礁石灘塊石填海圍堰防滲墻施工技術(shù)研究

歐陽(yáng)小平，巨偉濤，楊 磊

(1.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

1 研究背景

核電站防滲墻大多是建造在防波堤或填海臨時(shí)圍堰上，圍堰為拋填塊石、巨石堆積而成，防滲墻主要為隔斷海水，為核電站地下構(gòu)筑物提供干地施工作業(yè)環(huán)境。填海塊石層防滲墻造孔技術(shù)從20世紀(jì)90年代末嶺澳核電站開始使用以來(lái)，先后在田灣核電站、陽(yáng)江核電站、臺(tái)山核電站、寧德核電站、紅沿河核電等核電站的建設(shè)中得到推廣應(yīng)用。填海塊石層防滲墻施工技術(shù)研究雖然起步較晚，但隨著多個(gè)沿海核電工程防滲墻的建設(shè)得到不斷發(fā)展和成熟，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)該問(wèn)題的研究不斷涌現(xiàn)。張聚生等[1]在嶺澳核電站防波堤塊石層防滲墻造孔技術(shù)的研究為核電站填海圍堰防滲墻提供了施工經(jīng)驗(yàn)；李永琳[2]在遼寧紅沿河核電廠防滲墻施工中采用的漏失地層造孔控制技術(shù)，克服成槽塌孔漏漿的難題；黃祥平等[3]結(jié)合循環(huán)鉆進(jìn)成槽法在猴子巖水電站圍堰防滲墻施工中的應(yīng)用，改進(jìn)傳統(tǒng)造孔工藝，有效避免了塊石地層造孔卡鉆、埋鉆、漏漿、塌孔等事故的發(fā)生。

以往的核電站填海塊石圍堰大多建在淤泥、黏土、全強(qiáng)風(fēng)化等地層上，該類防滲墻成槽工藝常規(guī)做法為采用“鉆劈法”或上部回填層采用“鉆劈法”下部淤泥、黏土、風(fēng)化軟巖可采用“抓斗法”或“兩鉆一抓法”。固壁泥漿采用膨潤(rùn)土漿或黏土漿，同時(shí)采用回填黏土堵漏。防滲墻底部深入全強(qiáng)風(fēng)化巖或中微風(fēng)化巖等相對(duì)不透水層，墻下與基巖結(jié)合緊密，滲漏風(fēng)險(xiǎn)較低，往往無(wú)需再進(jìn)行墻下帷幕灌漿處理。而陸豐核電站一期泵房填海圍堰底部覆蓋層薄，圍堰大部分直接建在礁石、孤石和裸露的基巖上，而且海底巖面起伏大，基巖表面風(fēng)化裂隙和海蝕溝眾多，礁石林立，塊石堰體與基巖間缺失淤泥、黏土、全強(qiáng)風(fēng)化層等相對(duì)不透水層，缺乏天然水平防滲鋪蓋，滲徑短。防滲墻成槽采用以往常規(guī)施工方法存在漏漿量大、塌孔、墻下滲漏或繞滲等風(fēng)險(xiǎn)。本文以陸豐核電泵房圍堰防滲墻施工為背景，通過(guò)成槽工藝、塌孔處理、局部灌漿處理、塑性混凝土材料配比和防滲墻質(zhì)量檢驗(yàn)等幾方面對(duì)礁石灘填海圍堰的防滲墻施工技術(shù)進(jìn)行了研究。

2 工程簡(jiǎn)介

陸豐核電站一期泵房圍堰防滲墻主要目的是為泵房負(fù)挖、排水虹吸井和排水隧道口工作井實(shí)現(xiàn)干地施工。防滲墻位于填海圍堰上，軸線總長(zhǎng)488 m，最大墻深36.6 m，墻厚0.8 m，墻體材料采用塑性混凝土，抗壓強(qiáng)度≥1 MPa，抗拉強(qiáng)度≥0.3 MPa，彈性模量E=250～500 MPa，滲透系數(shù)≤1×10-7cm/s。所有防滲墻底部按設(shè)計(jì)要求嵌入中風(fēng)化花崗巖≥3 m，嵌入微風(fēng)化花崗巖≥1 m。防滲平臺(tái)由塊徑0.3～1.5 m開山石充填石渣填海形成臨時(shí)圍堰，覆蓋層部位為砂層和風(fēng)化土層，層厚0～1 m，部分基巖無(wú)覆蓋層?；鶐r為中微風(fēng)化花崗巖，防滲軸線上原始地貌存在較多礁石，礁石體積大、裂隙多，部分礁石落差大，存在海蝕溝，防滲墻墻下滲漏隱患大。防滲墻地質(zhì)地貌情況見圖1。

圖1 防滲墻施工區(qū)地貌圖

3 施工重點(diǎn)難點(diǎn)分析

(1)地層復(fù)雜、鉆孔成槽難度大、精度高。特別是圍堰填筑為開山石填筑，因此在圍堰堰體內(nèi)必將存在大量的架空層和大塊石，極大地加大成槽難度。

(2)防滲墻墻底位于礁石區(qū)，礁石的裂隙、溝槽發(fā)育，防滲墻墻下滲漏風(fēng)險(xiǎn)極高。

(3)礁石高差錯(cuò)落較大，對(duì)防滲墻墻底勘巖的準(zhǔn)確性是個(gè)極大的考驗(yàn)，防滲墻施工可能存在局部未堪巖或堪巖深度不夠的隱患，從而造成局部滲漏。

(4)由于防滲墻軸線全線臨海，施工平臺(tái)為填石圍堰，滲徑短、滲漏通道多，防滲效果完全依靠垂直防滲墻的可靠性和完整性，一旦出現(xiàn)局部滲漏，可能形成大的管涌，對(duì)圍堰和基坑安全危害較大，且不易準(zhǔn)確查找滲漏點(diǎn)，堵漏困難。

4 施工技術(shù)研究與應(yīng)用

4.1 成槽工藝的改進(jìn)與應(yīng)用

由于圍堰防滲墻單元槽段成槽施工是在含有大量孤石、塊石且結(jié)構(gòu)松散、架空嚴(yán)重的深厚覆蓋層中進(jìn)行的，成槽過(guò)程容易產(chǎn)生塌槽事故，液壓抓斗、雙輪銑等先進(jìn)的成槽設(shè)備不適用于本地層。成槽施工機(jī)械設(shè)備只能選擇傳統(tǒng)的沖擊鉆，沖擊鉆機(jī)機(jī)型由最初的CZ-20型發(fā)展到CZ-9型和ZZ-6A型，鉆具質(zhì)量由最初的1 t發(fā)展到5 t。本工程施工主要選擇ZZ-6A型沖擊鉆機(jī)，配備4～5 t平底鉆，該鉆機(jī)破巖能力強(qiáng)，對(duì)地層夯實(shí)擠密效果好，適合本地層成槽施工。

4.1.2 槽段長(zhǎng)度的確定

針對(duì)本工程特殊的地質(zhì)條件，槽段長(zhǎng)度的確定對(duì)成槽起著關(guān)鍵的作用。如果槽段太長(zhǎng)，槽壁自穩(wěn)性降低且成槽周期長(zhǎng)，塌槽事故風(fēng)險(xiǎn)高；如槽段太短，不適合多臺(tái)設(shè)備同時(shí)施工，同樣成槽周期長(zhǎng)，塌槽風(fēng)險(xiǎn)增高，且墻體接頭多增加成本。

槽段劃分主要是根據(jù)成槽功效和鉆機(jī)設(shè)備尺寸來(lái)確定。由于塊石地層造孔功效約3～4 m/d，功效低，單純提高設(shè)備功效困難，縮短成槽周期只能通過(guò)多臺(tái)設(shè)備同時(shí)施工同一槽段。由于ZZ-6A型鉆機(jī)寬度較大，兩臺(tái)鉆機(jī)并排中心最小間距2.5 m。因I期槽難度較大，槽段劃分三主兩副，考慮1、5號(hào)主孔和2、4號(hào)副孔可布置鉆機(jī)同時(shí)施工，副孔長(zhǎng)度設(shè)為1.5 m，槽長(zhǎng)5.4 m；I期槽施工完成后地層相對(duì)密實(shí)，II期槽成槽相對(duì)容易，槽段劃分四主三副，考慮Ⅱ期槽1、5、7號(hào)主孔和2、6號(hào)副孔可布置鉆機(jī)同時(shí)施工，Ⅱ期槽副孔長(zhǎng)度設(shè)為1.2 m，槽長(zhǎng)6.8 m。槽段劃分見圖2。

圖2 槽段劃分示意圖(單位：mm)

4.1.3 固壁泥漿的選用與改進(jìn)

防滲墻成槽施工，傳統(tǒng)固壁泥漿采用膨潤(rùn)土漿，鑒于本防滲墻工程為塊石回填地層，存在塊石架空，成槽施工大量漏漿將成為施工中的常態(tài)，所以采用膨潤(rùn)土漿無(wú)法起到槽孔堵漏的效果，且施工成本很高。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)，施工中選擇了回填黏土自主造漿工藝，上部塊石地層槽孔鉆進(jìn)過(guò)程中要反復(fù)投放黏土，重復(fù)造孔，起到擠密孔壁和填堵孔洞，防止出現(xiàn)大量漏漿，威脅槽孔穩(wěn)定。一旦出現(xiàn)大量漏漿，需要迅速回填黏土或泥渣，并摻加片石，泥渣可流入塊石層充填孔洞，片石與黏土可快速堵住大滲漏孔洞，防止槽孔因漿面下降過(guò)快而塌孔。

4.1.4 工法的選擇及改進(jìn)

此外，企業(yè)的管理層也是直接影響經(jīng)濟(jì)管理的重要因素，管理層能否合理稱職的履行經(jīng)濟(jì)職能可以從財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)的監(jiān)督下反映體現(xiàn)，且在這樣的監(jiān)督下管理層的職權(quán)能夠更加的公正透明，財(cái)務(wù)更加健康合理化。

根據(jù)《水電水利工程混凝土防滲墻施工規(guī)范》[4]傳統(tǒng)的單元槽段成槽施工方法為“鉆劈法”，先鉆主孔，再劈打副孔，最后施工小墻。針對(duì)本工程地層條件采用傳統(tǒng)的“鉆劈法”施工，存在以下不足之處：

(1)成槽施工過(guò)程中槽孔內(nèi)易出現(xiàn)卡鉆、埋鉆事故，由于主孔和副孔孔深相差懸殊，處理難度極大，有時(shí)會(huì)處理失??；

(2)劈打副孔時(shí)容易出現(xiàn)大面積塌孔漏漿，且由于副孔兩邊主孔已施工，回填黏土堵漏困難，需將兩邊主孔回填，回填黏土量大。

鑒于以上原因，該地層條件下成槽工藝選擇“循環(huán)鉆進(jìn)法”[3]，及“平打法”。由于上部塊石架空地層極其容易出現(xiàn)塌孔漏漿，需反復(fù)回填黏土擠壓密實(shí)，在上部塊石地層中造孔成槽縮短主副孔的高差有利于快速回填黏土堵漏，鑒于主孔需要一定的導(dǎo)向深度要求和鉆具高度，主副孔鉆進(jìn)錯(cuò)開2 m。如此提高了回填黏土堵漏的速度和效果，并擠壓密實(shí)槽壁，節(jié)約黏土用量?！把h(huán)鉆進(jìn)法”施工工法見圖3。

4.1.5 槽孔坍塌的處理

該地層防滲墻施工難免出現(xiàn)部分槽孔坍塌，如何處理塌槽成為施工的難題。塌孔往往為上部塊石回填層，塌孔會(huì)使槽孔形成“漏斗形”或“酒壇型”，回填黏土或石渣料難以使坍塌部位再次形成穩(wěn)定地層，往往隨著槽孔的再次鉆進(jìn)回填部位會(huì)再次垮塌，并造成卡鉆、埋鉆事故。

通過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)，塊石地層塌槽采用低標(biāo)號(hào)混凝土回填的方法，能有效的控制地層穩(wěn)定，為二次成槽提供保障。為節(jié)約成本，回填的混凝土強(qiáng)度選用5～10 MPa，混凝土骨料可選用石渣、石屑、風(fēng)化砂等廢料，膠凝材料選用水泥、粉煤灰。為減少回填混凝土用量，需先探明塌孔位置，再用黏土或石渣回填至塌孔底部，回填混凝土采用水下直升導(dǎo)管法澆筑，確?；炷翝仓|(zhì)量。待回填混凝土達(dá)到2 MPa強(qiáng)度以上(約3 d齡期)后可開始二次成槽施工，成槽后，回填部分混凝土可與地層緊密結(jié)合并形成槽壁襯砌或拱圈，穩(wěn)定槽壁。塌孔處理示意圖見圖4。

圖3 循環(huán)鉆進(jìn)法施工工法示意圖

圖4 塌孔處理方法示意圖

4.1.6 局部特殊地質(zhì)部位采取的措施

防滲墻在施工過(guò)程中,通過(guò)先導(dǎo)孔基巖取芯和基巖壓水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)A19、A23、A38號(hào)槽遇到大孤石，A9～A12、A56～A57、A80～A81、A88、A93～A94號(hào)槽存在基巖面起伏較大，可能存在礁石、海蝕溝、風(fēng)化槽，基巖完整性差，堪巖判斷困難，存在滲漏通道，嚴(yán)重影響防滲效果。經(jīng)過(guò)精確的勘察和多次方案論證，決定在特殊地質(zhì)情況的槽段增加墻下帷幕灌漿處理以確保防滲效果。帷幕灌漿孔以上部位沿防滲墻軸線單排布置，孔距1m，共計(jì)95個(gè)孔，分兩序施工，灌漿段深入基巖15～20 m，灌漿后基巖滲透系數(shù)小于5 Lu，有效控制了墻下基巖滲漏，確保了防滲體系的完整性。灌漿孔布置如圖5。

圖5 灌漿孔位布置圖

4.2 防滲墻塑性混凝土墻體材料研究及應(yīng)用

由于本工程塑性混凝土強(qiáng)度低、彈性模量小、抗?jié)B要求高，以往采用砂石骨料為主的塑性混凝土彈性模量和抗?jié)B系數(shù)較難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[5]和《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[6]對(duì)混凝土配合比室內(nèi)試驗(yàn)，采用以砂石為骨料、石屑和石子為骨料、全部石屑為骨料3種骨料不同組合進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn)[7]，試驗(yàn)結(jié)果表明石屑骨料塑性混凝土既滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，在水膠比相近的情況下，石屑骨料塑性混凝土強(qiáng)度小幅降低而彈性模量和滲透系數(shù)可大幅減小，更好的滿足了低強(qiáng)度、低弾模、低滲透系數(shù)的指標(biāo)要求，而且石屑替代砂石，可大幅降低混凝土成本，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益?；炷僚浔燃霸囼?yàn)結(jié)果見表1、2所示。

表1 塑性混凝土配比選擇結(jié)果

表2 塑性混凝土物理力學(xué)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

5 防滲墻質(zhì)量檢驗(yàn)

5.1 防滲墻混凝土取樣檢測(cè)結(jié)果

防滲墻混凝土取樣檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 防滲墻砼試塊檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

5.2 防滲墻墻體防滲性能檢測(cè)

(1)墻體注水試驗(yàn)檢測(cè)。防滲墻工程完成后，混凝土齡期滿足28 d后進(jìn)行注水檢查，每隔100 m內(nèi)布置一個(gè)注水孔，共布置5個(gè)注水檢查孔，注水試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。墻體注水試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 墻體注水試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

注：設(shè)計(jì)要求塑性地連墻墻體材料28 d齡期指標(biāo)應(yīng)滿足滲透系數(shù)K≤1×10-8cm/s。

(2)墻體孔內(nèi)彩電觀測(cè)。為進(jìn)一步判斷墻體混凝土密實(shí)性和完整性，抽取部分槽段進(jìn)行了孔內(nèi)攝像進(jìn)行直觀分析，由孔內(nèi)圖像判斷分析，塑性混凝土防滲墻檢查孔孔壁光滑，墻體澆筑均勻密實(shí)，完整性較好，表明成墻質(zhì)量基本完好。部分孔內(nèi)攝像效果如圖6所示。

圖6 部分槽段孔內(nèi)攝像效果圖

(3)基坑開挖后墻體滲水觀測(cè)。泵房基坑開挖完成后，在基坑內(nèi)防滲墻側(cè)設(shè)置排水溝和集水坑對(duì)墻體滲水進(jìn)行抽排，架設(shè)50 m3/h水泵日夜各抽水1次，每次抽排約1 h即可達(dá)到排水平衡。通過(guò)基坑排水觀測(cè)，基坑滲水量約100 m3/d，墻體防滲效果良好，基坑排水量較小，滿足了泵房干地施工條件。基坑開挖完成后滲水情況見圖7。

5.3 防滲墻墻體變形觀測(cè)

本工程沿防滲墻軸線每30 m布置一個(gè)測(cè)斜孔，共布置測(cè)斜孔16個(gè)，在泵房基坑開挖過(guò)程中對(duì)防滲墻變形進(jìn)行不定期監(jiān)測(cè)，測(cè)斜成果如表5所示。

根據(jù)防滲墻設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格書要求，在內(nèi)部子項(xiàng)施工期間需加強(qiáng)對(duì)防滲墻變形檢測(cè)，設(shè)計(jì)要求防滲墻最大水平位移控制值為20 mm，報(bào)警值為15 mm。本工程墻體最大水平位移5.29mm，符合設(shè)計(jì)要求，墻體變形控制良好。

圖7 基坑開挖滲水情況圖

孔號(hào)A11-7A18-5A26-1B32-1B36-5B42-7B48-1B52-7最大水平位移/mm0.883.324.774.7343.965.293.66孔號(hào)B63-5B72-1A78-5A84-7A88-5A94-1A98-7A102-5最大水平位移/mm3.633.923.943.982.831.821.621.21

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)礁石灘填石圍堰防滲墻施工技術(shù)在陸豐核電一期泵房圍堰防滲工程中的應(yīng)用，對(duì)防滲墻各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)的進(jìn)行了檢測(cè)，得出以下結(jié)論。

(1)在塊石圍堰地層中采用的防滲墻成槽工藝在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際地層情況進(jìn)行了改進(jìn)，采用“循環(huán)鉆進(jìn)法”的成槽工藝、反復(fù)回填黏土摻片石自主造漿和擠密堵漏的固壁方法、低標(biāo)號(hào)混凝土塌孔處理方法，有效解決了塊石地層成槽泥漿漏失量大，塌孔嚴(yán)重的施工難題，成槽質(zhì)量可靠，對(duì)類似地層的防滲墻成槽施工有一定的指導(dǎo)意義。

(2)針對(duì)礁石灘填石圍堰的特殊地層情況，局部采取補(bǔ)充墻下帷幕灌漿的方案可進(jìn)一步規(guī)避因礁石裂隙、海蝕溝、風(fēng)化槽等造成防滲墻墻下滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，確保防滲墻與基巖完整閉合。

(3)采用的石屑替代砂石為骨料的塑性混凝土，質(zhì)量指標(biāo)能滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，墻體抗?jié)B效果好，且可降低混凝土材料成本，在圍堰塑性混凝土防滲墻中可推廣應(yīng)用。

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[1] 張聚生，孔祥生，楊永強(qiáng).嶺澳核電站防波堤塊石層防滲墻造孔技術(shù)[J].水力發(fā)電，1999,(11)：18-19.

[2] 李永琳.遼寧紅沿河核電廠塑性混凝土防滲墻施工關(guān)鍵技術(shù)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2010,(s1)：471-474.

[3] 黃祥平，周昌茂，何 英，等.循環(huán)鉆進(jìn)成槽法在圍堰防滲墻施工中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2014,(4)：60-62.

[4] DL/T5199-2004,水電水利工程混凝土防滲墻施工規(guī)范[S].

[5] DL/T5300-2005，水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[6] SL352-2006,水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].

[7] 張勝?gòu)?qiáng)，楊 磊，李佳偉，等.摻石渣粉塑性混凝土配合比試驗(yàn)研究與應(yīng)用.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2016，33(5)：116-120.