某水利樞紐工程壩基混凝土防滲墻工程施工

王廷勇 周宗光

1 工程概況

1.1 工程總體概況

下坂地水利樞紐工程位于新疆塔里木河源流葉爾羌河主要支流之一的塔什庫爾干河中下游,是塔里木河流域近期綜合治理中唯一的山區水庫樞紐工程,主要任務是以生態補水及春旱供水為主,結合發電的綜合性Ⅱ等大(2)型工程。水庫正常擋水位2960 m,總庫容 8.67億m3,電站總裝機150 MW。樞紐建筑物由攔河壩、導流泄洪洞、引水發電洞和電站廠房四部分組成。大壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩,壩頂高程2966.00 m,最大壩高78 m。導流泄洪洞布置在右岸,引水發電洞布置在左岸,穿越哈木勒提溝拐向正東。電站廠房布置在壩址下游8.5 km河道的左岸。

下坂地水利樞紐工程壩基下為冰磧砂礫石覆蓋層,最大厚度約150 m,成分復雜,滲透系數變化大;覆蓋層的防滲處理采用上部深85 m,厚1 m的混凝土防滲墻下接4排灌漿帷幕來全部截斷覆蓋層滲流防滲。兩岸坡及壩肩防滲采用基巖帷幕灌漿防滲。

1.2 水文氣象

下坂地水利樞紐工程位于塔什庫爾干河的中下游,壩址以上河長217 km,控制流域面積9570 km2。塔河的徑流主要由冰雪融水及兩岸的地下水補給,因此,河道水量比較穩定。壩址多年平均徑流量為10.89億m3。塔什庫爾干河地區呈典型大陸性高原氣候區,在地理位置、季風環流、地形的綜合因素制約下,流域的氣候差異較大,唯有冷暖兩季。調查歷史洪水為1895年,洪峰流量680 m3/s,相當于百年一遇;實測最大洪峰流量為397 m3/s(1961年)。

1.3 地質條件

樞紐工程壩址區河谷呈“U”形,兩岸山高坡陡,基巖裸露,壩肩巖體較完整,強風化較淺,河床覆蓋層主要是由下游約300 m處的哈木勒提溝古冰川的推進和后退及“堰塞湖”的形成與潰決等因素形成的第四系冰磧、冰水堆積物。壩軸線處河床寬約280 m,壩基覆蓋層自下而上可分為三大類地層:冰磧層、砂層、沖洪積和坡積層。

覆蓋層透水性差異很大,滲透系數在10-2cm/s～10-1cm/s之間,為強透水地層。在淺層20 m范圍內,砂卵礫石層的滲透系數k=15.4 m/d～17.5 m/d,局部6.0 m/d～20.36 m/d。根據三維滲流計算成果,壩基滲漏量為1.115m3/s,年漏水量為3516.3萬m3,壩基的滲透比降為0.548,超過了砂卵礫石層的允許滲透比降0.1。

2 混凝土防滲墻施工

2.1 施工導墻及平臺

防滲墻施工導墻與平臺均為鋼筋混凝土結構,混凝土標號為C15。實際施工時,根據防滲墻上下游水位等實際條件,導墻頂實際施工高程為:0+067.44～0+254.50段2902.0 m,0+252.50～0+381.20段2892.35 m,施工導墻與平臺結構如圖1所示。

2.2 槽孔劃分及墻段連接

根據2003年0+229.5～0+232.5段試驗成果,共劃分為57個槽段,分為二期槽孔施工,其中深槽段最大槽孔長度為6.50 m,岸坡段最大槽孔長度為8.56 m。

墻段連接采用接頭管法。一期槽澆筑前兩端頭孔下設接頭管;隨著混凝土面上升,在不塌、不鑄前提下,隨時起拔接頭管以保證兩端頭孔為空,直接形成二期槽段的端部主孔。

2.3 施工工藝流程

在同一槽孔內,用沖擊鉆采用跳打法進行施工。首先鉆鑿本槽段的主孔,再進行副孔的鉆鑿,在副孔鉆鑿過程中隨時將主、副孔之間的小墻打掉,直至槽段的主、副孔全部完成后再進入下一道工序。

鑒于各槽在造孔過程中需依次穿過沖洪積層、砂層和冰磧層,因此施工時大量配備接砂斗,與抽筒交替使用,特別是在沖洪積層和冰磧層的塊石鉆鑿、爆破后,更需頻繁使用;鉆頭質量均在3 t以上。

2.4 清孔換漿

終孔驗收合格后進行清孔換漿,采用抽筒法,正常耗時 40 h～50 h。即把抽筒沉入孔底,將孔底的沉渣抽出,同時向孔內補充新鮮漿液,換漿量約為槽孔內泥漿總量的1/3～1/2。

二期槽孔清孔換漿結束前,用刷子鉆頭分段洗刷一期槽孔端頭的泥皮和地層殘留物,以刷子鉆頭上基本不帶泥屑、孔底淤積不再增加為合格標準。

需要注意,由于下設預埋管、澆筑導管、接頭管(或監測儀器埋設)耗時過長,經常達到14 h以上(深槽段),為保證長時間內孔底淤積不增加或增加很少和槽壁的穩定,在清孔換漿結束以后,就必須保證孔內泥漿有足夠的密度和粘度,而含砂量又不能過大。根據深槽孔實際使用膨潤土泥漿的經驗,要求清孔換漿1 h后泥漿應達到標準。

2.5 預埋灌漿管下設

預埋灌漿管具體結構如圖2所示。

定位桁架在深度方向的長度為1 m,間距為16 m,槽孔底部段不布設。

預埋灌漿管分節下設,孔底節長度一般小于6 m。下設前應對各節進行調直,并在接口處進行豎向三根等距加肋鋼筋的焊接、桁架固定;下設時采用吊車起吊,在孔口進行對接焊接,然后整體下設;孔口對接時,必須隨時用水平尺校核上下兩節的水平垂直度,以保證整套預埋管的鉛直度。灌漿管在槽口固定在導墻上,灌漿管底口纏過濾網(由1 mm厚鐵皮鉆孔制作而成),防止混凝土進入管內。

2.6 儀器安裝與埋設

根據設計要求,分別在樁號0+160.6,0+226.0,0+294.0所在的三個槽孔內進行了安全監測儀器埋設施工,防滲墻內儀器安裝需固定在預制的角鋼支架上。角鋼支架采用∠50×5 mm角鋼焊接完成,斷面為正四邊形(0.6 m×0.6 m),支架每0.7 m設一組襯鋼(∠50×5 mm角鋼)。支架在現場先分節加工,每節長度6 m,每節支架之間采用∠60×6 mm角鋼連接。支架加工好后在現場先預裝一次,用以保證支架連接后的順直,并由監理和安全監測單位聯合驗收。槽段清孔驗收合格后,采用吊車及時吊裝下設。下設及澆筑混凝土后,安全監測單位及時測試三套墻體支架內儀器均有效,墻內儀器埋設成功。

2.7 混凝土澆筑

混凝土澆筑采用泥漿下直升導管法,壓球法開澆。澆筑前應充分做好各項準備工作,包括澆筑器具、檢測儀器、施工記錄等;重點是φ 250 mm澆筑導管的質量檢查、長短配置、下設布置,必須嚴格按照相關技術要求進行。

在開始進行混凝土澆筑時,攪拌1 m3水泥砂漿,在每套導管下料漏斗內注滿砂漿,待儲料槽內備足混凝土后,即可進行開澆工作。在混凝土澆筑過程中,要嚴格執行技術規范,重點控制混凝土上升速度、混凝土面、導管拆卸和混凝土拌合物試驗。混凝土澆筑不得欠澆,需在設計終澆高程基礎上超澆50 cm。

2.8 接頭管下設與起拔

本工程施工的墻段連接采用“接頭管法”,一期槽孔清孔換漿結束后,在槽孔端頭下設接頭管,混凝土澆筑過程中及澆筑完成一定時段內,根據槽內混凝土初凝情況,使用YBJ1200型液壓拔管機逐漸起拔接頭管,在一期槽孔端頭形成圓弧形接頭孔。本工程總計45個接頭孔,接頭管施工全部成功,而且接頭管施工深度開創了2006年度的同類第一,為水電施工企業在高海拔地區、深厚混凝土防滲墻體下進行接頭管法施工積累了寶貴的經驗。接頭管下設最深為90.0 m,最淺為20.0 m,平均下設深度為64.9 m。

3 施工難點及對策

3.1 成槽造孔前對大塊石預爆處理

根據防滲墻施工部位的地質資料及實際開挖情況,對地層中的大塊石進行孔內爆破。對塊石塊徑大于1 m且相對集中的部位,采取用巖芯鉆機加密鉆孔,進行孔內集中爆破處理,以最大限度地降低防滲墻成墻難度。

3.2 成槽過程中遇到的大塊石處理

1)鉆孔爆破:對于較淺的較大塊石、漂石,采用巖芯鉆機配φ 110 mm金剛石鉆頭鉆孔,鉆穿塊石、漂石后,在鉆孔內下置鉆孔爆破筒進行爆破,爆破筒結構如圖3所示。2)聚能爆破:對于“探頭石”或較深部位的大塊石、漂石,在其表面下置聚能爆破筒爆破。因爆破作業是在泥漿下進行,因此炸藥采用防水的乳化炸藥,雷管采用電雷管。每個爆破筒的裝藥量和雷管數量根據塊石大小和所在深度而定,爆破筒結構如圖4所示。3)鉆頭重砸:對于較小的塊石、漂石,利用加大配重的鉆頭以較快的速度沖砸,使之成碎塊狀,再正常鉆進。

3.3 漏漿處理

漂石、砂卵石層架空現象嚴重,造孔過程中會發生大量漏漿現象,主要采用回填黏土或黏土料加片石,并用鉆頭沖擊擠壓密實的方法堵漏。

3.4 塌孔處理

防滲墻施工過程中,在砂層容易塌孔,主要采用黏土、碎石加黏土等材料回填至槽孔塌孔位置以上1.5 m,再用沖擊鉆機夯實,擠密孔壁;塌孔嚴重部位則采用直升導管法回填灌注低標號混凝土填平,重新造孔。

3.5 施工平臺坍塌處理

2008年5月14日,Y5號槽孔(樁號0+298.5～0+304.5)下游施工平臺突然坍塌,形成長×寬×深為7 m×6 m×8.5 m的塌坑。

本次坍塌事故發生的主要原因是:分布在樁號0+254～0+310之間、厚度10 m～18 m的砂層,在長期的積水浸泡和上下游基坑開挖頻繁擾動后被淘空、液化,造成地基承載力嚴重不足;豐富的地下水被頻繁擾動,不斷稀釋槽孔內泥漿,造成泥漿性能急劇下降,不能滿足施工要求。

事故發生后,為防止塌陷區擴大,對周邊造成更大的影響,首先對其左右正在施工的Y4,Y6槽孔進行回填,然后對塌陷區采取強降水、大開挖處理后再進行固結灌漿處理。具體處理方案為:對樁號0+273.50～0+319.50段施工平臺上下游擴寬10 m～15 m,同時在上游建立集水坑,降低防滲墻施工區的地下水位,并在坡腳做黏土鋪蓋,以截斷強透水層;而對施工平臺底部沖洪積層進行四排固結灌漿處理,深度控制在25 m以內,以穿過沖洪積層1 m為準。

4 施工經驗

通過在海拔近3000 m的高寒、缺氧地區進行寬1 m、最大施工深度90 m的大面積防滲墻施工,我們取得了許多寶貴經驗,但亦有諸多不足,施工工效低比較突出。2006年施工總用時187 d,造孔總進尺12920.3 m,統計單機日均工效為3.18 m(含基巖),其中深槽段(無基巖)單機日均工效為2.5 m。2008年施工總歷時227 d,造孔總進尺6774.9 m,統計單機日均工效為3.59 m(含基巖),其中一期槽為2.45 m、二期槽為4.73 m。而在2003年進行防滲墻試驗施工時,采用抓斗抓取成槽,由于地層中含大量塊徑較大(最大超過4 m)的塊石、漂石,根本無法進行,只得選取沖擊鉆鉆鑿、輔助孤石爆破的成槽工藝。

因此,深厚覆蓋層的成槽工藝值得今后進一步研究、總結,以提高工效、降低成本,最終達到節約工期、提高經濟效益的目的。

[1]劉 翔,陳宇翔.四嶺水庫大壩混凝土防滲面板施工技術[J].山西建筑,2009,35(2):353-354.