塑性混凝土防滲墻在合東水庫大壩防滲處理中的應用

陳宇明

（湘鄉市水利局 湘潭市 411400）

l工程概況

湘鄉市合東水庫位于湘江水系漣水支流巖江上游，壩址距S209省道和壺天鎮3km，水庫集雨面積14.75km2，正常蓄水位186.20m，正常庫容2202萬m3，校核洪水位 187.69m，總庫容 2501萬 m3，灌溉壺天、棋梓兩鎮2.8萬畝農田，是一座以灌溉為主，結合防洪、養魚等綜合效益的中型水利工程。該水庫建于1976年，為粘土心墻壩，最大壩高39m，壩頂高程190.90m，壩頂寬6m，壩頂軸長146m。壩基持力巖層為石英砂巖夾頁巖，巖石風化破碎，具弱透水性；壩體填筑土為含礫粘土，碎石含量高，未按要求進行分區填筑，碾壓不密實。水庫因施工質量差、運行久，大壩壩體、壩基及左右壩肩滲漏嚴重，2003年經水利部大壩安全管理中心鑒定為三類壩病險水庫。針對大壩地質條件和壩體滲漏特征，設計壩體采用垂直塑性混凝土防滲墻進行防滲處理；壩基及壩肩采用帷幕灌漿進行防滲處理，兩者形成封閉、連續的防滲板墻。塑性混凝土防滲墻設計要求：防滲墻軸線位于壩軸線上，范圍0+000～00+146樁號，全長146m，墻體設計厚度為0.6m，深入強風化基巖1m，墻頂標高為189.90m，最大成墻深度47m。單元槽段長6m，防滲墻總面積4265m2。

2 混凝土防滲墻、施工方法簡介及選用

混凝土防滲墻就是利用鉆孔或挖槽機械,在松散的透水地基或壩（堰）體中以泥漿固壁挖掘槽形孔或連鎖樁柱孔，在槽孔內澆筑混凝土或其它防滲材料，筑成具有防滲功能的地下連續墻。

2.1 防滲墻的種類

（1）普通混凝土防滲墻：以水泥、粉煤灰為膠凝材料拌制的在水下澆筑的大流動性混凝土筑成。

（2）粘土混凝土防滲墻：除水泥、粉煤灰外，由摻加了占膠凝材料總量20%左右的粘土的大流動性混凝土筑成。

（3）塑性混凝土防滲墻：水泥用量較低，由摻和較多的膨潤土、粘土等材料的大流動性混凝土筑成，它具有低強度、低彈模和大應變等特性。

（4）固化灰漿防滲墻：在已建成的槽孔內，以固壁泥漿為基本漿材，在其中加入水泥、水玻璃、粉煤灰等固化材料以及砂和外加劑，經攪拌均勻后固化而形成的一種低強度、低彈模和大極限應變的柔性墻體。

（5）自凝灰漿防滲墻：以水泥、膨潤土、等材料拌制的漿液，在建造槽孔時起固壁作用，槽孔建造完成后，該種漿液可自行凝結成一種低強度、低彈模和大極限應變的柔性墻體。

合東水庫設計采用塑性混凝土防滲墻，強度等級為C10，墻厚60cm，墻深伸入基巖1m。混凝土選用抗壓強度小于5MPa，抗滲標號W6的塑性混凝土。塑性混凝土防滲墻物理力學控制指標：滲透系數K≤（1～9.0）×10-8cm/s， 抗壓強度 R28.d＞2.5MPa，彈性模量（800～1000）MPa，允許滲透比降 J≥80；施工物理特性指標要求：混凝土入孔時的坍落度為（18～22）cm，混凝土初凝時間不能小于6h，終凝時間不能大于24h。

2.2 混凝土防滲墻成槽的施工方法

（1）鉆劈法：用沖擊鉆機鉆鑿主孔和劈打副孔形成槽孔的一種防滲墻成槽施工方法。

（2）鉆抓法：用沖擊鉆機先鉆主孔,然后用抓斗挖掘其間副孔,形成槽孔的一種防滲墻成槽施工方法。

（3）抓取法：只用抓斗挖掘地層,形成槽孔的一種防滲墻成槽施工方法。此法要求有較寬闊的施工場地。

（4）銑削法：用專用的銑槽機銑削地層形成槽孔的一種防滲墻成槽施工方法。

鉆抓法及抓取法施工相對速度較快，但入巖嵌固較難；銑削法在國外早有應用，而國內才僅僅開始使用，須采用專用的液壓雙輪銑槽機，費用高，難以采用；鉆劈法相對速度較慢，但適合于入巖嵌固。

合東水庫由于壩頂較窄，不適于抓斗機施工，且設計要求深入基巖1m，所以造槽采用鉆劈法。

3 塑性混凝土配合比確定

本工程設計上要求塑性混凝土配合比由現場試驗確定，配合比試驗是在試驗室標準條件下得出的，而施工現場天氣、氣溫等條件不一樣，直接影響到塑性混凝土的各項指標。塑性混凝土的配合比設計與普通混凝土的差異較大，不但要對混凝土強度進行設計，同時還要著重考慮混凝土的彈性模量以及抗拉強度是否能達到設計要求。因此，塑性混凝土的配合比設計需要在對其各個配合比參數的影響因素進行試驗研究后方能設計出滿足要求的配合比。

因本工程規模不是很大，而且不具備較好的試驗條件，故采用了工程類比法設計塑性混凝土的配合比，參考類似工程的配合比初選了3個配合比，并做了進一步的試驗研究加以確定。施工期間根據現場試驗對初選參考配合比以水泥量、粘土用量、砂率和水膠比進行調整、優化，最終確定的配合比見附表。

附表 材料配合比表 kg/m3

4 鉆劈法建造塑性混凝土防滲墻

合東水庫大壩除險加固壩體采用鉆劈法建造塑性混凝土防滲墻施工方法，并在防滲墻中安置預埋管,然后進行壩基帷幕灌漿，在防滲墻和壩基之間進行接觸灌漿相互搭接，形成一道完整的防滲帷幕，達到除險加固的目的。

本工程鉆劈法建造塑性混凝土防滲墻主要施工工藝如下：

測量放樣—→開挖施工平臺—→修筑導墻—→成槽鉆進—→清孔—→驗孔—→預埋灌漿鋼管—→設置混凝土導管—→泥漿下混凝土澆筑。工藝流程詳見圖1。

圖1 工藝流程圖

4.1 開挖施工平臺

防滲墻施工平臺要求堅固、平整，適合重型設備和車輛行走（如吊車、鏟車），寬度要能滿足施工需要，本壩原壩頂寬6.0m，不能滿足施工需要，于是降壩（1.0～1.5）m，寬增加到9.0m，現基本能滿足施工需要。

4.2 修筑導墻

造槽施工前必須先修筑導墻，導墻是為防滲墻施工建造的臨時構筑物，其功能是為鉆具導向、保護槽口、設備承重。本工程考慮到壩體上部5.0m是十分松散的石渣土，容易跨塌，導墻采用現澆鋼筋混凝土。導墻厚0.5m,埋深1.0m，導槽中心軸線和防滲墻軸線重合，內側間距64cm，比防滲墻寬4cm（防滲墻厚60cm）。

4.3 軌道鋪設

在導墻兩側鋪上枕木，枕木上架軌道，便于鉆槽機移動。軌道平行于防滲墻軸線，軌道間距根據鉆機底座輪距確定，本次施工每6.0m為一槽段，并在枕木上釘有鐵釘以標記出主孔、副孔位置。

4.4 造槽施工

對于壩體土質好，槽孔較淺的槽一次性單孔鉆至槽底；對于壩體質量差，土質松散，較深的槽，分（5.0～10）m為一階層鉆劈。全長共分23個槽段，槽孔分兩期進行施工，即用沖擊鉆機鉆進槽段主孔至終孔，主孔完成后，槽段副孔用沖擊鉆機鉆鑿副孔中心，每鉆進（3～5）m即對小墻進行劈打。主孔、副孔長度均為0.60m，每個槽段由5個主孔及5個副孔組成（詳見成槽鉆孔示意圖2），單個槽孔長度為1.2m。在成槽過程中，為了使槽孔垂直，鉆頭沖擊力不要過猛，鋼絲繩帶力沖擊。泥漿護壁，沖鉆過程中如漏漿，則須另制泥漿補充；如垮槽，則停止沖鉆，馬上回填粘土，邊回填邊沖鉆，壓擠密實。

圖2 成槽鉆孔示意圖

4.5 泥漿護壁

泥漿在造孔成槽過程中起到固壁、懸浮、攜渣、冷卻鉆具和潤滑的作用，成墻后還可增加墻體的抗滲性能。根據本工程的特點，槽內護壁采用的是膨潤土泥漿護壁，利用供漿管輸送至槽孔內使用，槽孔孔口泥漿面在成槽過程中保持在導墻頂面以下（30～50）cm范圍內。制漿設備系統為：泥漿池容量為30m3，泥漿拌和機1臺，容量為0.4m3。泥漿配合比為每立方米泥漿：水為1000kg，膨潤土為 100kg，Na2CO3為3kg。采用泥漿比重秤、粘度計、馬氏漏斗進行泥漿三項指標的檢測。根據不同地質條件及時調整泥漿配合比，泥漿比重為（1.1～1.2）g/cm3。

4.6 基巖面確定

根據設計地質剖面圖、鄰孔基巖深度、鉆進速度分析、撈渣情況分析等方面綜合確定。

4.7 清 孔

就是清除孔內殘渣、沉渣。槽孔質量檢查合格后即進行清孔，用帶閥們的抽沙筒撈取槽孔內沉渣，清孔1h后，槽內沉渣不大于10cm為合格。

4.8 下預埋管和設置導管

（1）預埋管布置：預埋管Φ110鋼管，間距2.0 m，每槽布預埋管3根（1.0m位置、3.0m位置、5.0m位置）。

（2）兩端兩根預埋管的固定：管底切割成鋸齒狀，防止在基巖面上滑動，中間每10m套一個固定支架，控制往兩端偏移，管口用“井”字架焊在軌道上固定。

（3）中間預埋管偏斜控制：中間預埋管由于兩側還要下導管，所以中間不能用架子固定，為防止偏移，按以下方法控制：混凝土灌注時先灌注地勢低的一端，防止管底滑動；槽底澆筑水平后，兩側導管輪流平衡澆筑。

（4）調設置導管：導管內徑400mm，每槽段布置2根導管，導管間距3.0m，距槽端1.5m，距槽底（15～25）cm 以內。

4.9 泥漿下混凝土澆筑

泥漿下混凝土澆筑采用直升導管法，開澆前先注入少量水泥沙漿，隨即注入足量的混凝土埋住導管底部，然后邊澆筑邊提取導管。澆筑過程中按以下幾點控制：

（1）測繩測量，導管埋入混凝土中規范要求不少于 1.0m，不大于 6.0m，本工程控制在（2.5～4.0）m。

（2）混凝土面上升速度不小于2m/h。

（3）混凝土面均勻上升，各處高差控制在50cm左右，通過吊鉛球跟蹤測量，調節兩根導管注入量來控制。

4.10 槽段連接

槽段連接可采用接頭管法和鉆鑿接頭孔法，接頭管法適于抓斗成槽施工，鉆鑿接頭孔法適合于沖擊鉆成槽施工。本工程采用鉆鑿法進行接頭連接，即一期槽段澆筑完畢12h后，視混凝土強度進行二期槽段造孔時，將一期槽段混凝土套抓35cm，以保證接頭質量。鉆完孔后，需用專用的機具將其兩端一期槽（或圓樁）混凝土上所附泥皮及地層殘留物全部清除。

5 防滲墻施工特殊情況處理

5.1 漏漿、塌孔處理

（1）漏漿：造孔過程中有少量漏漿現象，采用加大泥漿比重，投堵漏劑等措施處理；出現大量漏漿現象，馬上采用回填粘土鉆進處理，槽孔采用投鋸末、水泥或高水速凝材料等進行堵漏處理，并改沖擊反循環鉆進為沖擊鉆擠實鉆進，確保孔壁槽壁安全。或在造孔前，對架空地段進行預注漿處理。根據工程施工經驗，危險性管涌土，會加劇地層滲漏通道的滲漏，鉆進時，要加強泥漿損失測估，改變鉆進工藝，準備好足夠的堵漏材料及時處理好滲漏，尤其是槽孔的副孔鉆劈時，要小心提防。合東水庫主壩施工沒有發生過漏漿情況。

（2）塌孔：由于覆蓋層級配不均，結構松散，造孔中可能出現塌孔。發現有塌孔跡象，首先提起施工機具，根據塌孔程度采取回填粘土、柔性材料或低標號混凝土等處理。如孔口塌孔，采取布置插筋、拉筋和架設鋼木梁等措施，保證槽口的穩定。如槽內塌孔嚴重，必要時可澆筑固化灰漿后重新造孔。本工程的5#、7#、9#槽均有不同程度的跨塌，采用了回填粘土方法處理。

5.2 孔斜的處理

造成防滲墻發生孔斜的原因有很多，其中地層原因是最主要的。當槽孔施工發生孔斜時，將使墻體的有效厚度減少以及影響墻體的連續性，因此，孔斜的控制尤為重要，當槽孔施工發生孔斜時，應采取以下措施處理：

（1）改變鉆頭規格、形狀。沖擊鉆機施工中要勤測量，及時掌握孔形情況，如發現偏斜，可在鉆頭上加焊一圈鋼筋，擴大鉆頭直徑，擴孔改變孔斜；或在孔斜的相反方向加焊耐磨塊進行修孔。

（2）回填石料修孔。沖擊鉆機造孔中如果發生孔斜，可用（10～25）cm石料回填至偏斜段頂部。重新進行該段造孔，并加大造孔過程中的測斜密度，嚴加控制進行修孔。

（3）定位、定向聚能爆破處理探頭石。造孔過程中遇到探頭石易發生孔斜，可采用定位、定向聚能爆破炸掉探頭石后繼續鉆進。

5.3 混凝土澆筑堵管的處理

防滲墻的澆筑應嚴格按照規范的規定執行，有效地控制混凝土的攪拌質量及按規定掌握導管的埋深，是避免發生堵管的關鍵措施。一旦發生堵管，可利用吊車上下反復提升導管進行抖動，疏通導管，如果無效，可在導管埋深允許的高度下提升導管，利用混凝土的壓力差，降低混凝土的流出阻力，達到疏通導管的目的。當各種方法無效時，可考慮重新下設另一套導管，新下設的導管底部應完全插入混凝土面以下，然后用小抽筒將導管內的泥漿抽吸干凈，方可繼續進行混凝土的澆筑。

5.4 墻體質量事故的處理

如混凝土防滲墻在澆筑過程中發生中斷或發生事故而影響質量時，可根據事故的具體情況采取以下措施進行補救：

（1）鑿除已澆筑的混凝土，重新清孔換漿進行澆筑。

（2）在防滲墻上游側補貼一段新墻，并保證與舊墻和兩端槽孔混凝土連接完整，達到防滲標準。

（3）在發生事故的部位上游側進行鉆孔灌漿，形成一段帷幕對事故部位進行補救，達到防滲標準。

（4）在發生事故的部位上游側進行高噴灌漿，形成一段高噴防滲墻對事故部位進行補救保護，達到防滲標準。

6 結 語

湘鄉市合東水庫大壩滲漏問題，通過采用鉆劈法建造塑性混凝土防滲墻和壩基帷幕灌漿后，經過了幾年的考驗，防滲效果顯著，壩下游滲漏現象得到了徹底地解決，下游水塘多處泡泉點和壩腳集中滲水點基本消失。實踐證明，塑性混凝土防滲墻技術在合東水庫中的應用是成功的，施工質量滿足設計要求，達到了預期防滲效果，各項質量檢測指標均能符合設計和相關規范要求。說明鉆劈法建造塑性混凝土防滲墻技術在大、中型水庫壩體防滲處理上是一項可行的、有效的新工藝，具有廣泛的應用前景。

1 王清友，孫萬功，熊歡.塑性混凝土防滲墻[M].北京：中國水利水電出版社，2008.