对土坝加固技术中防渗墙的分析

　　摘要：本文根据作者多年工作经验分析了对混凝土防渗墙加固技术在土坝加固中的应用情况和经验，进行了阐述。仅供参考。
　　关键词：防渗墙；加固技术；土坝；混凝土；分析
　　一、土坝病险特点
　　据统计，我国现已建成各类水库85153座，其中大型水库453座、中型水库2827座、小型81873座。在我国对水利系统的大坝普查结果表明，水库病险情况十分严重。根据我国土坝失事情况统计分析，其病害主要归结为以下几个方面：
　　①设计洪水计算值偏低。设计采用的水文等基础资料不足，造成设计洪水计算取值偏低，出现超过设计标准洪水时洪水漫坝，甚至造成溃坝重大事故。如1975年8月河南板桥、石漫滩等水库漫顶垮坝造成2.6万人死亡，9万多人受伤。
　　②大坝裂缝。坝基处理不完善，或坝体及铺盖填筑密实度不够或填筑材料质量不合要求等原因，造成坝体或铺盖开裂。造成大坝出现渗漏，甚至发生渗透破坏，引起溃坝事故。
　　③渗漏与渗透变形。坝基透水层未采取有效防渗措施、或坝体填筑质量差、或防渗不完善、或白蚁危害、或坝内涵管与坝体结合不严密等原因造成大坝出现渗漏或渗透变形导致大坝出现渗透破坏，引起溃坝事故(坝坡稳定不够。坝坡偏陡、大坝填筑密实度不够或大坝遇地震等原因造成坝坡稳定不够，甚至导致坝坡失稳引起垮坝事故。
　　二、混凝土防渗墙加固技术
　　1．基本方法
　　混凝土防渗墙是指在大坝或基础用冲击钻或抓斗依次造孔形成完整的孔槽，在槽孔中浇筑混凝土，最后形成一道连续的混凝土防渗墙体。混凝土防渗墙根据施工方法的不同，分为桩柱式和槽板式两种成墙方式。
　　(1)桩柱式
　　又称圆孔式。采用各种造孔机械形成大直径桩孔(600～1300mm)，然后单孔回填防渗料(常为混凝土)成为桩柱，成排连续桩柱构成一道防渗墙。根据桩柱问接头处理方式不同。又分为平接、搭接及连锁三种。
　　(2)槽板式
　　在泥浆同壁情况下，采用造孔机械开挖条形槽孔，回填防渗料(常为混凝土或自凝灰浆等)形成单元槽段。由若干连续槽段构成一道防渗墙。槽孔长度一般5-9m最长达30m。这种方法可以减少墙的接头，接缝少、墙厚均匀，工效高，有利于缩短工期和提高墙体防渗性能。但措施不当或遇地层复杂情况时易发生塌孔现象，影响成墙质量。用于70m以内的防渗墙工程，按单元槽段连接方式不同，又分为搭接与连锁两种。
　　2．墙体设计
　　防渗墙厚度主要由结构强度、抗渗强度、耐久性及施工条件确定。
　　①结构强度。墙体任一截面主应力应满足下式：式中，M为弯矩；W为截面模量，为B2/6；N为竖向力(包括竖向水压力，土压力和墙体自重)；F为截面积，取单宽计算时F=B；为渗透上托力；σ1，2分别表示受压区、受拉区的应力。
　　②抗渗强度。墙厚t应满足下式：t≥H/[J]式中，H为上下游水位差；[J]为防渗填料允许水力梯度，见表1。
　　防渗材料 混凝土 自凝灰浆 配合土(泥浆槽) 黏土
　　抗渗标号 S2 S4 S6 S8   
　　渗透系数(cm/s)
　　临界水力梯度
　　允许水力梯度 2×10-8 0.8×10-8 0.4×10-8 0.2×10-8 10-6×10-7 10-5×10-6 10-5-10-8
　　 133 267 400 533 60 15-35 17-50
　　 <25 <50 <80 <100 20-30 7-13 5-10
　　表1不同防渗填料的允许水力梯度
　　对重要的混凝土防渗墙，尚须核算墙体接缝夹泥的抗渗能力。
　　③耐久性要求。受渗透水作用的混凝土耐久性丧失，多半是被渗透水侵蚀的结果。侵蚀的特征是水泥水化后形成的各类钙盐逐步分解出氢氧化钙被水淋洗冲走，直到水中氧化钙的浓度超过各类钙盐的极限浓度后，才能继续以固相存在。而处于水压力作用下的防渗墙混凝土，由于水长期从内部渗透，固相与液相的平衡难以建立，氢氧化钙便会不断溶出，导致混凝土结构疏松，逐步丧失结构强度。根据B.M.莫斯克文试验资料，氧化钙溶出量达总量25％以上时，混凝土强度将急剧下降50％以上。
　　舒士懋提出按水泥中氧化钙总量的25％被溶出时间计算耐溶蚀年限T：
　　
　　式中，a为胶结材料(水泥熟料及掺合料)中氧化钙总含量,％；VC为防渗墙每m2受压面中混凝土的体积，M为渗出液氧化钙浓度，0.165～0.709kg／m3，平均0.352kg／m3；M0为环境水所具氧化钙浓度。
　　在水泥品种相同、用量相同情况下以等量的粉煤灰代替黏土时，粉煤灰混凝土及双掺混凝土(同时掺高效减水剂及粉煤灰)中氧化钙溶出量分别低于黏土混凝土的7％及13％。双掺混凝土防渗墙的使用寿命为黏土防渗墙的1.44倍具有较高耐久性。
　　④施工要求。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0.6～1.3m之间。如不能满足设计厚度要求，则以两道墙解决。薄墙钻孔数量增大，而混凝土量少，厚墙则相反，两者有一个经济的组合。墙厚小于0.6m时，减少的混凝土量已不能抵偿钻孔量增大的代价，在经济上已不合理。我国采用冲击钻造孔的设计墙厚一般取0.8m抓斗造孔一般取0.6m。对需设置钢筋笼的防渗墙，槽宽不能小于0.5m。
　　⑤有效厚度。实际挖出的槽宽略大于刀刃的外径或宽度。浇筑混凝土的强度在墙体与泥浆接触面外较低；固壁泥浆又会在槽壁上形成泥皮，均减少防渗墙的有效厚度，宜取刀刃外径减去10cm作为墙体有效厚度。
　　三．墙体材料
　　墙体材料可分为刚性材料和塑性材料两类，即钢筋混凝土与素混凝土防渗墙、低弹模混凝土和塑性混凝
　　土防渗墙。
　　(1)钢筋混凝土与素混凝土防渗墙钢筋混凝土防渗墙与素混凝土防渗墙对于高坝深基形成的防渗墙，在材料上一致,差别只是是否放置了钢筋笼加筋。墙体抗压强度达25～35MPa，水泥用量较高，达400kg/m3左右。
　　(2)低弹模混凝土
　　中等水头坝或基础防渗墙，为了适当降低弹性模量和墙体刚度，增加墙体适应变形的能力，改善墙体应力条件,常在混凝土中掺人适量的黏土及膨润土,并可改善和易性,节省水泥，提高抗渗性和耐久性。
　　(3)塑性混凝土
　　对墙体不承受弯曲拉应力，且承受压应力也不大的防渗墙，可进一步增大黏土(包括膨润土)用量，利用黏土的保水性降低混凝土的弹性模量采用每立方米混凝土的水泥用量仅60～100kg的塑性混凝土。由于掺有大量的透水性很小的黏土和膨润土，不仅可节约大量水泥，且浇筑时具有良好的和易性，凝结时间比一般混凝土长，不易堵塞浇筑导管；凝结后又具有良好抗渗性能，渗透系数一般小于l0-7cm/s其抗压强度一般不超过2,不需爆破即可顺利挖除。弹性模量一般不超过800MPa。特别适用于极软地基及有抗震要求的工程和须拆除的临时工程。
　　4．墙体成孔
　　防渗墙成孔机械大致可分为挖斗式、冲击式和回转式。
　　四、结论
　　1、我国病险土石坝多数在20世纪兴建，归纳起来主要存在设计不合理（或无设计），施工质量较差，碾压不密实，或坝基清基不彻底，基础处理不完善等隐患。造成大坝裂缝、渗漏、坝坡稳定安全度不够及防洪能力不够等问题。加固措施只能在已有的事实条件下，从经济和安全两个方面综合考虑。
　　2、对于土坝渗漏问题，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，既可提高工效保证工期，又能保证工程质量，达到根本解决土坝渗漏问题的目的。
　　3、前期坝面硬化处理、先导钻孔资料分析、槽孔分段长度划分及修建澄浆池等均是混凝土防渗墙质量的可靠保证，同时还可有序进行文明施工、满足环境保护要求。
　　4、所有材料都必须送检并达到设计要求，防渗墙混凝土应严格按确定的配比拌制。
　　5、终孔深度应准确判定，入岩深度要按设计要求控制，杜绝墙下隐藏渗漏通道，以防工程加固不彻底。

《对土坝加固技术中防渗墙的分析》

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