“先填坝后防渗处理”在大竹河水库土石坝施工中的应用

时间：2024-07-28

王晓飞

(中国水电基础局有限公司三公司，成都，610213)

王晓飞

(中国水电基础局有限公司三公司，成都，610213)

土石坝“先填坝后防渗处理”施工模式通过在大竹河水库的实践，为后续类似工程开创了一条新路子、一个新工法，其优点颇多：(1)减轻了建设初期的施工压力；(2)在坝体填筑至一定高程具备挡水能力后，给防渗施工留足了充裕的时间；(3)通过一段时间的坝体沉降变形，坝体已基本趋于稳定，对后施工的防渗体影响破坏更小；(4)用混凝土防渗墙替代沥青心墙和粘土心墙，对施工环境及地域因素的要求较低，工艺更成熟可靠，且与沥青心墙和粘土心墙分层碾压相比，混凝土防渗墙的整体性更好、防渗效果更佳；(5)这种施工模式后期维修费用低，总成本更节约。

土石坝先填坝后防渗处理施工模式大竹河水库

本文结合攀枝花市仁和区大竹河水库大坝渗漏处理工程，进行“先填坝后防渗处理”施工模式(以下简称新施工模式)研究，论证该模式的可行性及应用前景。

1 新施工模式的优越性

传统施工模式为：先做坝基防渗处理，完成后进行坝体填筑，填筑同时做坝体防渗(一般为粘土心墙或沥青混凝土心墙)，直至设计高程。

新施工模式为：先进行坝体填筑，填筑至接近坝顶高程(此时坝顶宽度需满足防渗施工最小平台宽度)时做坝体防渗墙及墙下灌浆，完成后进行坝体上部结构施工。

与传统施工模式相比，新施工模式具有以下优越性：

1.1 坝基防渗墙施工时间不受汛期制约

传统施工模式：在枯水期通过上下游围堰挡水进行坝基防渗施工，往往工期短、任务重、施工压力极大。

新施工模式：在枯水期直接进行填筑作业，当汛期来临时坝体高程已具备挡水能力，坝体本身作为挡水体，其性能优于临时围堰，通过施工导流其后续施工基本不受汛期影响，可合理安排坝体防渗墙及墙下灌浆施工时间，工期相对宽裕，减少施工压力。

1.2 坝体沉降变形对坝体防渗体的影响减小

传统施工模式：在坝体填筑的同时做坝体防渗体，在填筑过程中坝体沉降变形相对最大，若采取的防渗体适应沉降变形的能力差，将直接影响坝体防渗效果。

新施工模式：在坝体基本填筑到坝顶以后再进行坝体防渗施工，此时的坝体已经过一段时间的沉降变形，其进一步沉降变形的趋势减缓，对之后施工的坝体防渗体影响减小。

1.3 对环境、地域、沉降变形适应性强

传统施工模式：粘土心墙施工受地域影响大，沥青心墙施工受外部环境影响大。

新施工模式：坝体防渗墙造孔施工基本不受外部环境、地域的影响，墙体材料包括刚性材料和柔性材料，适应坝体沉降变形的能力强。

1.4 防渗性能优异、技术成熟、质量可靠

传统施工模式：粘土心墙的渗透系数一般不大于i×10-5cm/s，防渗性能受当地粘土料源质量的影响较大；沥青心墙的渗透系数一般不大于i×10-7cm/s，受施工工艺影响沥青心墙延轴线方向水平向分层过多，层间结合的薄弱环节占防渗体总面积的比重大，对施工环节要求较高，易出现层间结合不紧密问题，且出现问题后修复难度极大。

新施工模式：坝体防渗墙的渗透系数一般不大于i×10-7cm/s，通常可以达到i×10-8cm/s～i×10-9cm/s，防渗性能明显优于传统模式；施工技术成熟，从施工密云水库第一道防渗墙至今，广泛应用于各类大、中、小型工程，基本无不成功案例；防渗体为连续的混凝土结构，质量可靠。

1.5 维修费用低，总成本节约

传统施工模式：粘土心墙、沥青心墙在建设期投资比防渗墙略低，但维修费用高、难度大、寿命期短，累计总成本高。

新施工模式：防渗墙在建设期投资略高，但质量可靠，寿命期长，后期基本无维修费用，累计总成本低。

2 新施工模式在大竹河水库施工中的应用

在攀枝花市仁和区大竹河水库大坝渗漏处理工程中，首先将坝顶从高程1217m拆除至高程1214m，在施工平台宽度满足工作面要求后进行了坝体防渗墙及墙下灌浆施工，新建了一整套坝体防渗体系，彻底解决了大坝渗漏问题，消除了坝体安全隐患。

2.1 大坝渗漏处理背景资料

大竹河水库于2009年12月30日开工，2011年7月6日大坝填筑到1217设计坝顶高程，2011年10月10日开始蓄水。2012年11月30日，蓄水至1201.48m，观测发现大坝下游坝体浸润线较高，大坝渗流量为16.93L/s。2013年9月19日蓄水至1212.19m，渗流量增大至23.81L/s，上午7时，水库大坝下游高程1182m～1185m坝坡表面出现浸湿溢出，浸湿溢出平行坝轴线呈带状分布，面积约150m2，随后逐渐扩大，坝面出水呈流淌状，水库工程建设管理局根据相关部门指示，立即采取紧急措施放水降低库水位。

根据工程原勘察、设计、施工、大坝安全检测资料及出现渗漏问题后开展的检测和渗漏分析成果，对大坝渗漏进行综合分析，得出：沥青混凝土心墙、大坝坝基及两岸坝肩均存在渗漏，同时坝体填筑料透水性不强且不均一。

2.2 大坝渗漏处理方案的确定

2.2.1 大坝渗漏处理防渗体形式的确定

大坝渗漏处理防渗体形式的确定主要经历了两个阶段：

第一阶段：五种大坝渗漏处理方案比选。从防渗可靠性、施工技术及风险对五种渗漏处理方案的可行性进行分析、比较，得出：①原沥青心墙防渗体修补方案无法实施；②上堵下排方案可能会降低坝体浸润线，但存在较多不确定因素，防渗可靠性及耐久性较差，不能彻底解决本工程的渗漏问题；③坝体灌浆方案灌浆防渗体的渗透系数一般为i×10-4～i×10-5cm/s(i=1～10)，能够解决本工程的渗漏问题，但施工难度大、施工经验少、防渗可靠性差；④混凝土防渗墙方案广泛应用于除险加固工程，防渗效果好、技术经验成熟、施工质量可控，耐久性好；⑤上游垂直防渗+坝面防渗方案对上游坝坡稳定不利，且施工项目多、难度大，存在施工导流及施工安全风险、施工工期不可控制等问题，不适用于本工程的渗漏处理。

第二阶段：重点对混凝土防渗墙方案和坝体灌浆方案进行对比。混凝土防渗墙方案通过成槽在坝体坝基中形成连续均匀的防渗墙体，加上墙下帷幕灌浆，形成封闭的防渗体系。防渗墙渗透系数可达到i×10-7cm/s，墙体允许渗透比降大于70，防渗效果可靠，耐久性好。新设的混凝土防渗墙弹性模量能适应坝体的变形，墙体应力小于允许值，可避免开裂。此外，混凝土防渗墙技术成熟，在类似工程成功实例较多，施工质量可控，防渗效果可靠。

坝体灌浆方案通过灌浆在坝体、坝基中形成连续的、具有一定厚度的防渗体，结合原防渗系统联合防渗。根据类似工程经验，在过渡料碎石夹风化砂、坝壳料风化砂中进行灌浆难度较大，浆材扩散半径难以控制，实施前需进行灌浆试验，研究浆材的可灌性及可控性，同时确定孔位布置设计、钻孔、浆材配制、灌浆、检查等一系列设计指标及施工工艺；坝体灌浆帷幕的防渗性、耐久性与受灌地层、灌浆材料、浆液充填的密实性等有关，根据类似工程经验，灌浆防渗体的渗透系数一般为i×10-5cm/s，结石强度较低，总体防渗性能不如混凝土防渗墙；类似工程成功经验较少，施工质量不可控，渗漏处理效果难以保证，若灌浆实施后未能达到预期效果，需进一步采取防渗补强处理。

从防渗效果及可靠性方面比较，混凝土防渗墙方案明显优于坝体灌浆方案。因此，坝体混凝土防渗墙及墙下灌浆方案作为大坝渗漏处理最终方案。

2.3 防渗墙施工

2.3.1 防渗墙施工工艺

防渗墙施工采用“两钻一抓”法造孔，“气举法”清孔，“泥浆下导管直升法”浇筑混凝土的工艺，墙段间连接采用“拔管法”。槽孔划分为两期，先施工一期槽，再施工二期槽。

2.3.2 防渗墙施工参数及要求

(1)坝体防渗墙起止桩号为K0-9.00m～K0+220.60m，共划分37个槽段，槽段长度为6.8m(主孔长度为0.8m，副孔长度为2.2m)，其中两坝肩DF-0、DF-36为明挖明浇防渗墙，其余防渗墙为成槽施工。墙底进入弱风化基岩0.5m～1m，且墙底不高于原沥青混凝土心墙基座0.5m；

(2)高程1213.50m以下防渗墙为槽孔浇筑，高程1213.50m以上防渗墙为立模现浇。高程1213.50m以下防渗墙厚度为0.8m，高程1213.50m～1216.30m防渗墙厚度为0.9m，墙体最大深度为65.1m；

(3)防渗墙墙体材料物理力学指标要求：①抗压强度≥10MPa；②弹性模量小于15GPa；③渗透系数K≤i×10-7cm/s；④抗渗等级≥W8。

2.3.3 防渗墙质量检测

防渗墙墙体质量检查包括钻孔取芯、钻孔注水试验、物探声波CT、单孔声波，孔内全景数字成像、岩芯样室内物理力学试验等。分别在K0+167.67m、K0+014.07m、K0+192.87m布置3个检测孔(倒垂孔)，利用钻孔进行取芯试验、孔内弹模测试、孔内注水试、孔内声波测试和孔内全景录像，同时还利用部分灌浆预埋管孔对墙体进行声波CT对穿检测。检测结果如下：

(1)检测区域内墙体声波波速在2850～3570m/s之间，平均波速在2970m/s～3270m/s之间，波速满足C10塑性混凝土波速要求；

(2)防渗墙混凝土力学指标：抗压强度10.9MPa～19.6MPa，平均14.8MPa；弹性模量8.6GPa～15.6GPa，平均11.6GPa；渗透系数4.99×10-8cm/s～6.1×10-7cm/s；抗渗等级≥W8；均满足设计要求；

(3)通过声波CT穿透和孔内全景数字成像检测，在检测区域墙体范围内未揭示有明显异常，混凝土匀质密实。

2.4 帷幕灌浆施工

2.4.1 帷幕灌浆施工工艺

帷幕灌浆采用“自上而下、孔口封闭、孔内循环钻灌法”。墙下帷幕在第一段灌浆结束后镶筑φ89mm孔口管，并与原预埋灌浆管搭接1m，镶管待凝时间不小于24h，采用“地毯式”镶管法，Ⅰ序孔镶管后即可依次镶筑相邻的Ⅱ序孔和Ⅲ序孔。左右岸坝肩及搭接帷幕在非灌浆段钻孔结束后即镶筑φ89mm孔口管。墙下帷幕、搭接帷幕及右坝肩帷幕灌浆分三序施工，先施工Ⅰ序孔，再Ⅱ序孔，最后施工Ⅲ序孔，左坝肩补强帷幕灌浆为单序施工。

2.4.2 帷幕灌浆施工参数及要求

(1)钻孔孔径不小于φ56mm，孔斜满足设计要求，孔底沉积厚度小于20cm；

(2)在每一段钻孔结束后对该段进行裂隙冲洗和压水试验，压水试验和裂隙冲洗结合进行，采用简易压水法，压力为灌浆压力80%，压力超过1MPa时采用1MPa；压水试验结束后应立即连续进行灌浆作业；

(3)墙下帷幕接触段灌浆结束后待凝24h扫孔做简易压水试验，透水率≤5Lu后采用0.5∶1的水泥浆镶铸φ89mm内管，内管底部到达第一段底，顶部与预埋灌浆管接触段不小于50cm，且深入混凝土防渗墙不小于1m，镶管后待凝72h才能下一段的施工；

(4)按照压水试验吕荣值确定开灌水灰比的浆液比级，Ⅰ、Ⅱ序孔采用普通水泥灌浆，Ⅲ序孔采用湿磨细水泥灌浆，湿磨细水泥浆液经检测满足细度标准后(D95<40μm、D50<12μm)用于灌浆作业并定期进行细度检测，湿磨细水泥浆液开灌水灰比采用3∶1，浆液配制根据现场试验掺加1%高效减水剂；

(5)灌浆过程中，根据各段次的不同，按设计要求控制各段次的灌浆压力，根据灌浆吸浆量的变化和浆液的变换原则及时调整浆液浓度，在规定的压力下，当注入率不大于1L/min时，继续灌注30min，灌浆可以结束，灌浆结束后，应使用水灰比为0.5∶1的浆液置换孔内稀浆或积水，采用全孔灌浆法封孔，灌浆压力为该孔最大灌浆压力，封孔灌浆时间不小于1h；

(6)帷幕灌浆质量控制标准为：左坝肩K0+230.60m～K0+335.90m段全、强风化基岩灌浆帷幕要求透水率不大于10Lu，弱风化基岩灌浆帷幕要求透水率不大于5Lu；K0-19.00m～K0+230.60m段灌浆帷幕要求透水率不大于5Lu；右坝肩K0-80.00m～K0-19.00m段灌浆帷幕要求透水率不大于10Lu。检查孔压水试验合格率不小于90%，混凝土防渗墙下第一段帷幕灌浆合格率为100%。

2.4.3 帷幕灌浆质量检测

防渗墙下帷幕灌浆质量检查包括钻孔取芯、钻孔压水试验、物探声波CT、单孔声波，孔内全景数字成像等。分别在防渗墙轴线上按灌浆总孔数的10%左右进行抽检，共布置18个检测孔，本次检测孔的孔位是在灌浆前预先确定，在防渗墙施工过程中安装预埋管，通过预埋管扫孔实施墙下帷幕灌浆检查孔。同时利用部分检测孔对墙下帷幕进行了CT对穿检测。检测结果如下：

(1)18个检测孔共压水175段，透水率在0.00～3.42Lu之间，均小于5Lu，透水率稍大的孔段多为墙体与基岩接触段。仅从压水透水率评价，单孔压水合格率100%，单元压水合格率100%；

(2)通过声波CT穿透和孔内全景数字成像检测，在检测区域帷幕范围内总体未揭示有明显异常。

2.5 坝体安全检测

2.5.1 应力应变监测

混凝土防渗墙在浇筑初期上部局部出现了很小的拉应力，目前均呈压应变。其分布基本遵循下部大上部小、下游大上游小的分布规律，即仪器埋设越深，受到的压应力越大，压应力下大上小符合物体受力规律，最大压应变为734.33με，小于设计允许值989με。

2.5.2 变形检测

2.5.2.1 内部变形。防渗墙混凝土累积位移量范围为：-0.099mm～2.436mm之间，从位移分布情况看，高程越高，防渗墙向下游的水平位移越大，但最大位移值仅为2.436mm，防渗墙内部未出现影响墙体安全的水平位移。

2.5.2.2 表面变形。坝顶表面变形包括水平位移和竖向位移。主要表现为向下游方向的水平位移，其位移累积量变化范围在0.56mm～1.80mm之间。竖向位移方向主要表现为垂直向下位移，其位移累积量变化范围在0～2mm之间。

2.5.3 渗流检测

防渗墙上游测压管水位过程线与库水位基本同步，测压管水位随库水位的升降而升降，测压管水位与库水位之间存在明显的相关性，其管水位主要受库水位变化的影响。防渗墙后测压管水位随库水位升降而有所变化，但影响很小且与库水位之间存在明显的水位差，从过程线看，其水位变化周期明显滞后于库水位变化周期。从资料分析可以看出，坝段防渗墙墙前至墙后渗流水位降幅明显，这说明防渗墙起到了隔渗效果。随着库水位升高，防渗墙后水位没有明显变化，未出现异常渗流现象。

2.6 大坝渗漏处理效果

大坝渗漏处理前：最低水位1173.62m，量水堰观测到的渗流量为1.66L/s；蓄水至1201.48m，观测发现大坝下游坝体浸润线较高，大坝渗流量为16.93L/s；蓄水至1212.19m，大坝渗流量为23.81L/s，且随水位上升有进一步加剧趋势。

大坝渗漏处理后：最低水位1173.62m，量水堰观测到的渗流量为0.8L/s；蓄水至1215m，大坝渗流量为1.5L/s，坝体渗流量减小明显，根据目前渗流观测情况并结合第三方检测数据分析，本次渗漏处理效果良好，消除了坝体蓄水安全隐患，达到了业主、设计预期效果。从安全检测资料看，防渗墙应力应变、挠度变形、渗流监测、渗流量、大坝水平位移、竖向位移观测仪器正常，满足设计及使用要求，大坝运行正常。