽段成槽开挖过程中，有时会出现的漏浆现象，出现漏浆现象常采用处理措施有：（1）平抛粘土，加大泥浆比重或抛入锯末等进行堵漏；（2）松散地层，造孔应循序渐进，预防在先，稳中求快；（3）保证泥浆供应强度和质量，如发现漏浆应及时补充；（4）对漏失严重的地层采用加水玻璃等速凝剂或用速凝水泥等特殊材料处理，必要时还应对槽孔进行回填，具体情况应具体对待。
6.2导管堵塞
成墙灌注混凝土过程中有时会出现导管堵塞的现象，针对导管堵塞宜采用捣、顿方法疏通，如果无效应将导管全部拔出、冲洗、并重新下设，用泥浆泵抽空导管内泥浆后继续浇筑，同时还要核对混凝土面高程及导管长度，确认导管的埋置深度。
以上是会经常遇到的问题，也有一些是不可预见的问题，这就要求我们在设计和施工过程中必须严格按相关规程规范操作，并不断总结。
7.混凝土防渗墙成墙技术应注意的问题
7.1控制好抓接头的时间
抓接头时间的长短直接会影响防渗墙的质量，时间太短混凝土没有凝固，时间太长则混凝土强度太高，抓接头适宜的时间宜在墙体浇筑后12小时，特殊时可长些，但最迟不宜超过24小时，抓斗抓取时斗体一侧为混凝土而另一侧为土，斗体受力分布不均匀，容易造成槽孔沿轴线方向偏移，导致接头质量无法保证，同时严重影响造孔成槽进度，因此，撑握好抓接头的时间是成槽进度快慢的关键。
7.2吊装设备的配置和保养
该水库除险加固工程的混凝土运输宜采用自卸汽车，吊装设备应合理配置，预防出现机械故障，确保工程的进度和质量。
7.3成墙混凝土灌筑应注意的问题
混凝土导管下设过程中检验螺丝的松紧及坚固程度，确保导管间连接可靠。混凝土灌筑具有相当高的连续性和技术水准，因故中断不得超过40min，通常应控制在30min以内。同时，槽内混凝土上升速度不得小于2m/h，各灌筑导管均匀放料，保证混凝土面均匀上升，使其高差不超过0.5m。浇筑时槽口还要设置盖板，防止杂物落入槽内。
8．结束语
综上所述，混凝土防渗墙技术应用于大坝除险加固工程，可有效解决坝体，坝基渗漏问题，同时采用先进的薄壁液压抓斗施工新技术、新工艺，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。
参考文献：
[1]钟璞.大坝基础防渗墙[M].北京：中国电力出版社，2000.
［2］《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》（SL174—2014）.
［3］水利水电工程混凝土防渗墙施工规范》（DL/T5199—2004）.
作者简介：
蔡春梅（1982年4月），女，汉族，福建，本科，研究方向：水利水电。
论文作者:蔡春梅
论文发表刊物:《基层建设》2016年8期
论文发表时间:2016/7/14
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