混凝土防渗墙技术报告

纯抓法成槽砼防渗墙在大清沟水库

中砂坝防渗中的应用

技术报告

彰武县大清沟水库除险加固工程建设管理处

2009年12月

1 研究目的和意义

新中国成立以来，党和政府高度重视水库工程的建设。截止2006年底，我国己建成各类水库87085座（不含港、澳、台地区），水库总库容5900多亿m3，相当于全国河川年径流总量的1/5，其中绝大多数是土石坝。这些水库在防洪、灌溉、发电、城乡供水、航运和水产养殖等方面发挥了巨大的效益，为促进国民经济发展、提高人民生活水平、保障社会稳定、改善生态环境做出了巨大贡献。然而，这些水库大多修建于上个世纪50～70年代，由于当时经济技术条件限制，水文地质资料欠缺，水库设计标准普遍偏低。许多水库建设质量先天不足，隐患较多，加之水库管理落后，维修不及时，致使工程“积病成险”，渗漏、滑坡、裂缝、地震液化等病险问题异常突出。尤其是渗漏破坏，已经成为土坝破坏甚至溃坝最主要的诱因之一。

土坝的渗漏破坏给水库的正常运行造成巨大隐患，严重影响工程效益的发挥，并可能导致垮坝失事，给国家和人民的生命财产带来重大损失，甚至严重灾难。如美国的提堂坝(Teton Dam)为粘土宽心墙坝，1976年6月因渗漏破坏，导致整个大坝溃决，损失严重，提堂河和斯内河下游130km，面积780km2 地区绝大部分溃水泛滥，约60万亩良田受淹，52km铁路遭破坏，2.5万人无家可归，损失牲畜约2.0万头。

所以，对土坝渗漏的有效处理是确保工程安全、关系国计民生的大事，对病险水库的除险加固势在必行！

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2 土坝渗漏处理国内外研究现状

土坝渗漏按其部位分为坝体渗漏、坝基渗漏和绕坝渗漏三种。其处理方法如下：

2.1 坝体渗漏处理

斜墙法 对因施工质量不好，产生管涌、管涌塌坑、斜墙被击穿、浸润线及逸出点被抬高，引起坝身普遍漏水等情况，可用斜墙法处理。采用粘土或粘壤土作为防渗材料，在原坝体上游面分层填筑、人工夯压、机械碾压成斜墙，以截堵渗流、防止坝体渗漏。如因条件限制，库水位不能放空，无法补做斜墙时，可采用水中抛土方法。

劈裂灌浆 沿坝轴线布置灌浆孔，利用一定的灌浆压力将坝体沿轴线方向劈裂的同时灌注合适的泥浆，充填或堵塞与劈裂缝连通的裂缝、漏洞，待浆液析水后与坝体紧密接触形成连续的防渗帷幕。

防渗墙法 防渗墙法是处理坝身渗漏较为彻底的方法。即在坝身钻设一些直径0.5～lm圆孔，将若干圆孔连成一段槽孔，再在槽孔内灌注混凝土，最后将各段槽孔连接成插入坝身密实土体的混凝土防渗墙。根据施工工艺不同，防渗墙有套井回填粘土防渗墙、振动沉模防渗混凝土板墙等形式。

土工膜防渗 土工膜是一种由高聚合物制成的透水性极小的土工合成材料，是一种新型坝工建筑材料，具有施工方便、工期短、技术简单、不需要机械设备、造价低等优点。土工膜防渗适用于因筑坝土质差、坝体防渗性能差、施工质量差引起的全坝大面积渗漏，且坝内坡较缓、坝体稳定的中低水头土坝。特别在缺乏防渗土料或

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运距太远，附近土料不宜作防渗材料，上游坡需防渗加固时，利用土工膜防渗往往是经济、合理、可靠的。利用垂直铺塑防渗技术还可进行坝基防渗。但土工膜防渗一般不适宜土坝局部防渗处理、不能放空水库的坝体以及有白蚁活动迹象、白蚁危害造成渗漏的土坝。

导渗沟法 对坝身渗漏，背水面发生散浸，但不致于引起坝坡失稳时，采用导渗沟处理是一种较为有效且施工简便的方法。

导渗培厚法 对坝身渗漏比较严重，散浸面积大，浸润线逸出点明显高于排水设施，且坝身明显单薄的，可用导渗培厚法处理。在下游坡加筑透水后戗，或在原坝坡上填筑一层排水砂层，培厚坝身断面，增厚后的新老排水设施要相互连接，才能起到导渗效果。

导渗砂槽法 对坝身渗漏、散浸严重，但坝坡较缓，采用导渗沟法也不能解决，可采用导渗砂槽法处理。其做法是在渗漏严重的坝坡部位，用钻机钻成一些并列的排孔，开成一条条导渗砂槽。

2.2 坝基渗漏处理

粘土截水槽 对于坝基或原防渗墙未能与不透水层相连接而产生的坝基渗漏，且不透水层较浅时，宜采用粘土截水槽处理，将地基透水层和接触渗漏层截断，以达到防渗目的。截水槽宜布置在土坝上游坡脚，并与坝身或斜墙可靠连接。截水槽底部要与基岩或不透水层良好结合。如发现基岩有裂缝或岩溶发育，应事先对基岩做帷幕灌浆处理。

混凝土防渗墙 对地基透水层较深，采用粘土截水槽处理坝基渗漏需开挖断面过大而不经济时，可采用混凝土防渗墙法。此法是利用冲击钻造孔，然后向孔内灌注混凝土，使之形成一道封闭防渗墙

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以阻止坝基渗漏。如果土坝水头较低，也可不用混凝土而改用泥结卵砾石作防渗墙。

砂浆板桩 对于因系粉沙、淤泥等软基层产生的坝基渗漏，且软弱层较浅(一般不超过10m)，可采用砂浆板桩法处理。该法是把20～40号工字钢打入坝基内，水泥砂浆经灌浆管注入地基，充填工字钢拔出后的孔隙，从而形成一道砂浆板桩防渗墙。

灌浆帷幕 若坝基透水层过深，修建防渗墙困难，或坝基透水层中有较大的漂砾、孤石，或仅需要对坝基局部进行渗漏处理时，可采用灌浆帷幕方法。该方法在一定压力下，把按要求配制好的浆液灌注于坝基透水层，使之充填土体孔隙，胶结形成防渗帷幕。

高压喷射灌浆 利用钻孔中的喷射装置射出高压水浆冲击破坏被灌地层结构，同时灌入浆液，按设计方向、深度、厚度和结构形式，形成与地基紧密接合的连续防渗幕体，达到截渗防渗的目的。

粘土铺盖 对土坝质量较好，地基不透水层深的坝基渗漏，开挖截水槽比较困难时，可采用粘土铺盖法处理。粘土铺盖法是利用粘土在坝上游地面分层填筑碾压，形成一种覆盖层。它具有覆盖渗漏部位，加长渗径，减小坝基渗流比降，保证坝基渗透稳定的作用。在水库运行期间不能允许水库放空修筑铺盖时，也可采用水中抛土法形成铺盖。

坝后导渗 对因坝基渗漏，造成坝后长期积水，形成淤泥或沼泽地，以致影响坝坡稳定时，可采用坝后导渗法处理。坝后导渗是利用水平砂池、排水沟等将坝基渗水汇集至下游。

压渗台 适用于坝基渗漏严重，坝后发生翻水冒沙、管涌或流土

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现象的处理，有石料压渗台和土料压渗台两种形式，它是根据反滤原则利用自身重量以平衡渗透压力，增加地基的渗透稳定性，防止地基渗透破坏所常用的方法之一。

减压井 减压井是利用钻机在土坝下游地基上每隔一定距离钻孔穿过弱透水层、强渗水层，把地基深层的承压水导出地面，以降低浸润线并防止坝基土发生渗透变形。该措施只有在承压水头不高的情况下，才能起到预期的减压作用。

2.3 绕坝渗漏处理

绕坝渗漏是沿着坝岸结合面或沿着坝端山坡土体的内部向下游渗水，甚至集中渗流，它能引起坝端部分的坝体内浸润线抬高，岸坡出现阴湿、软化甚至产生滑坡。常用以下方法处理：

截水墙 对岸坡有强透水层产生的绕坝渗漏，可在岸坡开挖深槽穿过强透水层，再在槽中回填粘土，形成一道截水墙防止渗漏。

防渗斜墙 对因岸坡岩石破碎造成的大面积渗漏，可采用沿岸坡做粘土斜墙处理。斜墙下端应作截水槽嵌入不透水层中，或以粘土铺盖向上游延伸。斜墙顶部以上应沿山腰开截水沟，以便排泄雨水。

粘土铺盖 对坝肩岩石节理裂隙细小，风化较轻的绕坝渗漏，如山坡较缓，可贴山坡作粘土铺盖，其防渗效果亦较好。

衬砌 对坝肩岩石节理裂隙细小，风化较轻，但山坡较陡，不宜作粘土铺盖，可采用衬砌方法处理。在水位变化较少部位，用砂浆抹面；水位变化较频繁和裂缝较大部位，用混凝土、钢筋混凝土或浆砌块石结合护坡，做衬砌防渗。

灌浆帷幕 若坝端岩石裂隙发育，产生严重绕渗时，可用灌浆帷

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幕处理。使坝肩与坝基的帷幕连接为一整体，形成一个完整的防渗帷幕。

堵塞回填 对因岸坡岩石裂缝产生的绕坝渗漏，可采用堵塞回填法处理。先将岸坡清理干净，再用砂浆填塞裂缝，上面用粘土回填夯实。如岸坡内有洞穴与水库相通，应按反滤要求堵塞洞穴，上游面用粘土回填夯实；如洞穴不与水库相通，则可用排水沟或排水管把泉水引到坝下排泄。

导渗排水 在下游采用导渗排水，可以保护坝体土料不致流失，防止管涌。对下游岸坡岩石渗水较小的绕渗，可沿渗水坡面以及下游坝坡与山坡结合处铺设滤层，导出渗水，如果下游岸坡岩石地下水位较高，渗水严重，可沿岸边山坡脚处，打基岩排水孔，引出渗水；如下游岸坡岩石裂隙发育密集，可在坝脚山坡岩石中打排水平孔，将裂缝切穿，集中排出渗水。

3 研究背景及立项依据

3.1 大清沟水库概况

大清沟水库位于辽河水系柳河左侧一级支流大清沟河下游处，距入柳河口1.5km。水库控制的全流域均为内蒙古科尔沁沙丘区，绝大部分降水入渗后通过深度下切的河岸补给河道，坝址以上实测产流面积15.0km2，河长26.0km，河道平均比降3.0‰。大清沟水库以农业灌溉为主、兼有防洪、养殖、旅游等效益，实际灌溉水田面积1.5万亩，年产淡水鱼60t，可以提高下游大郑铁路、101国道和彰武县城的防洪标准。

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大清沟水库1958年4月开工兴建，当年11月竣工，为一座小（Ⅰ）型水库。1974年又扩建成为中型水库。其枢纽由挡水土坝、泄洪洞、泄洪闸、输水明渠及输水暗洞组成。水库总库容1120万m3，防洪标准为百年一遇设计、千年一遇校核。

大坝为粉沙质均质土坝，最大坝高23.5m，坝长320m，上游坡比1:3.5，下游坡比1:7～1:9。水库工程总体布置见图1。

大清沟水库自1974年扩建以来，已经运行了30多年，由于年久失修等原因，存在诸多安全隐患：大坝浸润线在下游坡逸出，已在坡上形成大片沼泽；大坝渗流严重；排水体堵塞导致排水不畅；大坝背水坡土体流失；上游护坡石风化破碎；泄洪洞混凝土因冻胀破坏，大面积剥落，钢筋外露；泄洪洞进口启闭塔立柱断裂，一孔闸门启闭失灵。水库处于带病运行状态。

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图1 水库工程总体布置图

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3.2 项目研究背景

大清沟水库始建于1958年4月，经过五十多年的运行，加之建设时的先天不足、后期又缺少维修养护，水库渗漏、塌坑、管涌等病险问题逐年加重，已对大坝安全构成严重威胁。

2003年12月20日，水利部大坝安全管理中心下达大清沟水库安全复核鉴定意见：“该水库大坝上游护坡风化破碎严重，下游排水体淤堵，主坝填筑质量差，坝体浸润线逸出点高，渗漏严重，泄洪洞进水塔框架断裂，闸门结构强度不满足要求，闸门漏水，启闭不正常、泄洪闸井柱、槽体断裂，闸门、启闭机老化，不能安全运用，大坝安全监测与管理设施不完善等，同意三类坝的鉴定结论意见”。

在大清沟水库除险加固工程初步设计报告编制中，阜新县水利局与大清沟水库管理处会同设计单位，针对水库大坝渗漏量加大，坝坡出现塌坑，局部显现管涌先兆等危及大坝安全问题（见图2～图4），进行了详细的调查研究，完成了大坝渗流稳定分析与计算，并紧密结合筑坝材料、坝基地质、破坏原因、运用方式等情况，全面比较、论证大坝防渗方案，最终选定在大坝轴线实施悬挂式混凝土防渗墙的工程措施。

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图2 大坝渗漏量加大

图3 坝坡出现塌坑

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图4 坝坡管涌

3.3 立项依据

大清沟水库大坝为均质土坝，最大坝高23.5m，筑坝材料取自坝址两端的沙丘，为第四系级配不良中沙，粒径0.005～2.0mm，渗透系数2.66×10-4cm/s。

大坝在实施除险加固工程前，存在着严重的安全问题，表现为：高水位时大坝浸润线在下游坡面上逸出，积水深度达20cm，在背水坡形成沼泽，生长了大量芦苇；靠近西侧排水棱体上部坝坡出现多处塌坑，深度1.0m~1.8m；坝脚靠近排水棱体部位出现管涌，涌口内有沙粒跳动，涌出的水为清水，险情相对稳定。

受上述严重险情影响，大清沟水库在运行中不得不降低水位运行。实际运行中，水库水位一直控制在165.0m以下，低于正常高水位166.50m，直接减少了下游灌溉面积2500亩左右。

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可见，渗流问题已经对大清沟水库的正常运行和经济效益的正常发挥造成了严重影响。为此，采取切实有效的措施彻底解决坝体渗漏问题已经迫在眉睫。基于本工程建在较为深厚的中砂地基上，且为均质砂坝这一特殊情况，研究一种经济、有效的防渗处理措施成为本项目研究的重中之重。

4 技术方案论证及实施

4.1 技术方案论证

4.1.1 方案选择

大清沟水库的坝基与坝体均为中砂，年渗漏水量为93.1万m3。为降低大坝渗流浸润线，有效减少水库的渗漏损失，保证大坝的稳定和安全，经综合技术经济比较，最终选定悬挂式混凝土防渗墙方案对水库进行除险加固。

混凝土防渗墙位于坝顶前部的轴线上，设计厚度0.30m，实际浇筑厚度约0.40m，墙高25.0m，轴线长380.0m，防渗面积9500m2。利用HS843-HD型进口挖槽机分段开挖沟槽，每段6.0m，采用膨润土泥浆护壁，达到设计深度后（坝顶以下25m），采用导管法直接由搅拌站以高压泵输送C20混凝土到浇筑段沟槽导管中，一次性连续完成浇筑。

（1）混凝土防渗墙厚度及深度计算

目前国内尚无防渗墙设计规范，缺少防渗墙渗透稳定分析和墙体强度、变形计算的理论依据。本次设计参照中国电力出版社出版，

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高钟璞主编的《大坝基础防渗墙》进行设计。

墙体厚度计算公式如下：

式中：K——抗渗坡降安全系数，一般取4；

ΔHmax——作用在防渗墙上的最大水头差（m）。水库最高洪水位

168.02m，下游无水，河底高程147.0m，故ΔHmax=21.02m；

Jmax——防渗墙渗透破坏坡降，一般取300。 计算得：δ=0.3m。 防渗墙深度计算采用公式： S=12C0(H1H2)16(L1L2) 式中：C0——莱茵系数，粉砂土取7.0； H1、H2——分别为防渗墙的上、下游水深（m）；上游水深21.02m，

下游无水；

L1、L2——分别为防渗墙上、下游水平渗径（m）；根据大坝标准

断面推算，L1=103m，L2=188m。

计算得：S=25m。

（2）墙体材料与混凝土配合比

借鉴国内外已建土坝防渗墙采用的墙体材料，结合大清沟水库大坝工程地质及水文地质条件，最终采用混凝土标号C20，抗渗等级

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W8的混凝土作为防渗墙材料。

防渗墙采用的混凝土配合比见表1。

表1 防渗墙混凝土配合比

水 灰 比 0.45 48 砂 材料 水泥 砂 石子 饮用水 外加剂 抗压强度 Mpa 7d 28d 实验结果 养护方法及温度 率% 用量 kg/m3 360 877 950 163 3.6 坍落扩度mm 展度mm 坍落度要扩展度 求 T=200±20 340~400mm mm 185 365 19.1 31.1 水中20±3℃ （3）防渗墙施工前后浸润线对比

防渗墙施工前后浸润线位置的对比见表2。由表2可见，同一水平位置，浸润线高度降落极大，坝后160m处，浸润线高度下降近10m，充分证明防渗墙防渗效果良好。

表2 防渗墙施工前后浸润线位置对比

X（m） 20 40 3.90 5.82 60 4.78 7.86 14

80 5.52 9.90 100 6.17 11.94 120 6.67 13.59 160 7.75 17.38 Y（后）（m） 2.76 Y（前）（m） 3.57

（4）大坝渗透流量计算

大坝渗流计算根据有限深透水地基上土石坝的渗流计算方法，按水库正常高水位166.5m情况进行计算，计算简图见图5。

图5 渗流计算简图

计算公式如下：

B1B2B3LB1B12m1H1TKTKKTK0.44m1

0.12

B2m1H12m11

B3=m1H1+0.44T

式中：H1————上游水深，19.5m；

K——坝体土体渗透系数（cm/s）；

KT——坝基土体渗透系数（cm/s），这里k=KT=2.66×10-4cm/s； T——透水层厚度（m），取T=28m；

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m1——坝坡坡率，高程163.5m以上m1=3.5，高程163.5m以下

m1=3，马道宽4m。

则： B12(316.33.53.24)280.4430.124.605m

B23.28719.523.28718.463m

B3 = 3.287×19.5+0.44×28=79.42m

L4.6058.46376.4214.605120.59m

L = △L+m1△H+m2(H1+△H－3)+3－3 =20.59＋3.5×2＋7＋7×9.2＋9×9.3 =182.69m

在大坝设置棱体排水的情况下，通过坝体和坝基的单宽渗流量由下式计算：

q=k2L0.5mH1H222H23+KTT

H1H2L0.44T

式中：H2——下游水深（m），本设计中H2=0；

m3——棱体排水体上游坡比。 其他符号意义同前。

这里，K=KT=2.66×10-4cm/s，H2=0，m3=1，则

q2.66106219.519.528182.690.44282182.690.510 2.66106(1.0412.800)

10.22106（m3/s/m）

坝基渗透坡降计算：

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JH1L

这里L=182.69m，所以有：

JH1L19.5182.690.107

由于防渗墙的渗透系数较小，渗流通过墙体后水头损失较大，浸润线形成较大跌落，近似认为浸润线逸出点为下游水面与堆石边坡交点，忽略上游坝体产生的水头损失，则通过防渗墙的渗流量为： KcH1h22q12 下游坝段的渗流量为： K1hH222q22L 式中：KC——防渗墙的渗透系数（cm/s），抗渗等级W8的混凝土渗透系数为0.216×10-8cm/s。 K1——坝壳材料的渗透系数（cm/s），2.66×10-4cm/s； H1——上游水深，取19.50m；

h——防渗墙下游浸润线的高度（m）； H2——下游水深（m），取0； δ——防渗墙厚度（m），取0.3m；

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L——防渗墙下游边至浸润线出逸点的水平距离（m），取

155.67m。

根据渗流连续条件，q=q1=q2，联立求解可得渗流量q=1.36×10-8

m3/s/m和防渗墙下游浸润线高度h=1.263m。

主坝采用混凝土防渗墙加固前后渗流量及墙后浸润线高度对比见表3。

表3 主坝混凝土防渗墙实施前后渗漏量对比

项防渗墙高度（m） 防渗墙下游浸润线高度（m） 渗漏量(m3/s) 目 加固前 0 ---- 10.22×10-6 加固后 25 2.82 1.36×10-8 由表3可见，混凝土防渗墙实施前后，大清沟水库大坝单宽渗漏量相差751倍，足以表明防渗墙的良好防渗效果。

（5）效果分析

大清沟水库除险加固工程大坝混凝土防渗墙位于坝顶前部的轴线上，设计厚度0.30m，实际浇筑厚度约0.40m。混凝土防渗墙于2006年8月15日开工建设，同年11月8日全部完工，历时86天。为检验大坝混凝土防渗墙的防渗效果，特选取8月15日前和11月8日后（混凝土防渗墙建设前后）库水位基本相同的测压管观测资料进行对比，从建设前后测压管内水位高度的变化情况，分析防渗墙的工作效果。

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大清沟水库大坝原设有测压管三排，每排四孔（见图1），其中东排因年久淤堵，已经不能使用，中排和西排尚可工作。2008年6月虽然又重新设置了测压管，但由于新旧测压管位置、管口高程均发生了变化，测量成果已无可比性，故仍选用旧测压管中排2至4号孔、西排2至4号孔2006年混凝土防渗墙建设前后的测压管量测数据对比分析，不同库水位下测压管观测数据及计算结果见表4。

通过对表4大清沟水库大坝混凝土防渗墙实施前后坝体浸润线实测资料的分析，可以看出：

a、同一库水位，混凝土防渗墙建设前后测压管内水位有较大变化，且库水位越高，变化值越大。

例如：库水位为164.45m时，中排测压管上部2号孔,防渗墙建设前管中水位深3.58m，建设后管中水位深7.51m，下降了3.93m；下部4号孔建设前管中水位深0.61m，建设后管中水位深1.07m，下降0.46m。 库水位162.62m时, 2号孔管中水位下降2.64m，4号孔下降了0.34m。按此规律推算，库水位越高，防渗墙建设前后的管中水位差越大。

b、相同库水位时，西排测压管内水位变化幅度小于中排，且库水位越高，两排测压管的变幅差值越大。

例如：库水位164.45m时，中排2号孔(空口高程161.393m)管中水位深下降3.93m，西排2号孔(空口工程162.008m)下降2.68m，差值1.28m。库水位162.62m时，中排2号孔水位深下降2.64m，西排2号孔下降2.09m，差值0.55m。究其原因，西排测压管受西侧高沙丘地下水及坝肩绕渗补给的影响，导致管中水位比中排测压管高。

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表4 不同库水位测压管观测数据及计算表（单位：m）

日期 2006-12-01 2006-07-14 差值 2006-11-28 2006-07-15 差值 2006-11-25 2006-07-16 差值 2006-11-23 2006-07-18 差值 2006-11-21 2006-07-25 差值 2006-11-18 2006-07-27 差值 2006-11-15 2006-07-31 差值 2006-11-12 2006-08-08 差值 2006-11-09 2006-08-15 差值

水位 164.45 164.46 0.01 164.0 164.38 0.38 164.30 164.30 0 164.16 164.18 0.02 163.80 163.80 0 163.70 163.68 0.02 163.40 164.42 0.02 163.01 163.05 0.04 162.62 162.60 0.02 中2孔 中3孔 中4孔 西2孔 西3孔 西4孔 7.51 3.58 3.93 7.63 3.61 4.02 7.65 3.65 4.00 7.64 3.70 3.94 7.66 3.99 3.67 7.63 4.00 3.63 7.90 4.27 3.63 7.75 4.70 3.05 7.74 5.10 2.64 4.09 12.01 2.53 4.18 1.60 2.58 4.18 1.60 2.58 4.17 1.63 2.54. 4.17 1.80 2.37 4.18 1.86 2.32 4.24 1.94 2.30 4.23 2.23 2.00 4.21 2.43 1.87 20

1.07 0.61 0.64 1.11 0.62 0.49 1.14 0.62 0.52 1.17 0.64 0.53 1.20 0.67 0.53 1.11 0.70 0.64 1.20 0.72 0.48 1.20 0.81 0.39 1.21 0.87 0.34 7.57 4.89 2.68 7.64 4.92 2.72 7.65 4.93 2.72 7.66 4,95 2.71 7.90 5.12 2.78 7.64 5.20 2.44 7.95 5.34 2.61 7.93 5.66 2.27 7.97 5.70 2.09 4.95 3.09 1.86 5.00 3.12 1.88 5.00 3.13 1.87 5.00 3.14 1.86 4.98 3.26 1.72 5.00 3.30 1.70 5.00 3.40 1.60 5.00 3.62 1.38 5.00 3.75 1.25 1.97 1.38 0.59 2.00 1.42 0.58 2.00 1.42 0.58 1.99 1.42 0,57 1.98 1.46 0.52 2.00 1.46 0.54 1.99 1.49 0.50 1.98 1.56 0.42 1.97 1.64 0.33 4.1.2施工工艺

大清沟水库土坝混凝土防渗墙施工工艺如下： （1）造孔成槽 ①布置施工平台

根据施工要求和地质条件，大清沟水库除险加固工程采用德国产HS843HD型钢丝绳抓斗。原坝顶宽度7m不能满足抓斗所需10m的施工平台的要求，经研究决定将混凝土防渗墙轴线向下游方向平移1m，另外在附近的场地取土装入尼龙丝袋子后填筑到坝体下游侧，以保证抓斗施工平台的宽度要求。

②浇筑导墙

导墙是在地层表面沿防渗墙轴线方向设置的临时构筑物。导墙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。导墙的稳定是混凝土防渗墙安全施工的关键。在大清沟水库除险加固工程中，导墙选用钢筋混凝土结构，设计强度等级为C20。修建后的导墙顶部高程为168.50m，导墙采用深1.00m，宽0.6m的矩形断面，两导墙之间间距40cm，并在导墙表、底层布置直径φ18mm的螺纹钢筋。导墙采用人工开挖，现场浇筑混凝土。施工平台及导墙示意图见图6。

③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期基

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防浪墙80 30防渗墙中心导墙原沥青路面抓斗施工平台块石泥结路面 604060220300

图6 施工平台、导墙示意图（单位：cm）

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本槽段长度为6.50m，第一、三主孔长度为2.80m，第二副孔长度0.90m；Ⅱ期基本槽段长度为7.50m，也分为3个孔：2个主孔和1个副孔。主孔长度与Ⅰ期槽段相同，副孔长度1.90m。见图7。

④开挖成槽

槽孔成槽采用“三抓法”。首先槽段两端7.50m的主孔施工，主孔完成后再抓中部6.5m的副孔。主、副孔完工即该施工槽段成槽完工，经监理最终确定施工槽段成槽深度。

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接头孔750孔号接头孔接头孔750孔号接头孔

231123123650图7 基本槽段划分示意图（单位：cm）

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（2）固壁泥浆

大清沟水库除险加固工程中防渗墙需要在覆盖层中成槽施工，覆盖层主要是砂壤土，极易液化；坝体的浸润线较高，这样复杂的地质条件就要求成槽护壁浆液具有较好的物理性能。优质泥浆能够有效地携带沉渣、冷却斗头、防止孔壁坍塌。

①泥浆及性能

在槽孔成槽的过程中，泥浆如液柱支撑一样使槽孔保持稳定不坍塌，同时对槽壁产生坚实的固壁作用，其机理是槽内泥浆压力高于所在地层的地下水压力，使泥浆渗入槽壁土体中，其中较细的颗粒进入空隙中，较粗的颗粒附在孔壁上，形成“泥皮”，随着时间的延长，泥皮逐渐增厚，水不再渗入地层，泥浆与土体被泥皮隔开，泥浆的侧压力通过泥皮作用在孔壁上，保证了孔壁的稳定。在大清沟水库除险加固工程的防渗墙施工过程中选用的是辽宁黑山县生产的优质膨润土制作泥浆，具体性能指标见表5。

表5 固壁泥浆性能指标 项目 指标 指标范围 密度 (g/cm3) 1.10～1.20 漏斗粘度 (s) 30～90 含砂量 (%) ≤3

②泥浆制备

泥浆在制备过程中，按先加水后加膨润土和纯碱的顺序，泥浆制备材料添加重量见表6。

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表6 泥浆制备材料用量表 材料 用量 1m3泥浆 膨润土 (kg) 230.00 水 (kg) 800.00 碱 (kg) 6.90 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，经过净化后可重复使用。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。

（3）清孔换浆

槽段终孔验收合格后进行清孔，清孔采用抓斗抓取沉积在槽底的淤泥，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%。

清孔换浆工作即可结束。 （4）槽段混凝土灌筑

大清沟水库除险加固工程混凝土防渗墙工程的混凝土配合比见表7，数据由辽宁省水利水电工程质量检测中心试验室提供。

为保证墙体的完整性，采用“接头管法”的槽段连接方式。“接头管法”是将外径Φ293mm的无缝钢管在Ⅰ期槽段两端孔处下设固定，浇筑墙体混凝土过程中要适时活动接头管；最后，拔出接头管形成连接孔洞，这就形成了Ⅱ期槽的接头孔。这样，减少了重凿接头混凝土，降低了施工成本。

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表7 混凝土配合比

胶材 用量 项目 水泥 水剂 1m3混凝土用量 配合比 360.00 0.45 163.00 1.00 45.28 877.00 5.38 243.61 950.00 0.00 265.83 —— 0.00 —— 3.60 0.02 1.00 水 砂 小石 中石 高效减外加剂 LSYT型100kg水泥材料用量（kg） 100.00 在进行Ⅱ期槽内混凝土浇筑前，槽段两端孔必须经过钢丝刷清洗。方法是：将预制好的钢丝刷固定在抓斗斗体上，紧贴Ⅰ、Ⅱ期混凝土结合面，上下反复提动，达到刷子上不带泥，即接头面清洗合格。

清孔验收合格后，下设混凝土灌筑导管，导管内径为209mm。Ⅰ期槽段长度为7.5m，下设两套导管，两侧导管距槽端1～1.5m；Ⅱ期槽段长度为6.5m，下设三套导管，两侧导管距孔端孔为0.5～1.0m。当槽底高差大于25cm时，导管底口距槽底应控制在20～25cm范围内。

灌筑前导管内置入可浮起的隔离塞球，灌筑时先注入水泥沙浆，将每套导管下料斗注满待储料槽内备足混凝土后，即可挤出塞球进行灌筑工作。灌筑过程中每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

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顶部的部分导管拆除。

随着槽孔内混凝土面的上升，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。至此，整个浇筑过程结束。

混凝土防渗墙施工程序详见图8。

Ⅱ期槽施工场地平整施工平台建造水电、供浆、拌和系统安装抓斗抓主孔槽孔造孔抓斗抓副孔Ⅰ期槽Ⅱ期槽刷洗砼接头清孔、槽孔验收

混凝土浇 筑刷洗砼接头下设接头管下浇筑导管拔接头管水下浇筑砼Ⅱ期槽

结束，转下一槽孔图8 混凝土防渗墙施工程序图

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4.2 项目实施过程

2003年10月，大清沟水库坝体混凝土防渗墙方案正式立项研究。 2003年10月至2005年4月，调研及方案论证。

2005年5月19日，松辽委以松辽规计［2005］124号文下达复核意见。

2005年5月31日，辽宁省发改委批准了松辽委员会复核后的《彰武县大清沟水库除险加固初步设计》报告。

2006年6月28日，召开大清沟水库除险加固工程施工招标会议，确定混凝土防渗墙施工单位为中国水电基础局有限公司。

2006年8月15日，大清沟水库混凝土防渗墙开工建设。

2006年8月15日至2006年11月8日，大清沟水库混凝土防渗墙施工，同时进行渗流量监测。

2006年11月8日，大清沟水库混凝土防渗墙竣工。

2006年11月至2006年12月，混凝土防渗墙建成后的渗流量监测。 2007年6月25日，土坝防渗墙进行分部工程验收。 2009年5月24日，土坝部分进行单位工程验收。

5 技术特点

钢丝绳抓斗纯抓法成槽混凝土防渗墙技术是近年来发展起来的新工艺，已在许多防渗工程中应用。它采用优质膨润土泥浆护壁，钢丝绳抓斗法抓土成槽，采用分序抓取法，即将防渗墙分成I、II期槽孔，成槽后采用泥浆下直升导管法浇筑混凝土墙体，墙体连接采用较为先进的接头管法。

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抓斗法成槽混凝土防渗墙技术施工技术先进，施工速度快，对地层适应性强，可按现有防渗墙施工规范施工，有充分的质量保证，形成的墙体接缝少且连续可靠、厚度均匀、连续性好。

此外，钢丝绳抓斗纯抓法成槽混凝土防渗墙还具有工效高、造价低、设备成本投入少，投资经济、合理，修建深度大等特点，具有非常广阔的发展前景。

自大清沟水库混凝土防渗墙建成以来，从渗流监测成果分析，混凝土防渗墙防渗效果良好，有效降低了坝体浸润线，显著减少了渗透流量，确保了坝体和地基的渗透稳定。

6总体性能指标与国内外同类先进技术比较

地下连续墙技术起源于欧洲，它是综合了水井、石油、钻井以及水下浇筑混凝土技术而发展起来的，在借鉴国外经验的基础上，我国自己研究完善了钢丝绳抓斗法用于薄防渗墙施工的施工方法，墙体间连接接头管法，在固壁泥浆上采用更适合我国国情的优质膨润土泥浆，墙体材料混凝土力学性能等指标均优于国外水平。

与国外同类技术相比，我国混凝土防渗墙技术对底层变化的适应能力更强，墙厚和墙深的适用范围更大，防渗效果和耐久性更好，工程质量更为可靠，因而更适合作为坝基和坝身的防渗措施。

考虑到有效墙厚、墙体完整性、耐久性、漏水量等因素，薄型抓斗施工的混凝土防渗墙在经济上是比较合算的。

抓斗造孔的孔形和速度均优于冲击钻机。

墙段连接采用接头管法施工，在施工质量、施工进度、材料消

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耗、防渗效果等方面均优于其他墙段连接方法。薄型混凝土防渗墙更便于采用接头管法，成孔率也更高。

7 技术成熟程度

近几十年来，我国的防渗墙施工技术不断发展，在各项水利水电工程中建造的混凝土防渗墙已不计其数，许多工程的难度在世界上都是罕见的。我国的防渗墙施工技术整体上已接近国际先进水平，部分工程已达到国际先进水平。

在大清沟水库坝体防渗墙施工过程中，考虑到大坝的筑坝材料为中砂，在防渗墙成槽造孔时难度比较大，因而，在大清沟水库除险加固工程防渗墙施工中选用了辽宁省黑山县生产的优质膨润土制作泥浆，使泥浆在流动过程中逐渐渗入到槽壁土体中，其中较细的颗粒进入空隙中，较粗的颗粒则附着在孔壁上，形成“泥皮”。随着时间的延长，泥皮逐渐增厚，水不再渗入地层，泥浆与土体被泥皮隔开，泥浆的侧压力通过泥皮作用在孔壁上，从而保证了孔壁的稳定。

可见，大清沟水库坝体混凝土防渗墙施工技术上比较成熟。

8 对社会经济发展和科技进步的意义

大清沟水库坝体混凝土防渗墙工程的实施，大幅度降低了坝体浸润线，减少了大坝渗漏量，消除了大坝渗透破坏隐患，提高了大坝的安全度，达到了除险加固的目标。

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另外，大坝采用混凝土防渗墙加固后，水库蓄水位提高了1.5m，有效增加了防洪库容，提高了防洪效益。

同时，防渗墙建成后，有利于扩大下游灌区的灌溉面积，必将产生更大的经济效益。

实践证明，混凝土防渗墙是最可靠、最彻底的坝基和坝身防渗处理方法，是解决科尔沁沙漠区以中细沙为筑坝材料的均质土坝渗漏问题的有效技术措施，其施工技术先进，施工方法可靠，能确保大坝安全稳定，运行年限长久，并且投资经济、合理。因而，薄型抓斗混凝土防渗墙在中、低水头大坝坝基和坝身的防渗处理中具有广阔的应用前景。

9 推广应用的条件和前景

大清沟水库坝体混凝土防渗墙工程，从根本上解决了大坝存在的渗漏、塌坑、管涌等病险问题，同时也成为辽宁西北部地区水库防渗处理的成功典范。

抓斗法成槽混凝土防渗墙技术对于设计水头在30m以内，基础无大孤石的建筑物基础防渗、坝基防渗、水利水电工程的围堰防渗、环保工程中尾矿坝、垃圾坝防渗等均有较好的应用及推广价值。该项技术的不断完善和推广，必将产生巨大的经济效益和社会效益。因此，纯抓法成槽混凝土防渗墙技术具有广阔的应用前景。

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10 效益分析

大清沟水库大坝实施混凝土防渗墙加固后，发挥了明显的经济效

益和社会效益，主要体现在以下方面：

（1）大坝增设混凝土防渗墙后，显著降低了坝体浸润线高度：加固前浸润线出逸点在下游坝坡高度3.57m处，坝体内浸润线最大高度17.38m，坝体内单宽渗漏量为10.22×10-6 m3/s/m；加固后浸润线出逸点在下游坝坡高度2.76m处，坝体内浸润线最大高度7.75m，坝体内单宽渗漏量为1.36×10-8 m3/s/m。可见，混凝土防渗墙的实施消除了渗透破坏隐患，极大提高了大坝的安全性。

（2）加固前水库处于带病运行状态，只能降低水位运行，导致水库防洪能力大大降低；增设防渗墙后水库校核洪水位达到168.02m，比加固前提高1.02m，水库防洪库容增加100万m3。水库蓄水位的提高，增加了防洪库容，提高了防洪效益。

（3）根据实际观测资料，增设防渗墙后，坝体渗漏量减少100万m3，年调节灌溉用水量2500万m3，设计灌溉水田2.3万亩，比加固前增加1万亩，产生较大的经济效益。

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目 录

1 研究目的和意义 .............................................................................. 1 2 土坝渗漏处理国内外研究现状 ....................................................... 2 2.1 坝体渗漏处理 ......................................................................... 2 2.2 坝基渗漏处理 ......................................................................... 3 2.3 绕坝渗漏处理 ......................................................................... 5 3 研究背景及立项依据 ...................................................................... 6 3.1 大清沟水库概况 ..................................................................... 6 3.2 项目研究背景 ......................................................................... 9 3.3 立项依据................................................................................11 4 技术方案论证及实施 .................................................................... 12 4.1 技术方案论证 ....................................................................... 12 4.1.1 方案选择 ...................................................................... 12 4.1.2 施工工艺 ...................................................................... 21 4.2 项目实施过程 ....................................................................... 29 5 技术特点 ....................................................................................... 29 6总体性能指标与国内外同类先进技术比较.................................... 30 7 技术成熟程度 ............................................................................... 31 8 对社会经济发展和科技进步的意义 .............................................. 31 9 推广应用的条件和前景................................................................. 32 10 效益分析 ..................................................................................... 33