塑性砼防渗墙在三坑水库除险加固工程中的应用

胡杰+陈小平

摘 要：本文以三坑水库为例，对塑性砼防渗墙的功能进行了介绍，分析了塑性砼防渗墙在水库大坝除险加固方面的应用，并验证了塑性砼防渗墙对水库大坝等存在的渗流问题的处理效果。

关键词：水库 塑性砼 防渗墙 除险加固

塑性砼防渗墙与普通的刚性砼防渗墙相比，具有弹性模量低、极限应变大、对周围土体的适应性强、和易性好等特点，又具有成本低、成墙整体性好、质量可靠、防渗效果和耐久性较好的优点，从而保证水库工程的质量。本文以三坑水库的工程为例，简要介绍了塑性砼防渗墙的设计应用情况，以供同行参考。

1.工程概况

三坑水库位于广州市花都区赤坭镇北部，大官坑河支流三坑河上游，属北江水系，建成于1956年，是一座以灌溉为主，兼有防洪、水土保持功能的水库。水库坝址以上集雨面积19.68km2，河长10.6km，河流平均坡降为6‰。2002年经除险加固后，设计总库容2389万m3，设计灌溉面积2.2万亩。三坑水库是中型水库，属Ⅲ等水利工程，主要建筑物级别3级，次要建筑物级别为4级。水库防洪标准为100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核。工程枢纽主要由主坝、副坝、输水涵及和溢洪道等建筑物组成。

主坝位于东坑、三步坑、铁屎坑三条坑汇合的沙河上，坝体左侧为瑞岭山，右侧为大岭头山。主坝建成于1956年，为碾压式均质土坝，主坝坝顶高程为135.70m（赤炭高程），最大坝高为18.60m，坝长240.00m；坝顶宽7.00m，其下游侧设有排水沟。迎水坡为砼面板护坡，背水坡为草皮护坡，坡脚设有排水棱体。

2.主坝坝址工程地质条件及大坝存在的主要险情

2.1主坝坝址工程地质条件

通过地质测绘、地质勘探，知坝体填筑土为褐黄色，稍湿-饱和，可塑-硬塑，填土料系取自附近山坡上的表层风化残积土，受当时施工条件限制，坝体全依靠人工肩挑、小车推土、拖拉机碾压与人工夯实完成。

根据土工试验，填筑土的干密度ρd=1.26g/cm3～1.59g/cm3，平均值为1.39g/cm3，填筑土的密实度较大，天然含水量w=22.3%～43.6%，平均值为32.3%；根据标贯试验成果，填筑土多呈松散～稍密状，密实度一般～较差。据击实试验结果最大干密度平均值为1.55 g/cm3，最优含水率为23.5%，计算得出压实度为89.7%，填土压实度低，含水量偏高，未達到《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的要求。

2.2主坝存在的主要险情

根据大坝安全鉴定记载，大坝兴建于上世纪五十年代，由于受当时生产力水平所限，大坝施工质量难以得到保证，1959～1964年间均出现反滤体顶部发生渗漏，并有所发展，1964年开导渗沟处理后此情况才得以缓解。此后多次大坝进行灌浆处理。

三坑水库主坝存在的主要问题有：坝体填筑质量较差，填土压实度达不到设计要求，渗透系数较大，虽然此后多年进行过灌浆处理，但仍未彻底解决问题。在主坝坝基存在中等透水性的粗砂层和强风化层，且粗砂层沿坝基上下游均有分布，连通性较好，渗透性较强，结合主坝勘探过程分析，坝基可能存在渗漏通道。

2.3主坝现状渗流情况分析

渗流分析选择土坝典型断面进行计算，计算断面以实际坝体断面的外部轮廓线为基础，结合大坝地质勘察的结果，拟定计算边界轮廓。

渗流稳定分析采用有限元分析方法，本文主要讨论大坝在正常蓄水位132.87m时的渗流情况，通过理正岩土进行渗流分析计算，得出正常蓄水位时主坝浸润线见图1，渗流量约1.12m3/m.d，跟实际较为吻合。

3.主坝防渗方式比选

针对水库的渗漏问题，目前常用的解决方法有劈裂灌浆、防渗土工膜、刚性砼防渗墙和塑性砼防渗墙等。

劈裂灌浆法是沿着坝轴线布置竖向钻孔，以压力灌浆的方式劈开坝体，然后向坝体内灌注水泥砂浆，在坝体内部形成连续的防渗墙。这种方法存在达到注浆设计目的的可靠性差、耐久性差，隔几年需补灌浆一次，因此，本次除险加固不建议采用该种方法。

防渗土工膜法是近年来比较常用的防渗加固法，通过在坝坡上游铺设土工膜，利用防渗层加强坝体的防渗性能。这种方法适用范围广，成本低，施工速度快，但土工膜本身的抗老化性较差，且需要将水库放工才能进行施工，因此在实际操作中也有一定的难度。

刚性砼防渗墙也一种较常见的防渗加固法，在各类建筑工程中都发挥了良好的效益。但刚性砼防渗墙由于弹性模量高、极限应变小，与大坝土体弹模相差较大，适应坝体变形能力差，当地基发生较大变形时容易开裂破坏，且相对来说造价较高。

塑性砼是一种以膨润土、粘土等掺合材料取代普通砼中部分水泥而形成的低强度、低弹性模量的防渗墙材料。与刚性砼相比，塑性砼在浆液中加入粘土和膨润土，可节省工程投资，同时塑性砼弹性模量与大坝土体的弹性模量较为接近，因此，其适应坝体变形的能力更好。塑性砼防渗墙施工时通过沿坝轴线建造混凝土墙来截断坝体与基岩之间的渗透通道，可以在不放空水库的条件下进行施工。因此，综合比较了以上几种方法的特点，最终决定以塑性砼防渗墙技术进行三坑水库的除险加固工作。

4.塑性砼防渗墙的设计

根据三库水库主坝坝体存在的渗漏问题（历史上多次采用灌浆处理仍未根治渗流问题），本次除险加固时初步拟采用塑性砼防渗墙技术。

塑性砼是一种强度介于土与普通砼之间的柔性工程材料，主要技术特性是强度和弹性模量低、变形和抗渗性能好，因此被广泛用于土石坝和坝体防渗墙以及病险坝体的修复加固等工程中。我国自1989年开始采用塑性墙，先后建成了十三陵抽水蓄能电站尾水围堰和库北围堰防渗墙、水口水电站主围堰防渗墙、小浪底土坝上游围堰防渗墙和长江三峡二期围堰防渗墙等。

本次设计采用塑性砼防渗墙对坝体和坝基进行防渗处理，防渗长度为240m。塑性砼防渗墙轴线位于坝轴线上游2.0m处，与坝轴线平行。墙体厚度600mm，墙顶高程134.70m，低于坝顶1.0m，墙底深入相对不透水层不小于2.0m，最大深度29.50m。塑性砼防渗墙防渗系数小于1.0×10-6cm/s，塑性砼强度C5。塑性砼防渗墙施工拟采用液压抓斗成槽工艺进行施工，基岩以下可配合采用重锤冲击钻进施工，接头施工采用接头管工艺进行处理。

根据同类工程设计经验，对塑性砼防渗墙进行了相关的砼配合比设计及技术参数确定，水泥180kg，膨润土含量40%，砂率60%，水胶比1.03，坍落度220（要求石子最大粒径不超过20mm）。

5.效果分析

通过模拟分析，除险加固后主坝最大断面上的渗流规律符合一般加固防渗墙的效果，并消杀了50%左右的水头，渗流量明显减少（除险加固后正常蓄水位时渗流量降至0.24m3/m.d），达到了防渗加固的目的，加固后浸润线见图2。

6.结论

根据塑性砼防渗墙在三坑水库除险加固工程中的应用情况，塑性砼防渗墙不存在太大的技术难度，具备较强的适应性的可行性；且由于塑性砼防渗墙采用粘土和膨润土取代普通砼中的水泥，施工时节约水泥，有效控制了工程的成本投入；与其他类型的施工技术相比，塑性砼本身的弹性模量较低，极限应变较大，塑性砼防渗墙在承受一定的荷载之后，墙内应变较低，由此增加了墙体的耐久性，因此在水库除险加固工程中具有较大的应用优势，有助于提升施工质量。

参考文献：

[1]盛洋洋.靠山屯水库大坝塑性混凝土防渗墙防渗性能模拟分析[J].水利规划与设计，2016（10）：98-99+151.

[2]许文峰，周杨.塑性混凝土防渗墙抗渗性能检测探讨[J] .水利水电科技进展，2012（10）：89-91.

[3]王清友，王綦正.塑性混凝土防渗墙结构非线性分析及其设计[J].水力发电，1992（8）：18-22.

[4]王清友，孙万功，熊欢.塑性混凝土防渗墙[M].水利水电出版社，2008：150-162.