浅谈水库大坝防渗墙混凝土加固与设计策略

粟强 湖南省溆浦县刘家坪水电站

水利建设是我国基础建设的项目之一，而水库大坝作为重要水工建筑物在水利枢纽工程的作用尤为重要，特别是土石坝中防渗墙施工与设计是水库大坝建设中的重要一环，重视对水库大坝防渗墙混凝土加固施工作业及设计的优化，以体现技术竞争力。文章将对水库大坝混凝土防渗墙施工和设计的技术要点展开分析探讨，在后续工作过程中，望能够起到一定借鉴作用。

1.防渗墙槽孔施工工法对比

（1）冲击式钻进法。

所谓冲击式钻进法，主要是指以曲柄连杆机构为基础，通过回转运动向反复运动的变化去完成钻头提升与下放的钻进手段。这项技术主要利用钻头提升之后自由下落的重力去达成对孔底土层进行冲击的目标，破碎土层，完成钻进，并且要利用一定浓度的泥浆形成护壁，孔壁在泥浆的压力作用之下，坍塌的可能性会更小，并且能够避免出现渗漏问题。在孔底的钻渣逐渐增加之后,要在掏渣后将抽筒放入，混凝土浇筑要在成孔后开始，一般可以利用水下直升导管法去完成。混凝土墙体可依靠混凝土重量与自流平特性去形成，为了连接墙段，可使用钻凿法去完成。在工程领域当中，冲击式的钻进法是最早采用的方法，这一方法在各类环境下，包括砾石、卵石、软硬岩及砂层当中，都能够适用，但是实际操作时工效相对较低。一般来说，钻进所使用的钻具，其结构包括钻头与抽筒两个部分，其中钻头可以分为十字、一字、圆钻头、角锥钻头及空心钻头等等，根据不同的施工需求灵活应用。

（2）冲击式反循环钻进法。

所谓冲击式反循环钻进法，主要是基于冲击式钻进法进一步发展出的钻进法。在使用冲击式循环钻进法开展施工时，需要事先将排渣管设置在空心套筒式钻头的中心部分，而且在实际施工过程中，要利用反循环砂石泵把循环浆液与钻渣打进排渣管与循环管路,持续从孔底抽入安设于地面的泥浆净化装置，以达成净化目标。在完成净化过程之后，泥浆通过循环浆池输入槽孔，便能够循环使用。在完成循环之后，便要开始钻进及排渣两个环节，直至完成造孔作业。一般来说，在实际施工过程中，利用反循环的出渣方式能够有效提升钻进速度，保证钻进的高效完成。冲击式反循环钻机这一施工设备，最早的开发时间是在五十年代，而研发的地点是在法国，我国在九十年代研发了CZF-1200型冲击式反循环钻机,并且推动了后续更多新型号钻机的开发，随着工程领域的不断发展，我们依然要对相关设备进行更新与完善，以满足新时代的施工需求。

（3）射水法。

这一方法主要的运作原理是利用水泵送水，将水送至成形器当中的射水装置，进而形成高速射流，借助成形器与导水管的冲击力，以及下移动时成形器内刀片的切削等作用，能够对土层的整体结构进行破坏，在水土混合回流后，泥沙会溢出地面，利用卷扬机操作成形器，经过上下方向的不断移动，借助切削的方式可以完成孔壁整修，能够形成更加规则的槽孔，此外利用一定浓度的泥浆能够形成高强度的护壁。在成孔过程结束之后，开展混凝土浇筑工作可以利用水下直升导管的方法去完成，依靠混凝土的重量与自流平特性形成墙体，对于一期操控混凝土侧面可以利用成形器去完成侧向水喷嘴冲洗，这样能够保证一期与二期的混凝土连接更加紧密，进而提升防渗墙的强度。这种施工手段一般情况下在针对粒径不足10cm的粉土、黏土、砂土等地基更为适用，施工效率高且成本较低。

（4）锯槽法。

所谓锯槽法，其运作原理主要是利用锯槽机带动锯管锯去完成地层的切割，形成规则的槽孔，并且使用泥浆去形成护壁。要事先将排渣管设置在锯管上，利用反循环砂石泵完成出渣过程,再利用混凝土等材料完成护壁泥浆的置换,利用这样的材料能够最终形成强度更高且防渗效果更加理想的连续墙体。这一施工方法一般情况下在对松散的粉土、砂土及粘土地基开展施工时往往会有更加理想的施工效果。

（5）抓斗挖槽法。

所谓抓斗挖槽法，其主要的运行原理是利用蚌式（即蛤式）抓斗的机械作用，结合斗体的本身重量，通过开闭斗门的方式抓取土体，把土带出孔外，并且利用泥浆形成护壁，以保证墙壁整体性的挖槽方式。在成孔之后，混凝土浇筑可以利用水下直升导管法去完成，混凝土依靠本身的重量与自流平特性形成墙体，一般情况下，可以利用接头管或是接头管去完成各个墙段之间的连接。这一施工方式一般情况下适用于多种土层以及软岩,对于含小漂石与石块的地基来说，在挖槽过程中的使用效果更为理想。随着技术的不断革新，新型的抓斗已经能够调整斗体的角度，因为多配有测斜与纠偏的装置，能够保证挖槽的垂直精度得到进一步提升。这一挖槽方式的主要优势是墙体的整体性高，厚度合理、适用的地层也广泛，施工效率更高。一般情况下，在黏土层当中，液压抓斗的工效显然更高。最早的施工过程中，抓斗是利用钢丝绳去完成悬挂并且完成控制的，自六十年代的后期，液压抓斗便开始在施工过程中投入使用。依照抓斗的结构特点对于抓斗进行分类，可分为液态抓斗、混合式抓斗、钢丝绳抓斗、导杆式抓斗等多个类别,以满足不同的施工需求。

（6）双轮铣槽法。

所谓双轮铣槽法，其主要的运作原理是利用机架上所安装的两个鼓轮的反向转动，通过齿轮上的切刀完成地层的切割、旋铣、挤碎,在土层松动之后，利用泵将碎砂土块泵抽至地面,并且利用泥浆形成护壁的方法。在槽孔形成之后，混凝土浇筑作业可以领水下直升导管法去完成，依靠混凝土本身的重量与自流平特性，能够形成混凝土墙体，可以利用双轮铣槽机去对墙段连接的切割。在一、二序墙段的连接过程中，一般无需使用特殊的封堵手段或是专门连接件便能够完成墙段的接头。一般情况下，这一施工手段适用于多种土层及软岩,在安设特制的滚轮铣刀之后，对于坚硬岩石也有钻进能力。为了保证作业的精准度，可以使用导向调节系统、电子测斜装置与角度可控的鼓轮旋铣器去开展作业，能够确保精度的进一步提升。这样的施工方式有十分明显的优势，包括墙体的整体性高、厚度合理、适用单位大、成槽深等等，所以在实际施工过程中有着很大的应用优势。

（7）两钻一抓法。

所谓两钻一抓法，是冲击式钻进与抓斗挖槽两类施工手段结合后的产物。其主要的运作原理是首先使用冲击反循环钻机或是传统冲击钻机去完成相邻两个主孔的钻进。在完成开孔后，再利用抓斗去对中间副孔进行抓取的施工方法。在此基础上进一步改进，便衍生出了两钻三抓这一方法。两种方法各自有不同的适用范围以及优势。在对施工方法与设备进行选择时,为了保证适用性，应当主要考虑坝基、坝体填充料、坝肩地层、岩层特性、地质水文环境等要素的影响。除此之外，在实际开挖过程中，对于开挖的宽度、深度、强度，设备的适用条件等也要多加注意。为了真正满足实际施工需求，必须要做到针对性选择，才能够避免因施工手段不合理而阻碍施工。

2.防渗墙施工布置注意要点

在水库大坝的防渗墙加固与防渗处理过程中，特别是防渗布置过程中，应当考虑以下几点要素去完成施工。其一是要考虑到坝基施工现场的地质与水文条件。要根据不同的环境做出不同规划，防渗墙的设置应尽可能避开地质水文环境不理想的区域，应当将防渗墙放置于不透水的、坚固的基岩或是粘土层当中。墙底部分应设置在相对不透水的地层，要与大坝的坝基覆盖层、防渗体以及基岩内的防渗设施达成紧密连接，形成整体。其二是要保证布置衔接的合理性，要与原有的其他建筑物以及防渗体形成紧密连接。连接土层防渗体时,应当处理成更加光滑的楔形，对于接触面的允许比降，应当依照土料的允许比降去进行确定。在实际设计过程中，应当认真做好防渗连接，在实际布置过程中，应当尽可能远离与坝身混凝土构筑物连接的部分，尽可能减少接头处理。其三是要重视两岸的连接设计优化，保证连接的稳定性。其四是应当最大程度控制工程量及成本造价，避免不必要的时间与资金耗费。

3.防渗墙墙厚比选

在设计防渗墙的厚度时，相关人员必须要首先意识到这项工作的重要性，这是混凝土防渗墙设计的一个关键一环，我们需要考虑到坝体高度、渗透稳定性、施工环境以及地质水文条件等诸多要素对于施工的影响。但是相关规定当中并没有对这些内容进行明确阐述，只是在部分条文当中进行了简单说明，提出了混凝土防渗墙上限值的要求。例如某省的大中型水库大坝，百分之八十的坝体高度普遍不超过40米，我国许多水坝是八十年代以前兴建的,坝体经过多年的运行，必然会出现沉降，在沉降之后，逐渐趋于稳定，在实际设计过程当中，对防渗墙的厚度进行比选时，对于混凝土防渗墙允许渗透比必须要合理控制，才能够避免因偏差而影响施工效果。

4.防渗墙墙体材料比选

墙体材料的对比与选择，对于最终施工成果的影响是直接而长远的，为了达成实际施工目标，必须要在施工的前期做好材料比选，才能为后续的施工过程打好基础。墙体施工过程中，材料应当主要选用普通与塑性混凝土两种。普通混凝土的用量应当保证在每立方米350千克以上，强度等级应为C10或以上，水胶比则应当保证不超过0.65。这样的材料，在强度与弹性模量上都更高，所能承受的垂直与水平荷载也更大。但是因普通混凝土的极限应变能力不足，弹性模量太高，所以坝体与墙体之间所产生的沉降差以及变形差，会导致墙体在侧摩阻力以及垂直压力的共同作用下产生产生破坏。塑性混凝土则是通过削减普通混凝土水泥用量，增加黏土、膨润土用量而得出的新型混凝土，其主要的构成是水泥、水、砂石骨料、粘土、膨润土与外加剂等等，水泥的用量约每立方米70到200千克,膨润土的用量约为每立方米20到50千克，粘土的用量约为每立方米150到300千克，抗压强度2到5兆帕,弹性模量300到1000兆帕。相对于普通混凝土来说，塑性混凝土的初始弹性模量低,极限应变能力更强，所以能够适应更大幅度的形变,能够优化墙体的应力状态,此外这类材料具别更理想的抗渗性能，在采取墙段连接钻凿施工方法时因墙体的强度低所以更方便实施，所以可作为优先选择。

5.防渗墙施工泥浆比选

泥浆是施工过程中影响很大的主要材料，在实际的槽孔施工过程中，泥浆具备悬浮、支承孔壁、携带钻渣、润滑钻具及冷却等诸多功能，这样的作用是至关重要的，但是实际的设计过程当中却往往很容易被相关人员所忽视。当前许多省市都已经将泥浆实际运用在加固设计当中，但是水库所在地的粘土料往往并不能确保满足相应技术规范的要求。相关规定要求粘粒的含量应当超过50%，塑性的指数应当超过20，而含砂量则不应超过5%。氧化硅与三氧化二铝的含量比值，一般应当为3到4。为了保证泥浆材料的规范性，在实际设计过程中，应当着重选用商品膨润土制备泥浆,并且应当视情况掺加增粘剂、分散剂等外加剂,保证泥浆的性能符合规范要求，提升泥浆稳定性。

6.防渗墙细部设计

（1）防渗墙与地基的连接。

在连接地基与防渗墙时，一般情况下应当在墙底嵌入0.5米到1米的弱风化基岩,在基岩相对不透水层的埋藏深度较深的情况下,应当做好灌浆帷幕的衔接。

（2）防渗墙与两岸的连接。

在两岸皆为缓坡的情况下，实际施工可以依照一般的防渗墙施工流程去完成，在两岸岩石破碎程度较高的情况下，如果相对不透水层的埋藏深度较深,可以考量在两岸的坡段墙底部分去完成帷幕灌浆，在两岸皆为陡坡的情况下，应当选用帷幕灌浆的方式去完成施工。

（3）与顶部的连接。

顶部连接应当从坝顶部分的防渗墙开始，顺沿坝顶防渗墙的轴线尽量向上游方向完成布置过程。防渗墙的墙顶高程应当合理规划，保持在非常运用条件的静水位或以上。墙顶部分不应当与坝顶的公路硬化路面有直接连接,应当保留过渡层，保证防渗水的效果。

（4）建筑物与岸边连接。

在连接混凝土构筑物以及岸边混凝土墙时，针对结合部分开展灌浆作业时，可以利用高压喷射灌浆的方式去完成衔接，以保证结构整体的稳定性。

（5）墙段连接。

连接墙段的方式有许多，实际连接过程中，要依据实际的成槽成孔需求去选择施工工艺与设备，例如可以利用钻凿法、软接头法与接头管(板)法等等。在实际开展设计工作的过程中，要考量槽段的长度要求去完成施工，尽可能减少墙段连接缝的数量。

（6）墙体内垂直成孔防渗墙下接帷幕灌浆。

在墙体施工过程中，对于墙体内部，可以利用预埋管使用方法亦或是拔管方式去完成成孔作业，如果墙深在30米以内，这种情况下可以选择拔管法，而墙深超过30米，则推荐使用预埋管方式，对于管子的强度、刚度与管子在墙体内的有效固定手段必须要事先加以确定，避免在施工过程中出现误差。

（7）墙内观测仪器的埋设。

观测仪器的埋设有利于对墙体的运行状态进行检测确认，当前在防渗墙施工过程当中，墙内所埋设的观测仪器主要包括土压力观测仪、水压力观测仪、测斜仪与钢筋应力计等等。仪器的埋设断面应当确保在相邻导管间的中心部分，要依照埋设的实际位置与方向去选择实际施工的方法，做好埋设与加固。

7.防渗墙设计指标与质量要求

设计指标是施工的依据，实际设计开始之前，必须要对设计指标进行确认，明确相关要求。对于槽孔施工、墙内管控质量、清孔施工、膨润土泥浆及混凝土浇筑等各方面设计指标都要进行明确，一般情况下，最主要的指标包括以下几个方面。其一是槽孔建造施工的相关施工指标。包括孔的位置、深度、槽宽、孔的斜度、槽孔间接头套厚度、基岩岩样与槽孔嵌入基岩深度等等。其二是膨润土泥浆的相关施工指标。包括泥浆的浓度、密度、粘度、pH值、静切力等等。其三是清孔的相关指标。包括接头孔壁的刷洗质量、孔底的淤积厚度、泥浆的粘度、密度、含砂多少等等。其四是泥浆下混凝土浇筑的相关指标。包括混凝土的扩散度、坍落度、导管的间距、混凝土面的上升速度、高差等等。其五是成墙混凝土的相关指标。包括弹性模量、强度、渗透系数,允许渗透比降等等。其六是墙内的孔管相关施工指标。包括管身的弯曲程度、管位的偏差值等等。在混凝土墙体成墙后的一个月后，应当做好混凝土防渗墙墙身的质量检查，检查的具体内容应当包括墙体可能存在的缺损、墙体的均匀性、墙段接缝处的连接情况、墙体混凝土的弹性模量、强度、渗透系数及允许渗透比降等等。

8.结语

水库大坝防渗墙的施工质量决定着水库整体能否正常运行，在新的时代发展背景下，我们更要明确大坝防渗加固工作，以保证大坝的稳定性与使用寿命。因此文章探讨了大坝的混凝土加固施工与防渗设计要点，分享给同行业相关人员，共同探索，共同进步。