阿爾塔什水利樞紐工程深厚砂礫石覆蓋層混凝土防滲墻施工技術(shù)研究

任海軍，高元太

(長江科學(xué)院 監(jiān)理公司, 湖北 武漢 430010)

阿爾塔什水利樞紐工程深厚砂礫石覆蓋層混凝土防滲墻施工技術(shù)研究

任海軍，高元太

(長江科學(xué)院 監(jiān)理公司, 湖北 武漢 430010)

阿爾塔什水利樞紐工程是我國在建面板堆石壩工程之一，其深厚的砂礫石覆蓋層和龐大的壩體，在施工和運(yùn)行過程中均會(huì)對(duì)防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生較大的影響，處理不好直接會(huì)影響到大壩整體防滲效果和工程安全。如何在保證施工質(zhì)量的前提下，優(yōu)化施工方案，改善防滲墻應(yīng)力狀況，是施工技術(shù)研究重點(diǎn)。通過對(duì)防滲墻的受力特性、深厚覆蓋層的工程特性分析和研究，從防滲墻成墻槽段劃分、墻段連接技術(shù)、強(qiáng)漏失地層成槽技術(shù)和固壁泥漿配比等關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，有效的消減了防滲墻在壩體填筑和蓄水過程中的應(yīng)力應(yīng)變集中，保證防滲墻的成墻質(zhì)量和運(yùn)行效果。

阿爾塔什水利樞紐工程；深厚覆蓋層；混凝土防滲墻；施工技術(shù)

目前世界上在厚度大于70 m的深厚覆蓋層上建設(shè)壩高超過100 m的水利工程，已有文獻(xiàn)報(bào)道約15余項(xiàng)，采用混凝土防滲墻的工程已有10座，防滲墻深度超過70 m的工程有7座[1-4]。其中，中國四川冶勒是覆蓋層厚度最大的水利工程，覆蓋層厚度深達(dá)420 m～500 m，壩高125 m，防滲墻最大深度為135 m；深厚覆蓋層上建壩最高的水利工程是中國四川瀑布溝，壩高186 m，防滲墻最大深度75 m。新疆阿爾塔什水利樞紐工程采用混凝土面板砂礫石堆石壩，覆蓋層厚度最大93.9 m，壩高165 m，防滲墻最大深度90 m，其壩高、覆蓋層深度、防滲墻深度均不遜于國內(nèi)相關(guān)工程。深厚的砂礫石覆蓋層和龐大的壩體，在施工和運(yùn)行過程中均會(huì)對(duì)防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生較大的影響。通過可研階段的大量研究和論證，最終選擇“先建墻，后筑壩”。先施工防滲墻，后填筑大壩，防滲墻在大壩填筑過程中存在向上游的擠壓變形，在蓄水過程中又存在向下游的回壓變形。

如何采用施工措施，在保證成墻質(zhì)量的前提下，消除或改善混凝土防滲墻在后期變形中因應(yīng)力集中而遭到破壞，是本工程建設(shè)中應(yīng)解決的問題。在工程實(shí)踐過程中，通過對(duì)防滲墻后期變形特性分析和研究，從防滲墻成墻槽段劃分、墻段連接技術(shù)上改善了防滲墻受力狀況；通過對(duì)深厚覆蓋層特性的分析，從強(qiáng)漏失地層成槽技術(shù)和固壁泥漿配比等關(guān)鍵技術(shù)研究上保證防滲墻成墻質(zhì)量。

1 壩基深厚覆蓋層工程特性

阿爾塔什水利樞紐工程位于昆侖山西段葉爾羌河中游河段，是葉爾羌河流域內(nèi)最大的控制性山區(qū)水庫工程，為Ⅰ等大(1)型工程。擋水壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，河床覆蓋層段趾板采用連接板和一道防滲墻柔性連接，最大墻深90 m，墻寬1.2 m。防滲墻混凝土采用C30W12，上部10 m采用鋼筋混凝土。

壩區(qū)地層復(fù)雜，各時(shí)代的地層(除寒武系、二迭系、三迭系的地層缺失外)均有出露。壩址選擇在相對(duì)穩(wěn)定的鐵克里克斷塊上，壩區(qū)河床基巖面總體呈寬“U”型，見圖1。

圖1 壩址河床覆蓋層深槽形態(tài)

壩址河床覆蓋層自兩岸向中心逐漸加厚，基底岸坡坡角在16°左右，靠近右岸河床中心為一深切的古河槽，其底部寬約15 m左右。覆蓋層總體劃分為：全新統(tǒng)沖積含漂石砂卵礫石層(Q4)，處于河床上部；中更新統(tǒng)沖積砂卵礫石層(Q2)，處于河床下部，兩個(gè)巖層以似礫巖的砂卵礫石膠結(jié)層為分界面。

2 混凝土防滲墻施工技術(shù)研究

在壩體填筑過程中荷載逐步增加，深厚覆蓋層的變形也將隨填筑高度增加而增加，壩體中最大水平位移與最大沉降也將發(fā)生在壩的基底面附近，對(duì)于面板堆石壩，趾板與防滲墻的結(jié)合部位也將是變形最大的部位，防滲墻的應(yīng)力集中現(xiàn)象較嚴(yán)重。相比砂礫石覆蓋層，防滲墻的剛度要大得多，在填筑荷載作用下，砂礫石覆蓋層將產(chǎn)生較大沉降，受墻側(cè)壁與覆蓋層的摩擦作用，防滲墻底部將產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，墻頂產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，加之在填壩過程中覆蓋層對(duì)防滲墻向上游側(cè)的擠壓和蓄水過程中向下游側(cè)的回壓，防滲墻頂部的應(yīng)力特性更復(fù)雜。合理的槽段劃分和墻段連接技術(shù)，可以有效的改善墻體應(yīng)力分布狀況，降低防滲墻體內(nèi)的拉應(yīng)力。同時(shí)，每個(gè)槽段成墻質(zhì)量是防滲墻整體受力的前提。

2.1 合理劃分槽段

深厚覆蓋層面板堆石壩中的防滲墻受力機(jī)制與受水平荷載的板樁受力相似，防滲墻與覆蓋層相比，其剛度較大且壓縮性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于覆蓋層，在大壩填筑過程中，隨著填筑高度增加，防滲墻與覆蓋層接觸面上的相對(duì)位移逐漸增加，防滲墻受到的側(cè)壁正負(fù)摩阻力中性點(diǎn)位置也將逐漸下移。有關(guān)文獻(xiàn)表明，防滲墻受力特性也與施工工藝、槽段劃分有關(guān)，由于河床基巖深度不一，覆蓋層較淺部位，防滲墻相當(dāng)于端承樁，槽段越寬有利于防滲墻整體受力均勻性；覆蓋層較深部位，防滲墻相當(dāng)于摩擦樁，槽段越窄有利于中性點(diǎn)上移。根據(jù)壩基深厚覆蓋層工程特性和防滲墻受力變形特性，綜合考慮地層復(fù)雜、施工難度、施工設(shè)備等，將防滲墻槽段劃分為超深槽段(≥70 m)和一般槽段(<70 m)兩種形式，以便組織施工。

超深槽段位于樁號(hào)防0+152.0 m—防0+218.0 m段，軸線長度約66.0 m，劃分6個(gè)槽孔。超深槽段一期槽采用4.6 m槽長，按照兩個(gè)主孔和一個(gè)副孔進(jìn)行成槽，主孔為1.2 m，采用CZ-6A的沖擊鉆機(jī)造孔；副孔為2.2 m，采用利勃海爾HS875HD重型機(jī)械抓斗與金泰SG60型液壓抓斗直接抓取成孔。二期槽采用7.8 m槽長，每個(gè)槽孔分為三個(gè)主孔和兩個(gè)副孔，兩邊主孔直接采用下設(shè)接頭管成型，中間主孔采用沖擊鉆造孔；副孔為2.1 m，采用抓斗直接抓取成孔。典型槽段劃分見圖2。

一般槽段位于樁號(hào)0-0.0—0+152.0 m和樁號(hào)0+218.0 m—0+302.4 m段，軸線長度約236.0 m，劃分33個(gè)槽孔，一、二期槽段,均均采用7.2 m槽長，主孔1.2 m，副孔1.8 m。其典型槽段劃分見圖3。

圖2 深度大于70 m槽段防滲墻典型槽段劃分圖

圖3 深度小于70 m防滲墻典型槽段劃分圖

2.2 墻段連接技術(shù)

由于防滲墻最深部位深90 m多，墻體材料為C30高強(qiáng)混凝土，通過對(duì)接頭管法、鉆鑿法、雙反弧樁柱法等幾種接頭方式比較后[5-6]，墻段連接采用接頭管法的槽孔連接方法，不僅質(zhì)量好，節(jié)約混凝土和鉆孔時(shí)間，有利于縮短工期，而且各槽段墻體間泥皮接觸較薄接觸，更有利于墻體應(yīng)力狀況改變。

接頭管法由于拔管技術(shù)限制、施工事故頻發(fā)，曾在防滲墻施工應(yīng)用中停止不前，隨著近年來拔管設(shè)備更新、施工工藝的改進(jìn)，拔管法在深厚覆蓋層防滲墻工程中應(yīng)用也取得了重大突破，拔管深度也屢創(chuàng)新高：四川獅子坪電站拔管深度100.23 m；西藏旁多拔管深度152.5 m。為確保深厚覆蓋層中防滲墻混凝土澆筑質(zhì)量，混凝土澆筑速度及拔管過程必須嚴(yán)格控制，其中關(guān)鍵是準(zhǔn)確控制起拔力和起拔時(shí)間。

接頭管法的起拔力主要考慮混凝土對(duì)接頭管的黏結(jié)力、混凝土與接頭管的摩擦力、接頭管的自重等方面。其中混凝土與接頭管的摩擦力可以通過管壁處理進(jìn)行改善，混凝土對(duì)接頭管的粘結(jié)力可以通過拔管時(shí)間進(jìn)行控制。通過現(xiàn)場(chǎng)研究，改善混凝土與接頭管的摩擦力可以采用如下措施：(1) 嚴(yán)格控制造孔孔斜，確保下設(shè)接頭管的垂直度；(2) 嚴(yán)格控制混凝土澆筑速度和均勻上升，減少混凝土對(duì)接頭管側(cè)向擠壓，造成孔斜，有關(guān)研究表明，孔斜在0.08%時(shí)，拔管力增加接近一倍；孔斜達(dá)到0.5%時(shí)，拔管力將增加至13倍。(3) 嚴(yán)格控制逐節(jié)接頭管之間的連接，對(duì)中垂直；(4) 做好接頭管外表面脫模機(jī)涂抹。

由于混凝土在水泥水化作用下會(huì)產(chǎn)生對(duì)接頭管的黏結(jié)力，而水泥水化作用又隨時(shí)間變化而變化，在施工過程中合理的控制起拔時(shí)間是接頭管法施工重點(diǎn)。工程實(shí)踐證明，如果起拔時(shí)間過早，混凝土初凝強(qiáng)度低，接頭孔自穩(wěn)能力較差，拔管后受上部混凝土壓力作用很容易出現(xiàn)接頭孔縮孔和垮塌；如果起拔時(shí)間過晚，混凝土已終凝或是初凝強(qiáng)度高，造成混凝土與接頭管表面的粘結(jié)力太大、混凝土對(duì)接頭管管壁的摩擦力也增大，大大增加了起拔力，情況嚴(yán)重者造成接頭管被埋死拔不出來。通過現(xiàn)場(chǎng)研究總結(jié)，接頭管拔管時(shí)間控制應(yīng)做好如下措施：(1) 計(jì)算好拔管起拔力，選好拔管設(shè)備，本工程采用選用BG450拔管機(jī)；(2) 做好混凝土配合比試驗(yàn)，確定混凝土初、終凝時(shí)間，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和總結(jié)，拔管時(shí)間應(yīng)選擇1.1倍初凝時(shí)間為宜；(3) 現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，必須通過大量的試驗(yàn)檢測(cè)準(zhǔn)確的測(cè)定出混凝土的初、終凝時(shí)間，采用自動(dòng)化拌合系統(tǒng)減小人為配料誤差，同時(shí)還得有效的控制混凝土入槽澆筑溫度；(4) 隨著槽孔內(nèi)混凝土面的不斷上升，現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)分階段制作混凝土試件，同步測(cè)定和掌握混凝土的初、終凝時(shí)間；(5) 控制混凝土澆筑速度和埋管深度，有關(guān)研究證明，隨著埋管深度增加，拔管力增加非常明顯；(6) 為改善混凝土與接頭管的粘結(jié)力，在混凝土澆筑1 h～2 h后，可以通過小幅度拔動(dòng)接頭管或扭動(dòng)接頭管，破壞已形成的粘結(jié)力。

通過實(shí)踐證明，采用先進(jìn)的BG450全液壓拔管機(jī)具和精確的控制拔管時(shí)間，有效的解決了深厚覆蓋層中防滲墻接頭施工的難題，同時(shí)接頭管法的防滲墻連接技術(shù)也能為后期防滲墻的受力狀況改善創(chuàng)造條件。

2.3 固壁泥漿配比研究及應(yīng)用

保證成槽質(zhì)量是保證防滲墻施工質(zhì)量的關(guān)鍵，在深厚砂礫石地層中成槽，泥漿固壁是成槽質(zhì)量的重要保障。根據(jù)阿爾塔什工程深厚覆蓋層巖體特性分析和防滲墻成槽技術(shù)要求，經(jīng)試驗(yàn)室調(diào)試驗(yàn)證，最終采用MMH正電膠、優(yōu)質(zhì)Ⅱ級(jí)鈣基膨潤土、燒堿、純堿、羧甲基纖維素鈉(CMC)等配制的正電膠復(fù)合泥漿進(jìn)行泥漿固壁。正電膠復(fù)合泥漿相比以往固壁泥漿具有獨(dú)特的流變性，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中具有攜帶巖屑率大、防漏失效果明顯等特征。同時(shí)，泥漿中的高密度正電荷有利于抑制黏土的水化膨脹分散、在井壁處有一滯流帶，呈凝膠狀態(tài)，可以隔絕流體對(duì)井壁的沖蝕、穩(wěn)定井壁；特殊的泥漿結(jié)構(gòu)減小了流動(dòng)阻力，有利于泥漿流動(dòng)、減少壓力激動(dòng)[7-8]。

通過現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)確定具體的配合比見表1。新制泥漿性能指標(biāo)要求見表2。

表1 正電膠復(fù)合泥漿KWXS-1配合比表 單位：kg/m3

表2 新制泥漿性能指標(biāo)

正電膠復(fù)合泥漿的性能很大程度上取決于攪拌程序和攪拌時(shí)間，制備時(shí)需嚴(yán)格控制。一般可以采用全組分?jǐn)嚢韬头纸M分?jǐn)嚢鑳煞N方式，為保證攪拌均勻，攪拌時(shí)間多控制在5 min左右。在現(xiàn)場(chǎng)配置過程中應(yīng)該嚴(yán)格按照配合比進(jìn)行泥漿配制，嚴(yán)格控制各組分材料的加量誤差。為提高泥漿處理劑的使用效果，可以事先配成一定濃度的水溶液。

為避免泥漿沉淀或離析，應(yīng)對(duì)儲(chǔ)漿池中的泥漿經(jīng)常攪動(dòng)，確保各指標(biāo)均一，新制泥漿應(yīng)放置24 h，確保各組分充分混合、水化溶脹。泥漿在鉆孔過程中循環(huán)使用，其性能指標(biāo)將逐漸減小，應(yīng)注意在循環(huán)漿溝中定時(shí)取樣檢測(cè)有關(guān)指標(biāo)，如超出限值應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理。為節(jié)約投資，經(jīng)常會(huì)凈化處理后重復(fù)利用，如發(fā)現(xiàn)膨潤土的密度、黏性和含砂率無法滿足要求，則要更換合格的膨潤土。

通過現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用表明，正電膠復(fù)合泥漿有效解決了深厚砂礫石覆蓋層中的成槽固壁問題，確保防滲墻成墻質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度。

2.4 強(qiáng)漏失地層成槽技術(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料分析，壩基范圍內(nèi)Ⅱ巖組夾有多層缺細(xì)粒充填卵礫石層具極強(qiáng)滲透性，是主要的滲漏通道，在成槽過程中將會(huì)造成泥漿大量漏失，如處理不好，很容易引起槽孔坍塌，情況嚴(yán)重的還會(huì)危及人員、設(shè)備安全，延誤工期，為此防滲墻施工前應(yīng)準(zhǔn)備以下強(qiáng)漏失地層處理技術(shù)：

(1) 做好投置堵漏材料準(zhǔn)備。開始槽孔施工前應(yīng)做好黏土、碎石土、鋸末、水泥等堵漏材料的準(zhǔn)備，并做好對(duì)堵漏施工作業(yè)人員的技術(shù)培訓(xùn)及交底。現(xiàn)場(chǎng)一旦發(fā)現(xiàn)漏漿較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)向技術(shù)人員提出，迅速組織人力、設(shè)備進(jìn)行堵漏處理，避免塌槽事故的發(fā)生。

(2) 采用單向壓力封閉劑。單向壓力封閉劑對(duì)孔隙及微裂漏失堵漏速度快、效果好；能迅速形成具有一定強(qiáng)度的非滲透性帶阻止工作液侵入孔壁巖層，使巖層免遭損害；能顯著降低泥漿的濾失量，又不影響泥漿的流變性能，耐溫性能優(yōu)良；不受電解質(zhì)污染影響，無毒、無害。

(3) 預(yù)灌濃漿。槽孔造孔前，根據(jù)強(qiáng)漏失地層分部情況布設(shè)灌漿孔，灌注水泥黏土漿或水泥黏土砂漿，以封閉強(qiáng)漏失地層的滲漏通道，為防滲墻造孔創(chuàng)造有利條件。預(yù)灌濃漿與鉆孔預(yù)報(bào)結(jié)合進(jìn)行。

(4) 泥漿平衡法。即使用泥漿鉆孔，并且在泥漿中添加重晶石粉，重晶石粉能夠增強(qiáng)泥漿比重，并且具有較強(qiáng)的封閉孔壁功能，而且不易發(fā)生沉淀。

在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，通過多種方法的選用，有效的解決了強(qiáng)漏失地層中成槽困難的問題，為防滲墻的施工進(jìn)度提供保證。

3 防滲墻工程質(zhì)量檢測(cè)

為檢查阿爾塔什水利樞紐工程混凝土防滲墻澆筑質(zhì)量，按照《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》[3](SL174-2014)有關(guān)要求，沿軸線布設(shè)3個(gè)檢查孔，采用注水試驗(yàn)、孔內(nèi)取芯、墻體混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)等進(jìn)行檢測(cè)。

(1) 孔內(nèi)注水檢測(cè)。對(duì)3個(gè)檢查孔進(jìn)行注水試驗(yàn)。孔內(nèi)注滿水經(jīng)24 h觀測(cè)，觀察其下降速度，檢查孔水面下降2 cm～5 cm，符合要求。

(2) 孔內(nèi)取芯檢測(cè)。3個(gè)檢查孔巖芯采取率93.3%～93.8%，巖芯呈均長柱狀，取出的芯樣比較完整，混凝土密實(shí)、無混漿、夾漿現(xiàn)象，巖芯局部存在小氣孔，直徑約1 mm～3 mm。

(3) 墻體混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)。防滲墻混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30W12抗?jié)B混凝土，通過對(duì)芯樣隨機(jī)抽檢混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性能試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果混凝土抗壓強(qiáng)度34.7 MPa～37.9 MPa，抗?jié)B等級(jí)均低于W12。

試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)說明，防滲墻的施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

(1) 采用接頭管法，墻體連接部位呈圓弧型，有利于墻體與墻體之間鉸接質(zhì)量，在墻體擠壓變形過程中，尤如門軸可以相對(duì)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，再加上澆筑過程中形成較薄的泥皮，更有利于改善墻體應(yīng)力狀況。但施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制各槽段成槽質(zhì)量，特別是孔斜的控制。

(2) 合理的槽段劃分，有利于混凝土防滲墻的受力變形，也有利于防滲墻成墻質(zhì)量，在施工過程中采用先進(jìn)的施工機(jī)具，能有效提高施工質(zhì)量和進(jìn)度。

(3) 通過正電膠復(fù)合泥漿的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)配比研究和應(yīng)用，有效解決了深厚砂礫石覆蓋層中成槽固壁問題，有關(guān)參數(shù)應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)確定。

(4) 強(qiáng)漏失地層中的防滲墻成槽重點(diǎn)是堵漏、固壁，防止槽孔坍塌，施工前應(yīng)做好各種處理方案的準(zhǔn)備工作，出現(xiàn)異常后應(yīng)多方案聯(lián)合處理，以便達(dá)到最佳效果。

(5) 防滲墻墻體質(zhì)量檢測(cè)方法不能局限于規(guī)范要求，新技術(shù)、新方法的使用更有利于工程質(zhì)量的檢查和對(duì)墻體性能評(píng)價(jià)，建議借鑒樁基檢測(cè)中使用的超聲波檢測(cè)、孔內(nèi)攝像等檢查方法。

隨著我國水利工程建設(shè)發(fā)展，在深厚覆蓋層上修建防滲墻技術(shù)已逐漸成熟，有關(guān)防滲墻受力特性研究還需進(jìn)一步分析和論證有關(guān)施工技術(shù)措施的合理性。

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Research on Construction Technology of Concrete Cutoff Wall in Deep Sand and Gravel Coverage of Aertashi Hydro Project

REN Haijun， GAO Yuantai

(YangtzeRiverScientificResearchInstituteSupervisionCompany,Wuhan,Hubei430010,China)

Aertashi hydraulic project is a concrete faced rockfill dam with deep sand and gravel layer, which will affect the stress and strain of the impervious wall during the first construction and operation process. Inappropriate treatment will affect the whole dam anti-seepage effect and safety engineering. Therefore how to ensure the construction quality of the premise and optimize the construction scheme to improve the stress condition of the wall is the key issue of construction technology research. In this paper the characteristics and stress of concrete cutoff wall was analyzd, many technologies were adopted such as wall segment connection technology, slot technology in strong leakage layer and slurry ratio, effectively improve the wall stress condition, ensure the quality of wall.

Aertashi hydraulic project; deep overburden layer; concrete cutoff wall; construction technique

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.021

2017-01-18

2017-02-14

任海軍(1980—)，男，甘肅白銀人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程科研及監(jiān)理工作。E-mail:renavy@163.com

TV543+.8

A

1672—1144(2017)02—0111—05