深厚砂礫石覆蓋層混凝土防滲墻墻段連接技術研究

任海軍

(長江科學院監理公司，湖北武漢430010)

深厚砂礫石覆蓋層混凝土防滲墻墻段連接技術研究

任海軍

(長江科學院監理公司，湖北武漢430010)

阿爾塔什水利樞紐工程建在深厚的砂礫石覆蓋層上，如何在保證施工質量的前提下，優化施工方案，改善防滲墻應力狀況，是施工技術研究重點。通過對防滲墻的受力特性、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、墻段連接技術等關鍵技術上，進行優化施工方案，有效消減了防滲墻在壩體填筑和蓄水過程中的應力應變集中，保證防滲墻的成墻質量和運行效果。實踐證明，防滲墻施工有關技術應用滿足設計要求，也能改善防滲墻受力狀況，為同類工程施工提供參考。

深厚覆蓋層；面板堆石壩；混凝土防滲墻；墻段連接技術；阿爾塔什水利樞紐工程

0 引 言

隨著新設備、新技術的應用，在深厚覆蓋層上修筑大壩日趨增多，大壩防滲體系中的混凝土防滲墻深度也屢創新高。國內外近年來不斷報道一些“高壩深墻”的水利工程建設，其中壩高在100 m以上，防滲墻深度超過70 m的水利工程有7座[1- 4]。國內外覆蓋層厚度最大的是中國四川冶勒水電站，其覆蓋層厚度為420～500 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是中國四川瀑布溝水電站，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外相關工程。深厚的砂礫石覆蓋層和龐大的壩體，在施工和運行過程中均會對防滲墻的應力應變產生較大的影響，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，在保證成墻質量的前提下，消除或改善混凝土防滲墻在后期變形中因應力集中而遭到破壞，是工程建設中應解決的問題。結合阿爾塔什水利樞紐工程深厚覆蓋層工程特性，在施工前期對防滲墻后期變形特性分析和研究，對接頭管法、鉆鑿法、雙反弧法、單反弧法、銑削法等幾種接頭方式比較后，最終選用接頭管法的槽孔連接方法。施工結果表明，采用接頭管法不僅質量好，節約混凝土和鉆孔時間，有利于縮短工期，而且墻體間的弧形連接，更有利于墻體應力狀況改變。

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，是葉爾羌河流域內最大的控制性山區水庫工程，為一等大(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。

壩區地層復雜，除寒武系、二迭系、三迭系的地層缺失外，其余各時代的地層均有出露。壩址選擇在相對穩定的鐵克里克斷塊上，壩區河床基巖面總體呈寬“U”形，見圖1。

圖1 壩址河床覆蓋層深槽形態(單位：m)

壩址河床覆蓋層自左岸向右岸逐漸加厚，基底坡角在16°左右，靠近右岸為一深切的古河槽，其底部寬約15 m。覆蓋層總體劃分為：上層為全新統沖積含漂石砂卵礫石層(Q4)，下層為中更新統沖積砂卵礫石層(Q2)，其分界面以河床普遍分布的一層似礫巖的砂卵礫石膠結層為標準。

2 混凝土防滲墻墻段連接技術研究

在壩體填筑荷載作用下，深厚覆蓋層將產生較大變形，壩體最大沉降與最大水平位移均發生在壩的基底面附近，對于面板堆石壩，趾板與防滲墻的結合部位也將是變形最大的部位，防滲墻的應力集中現象較嚴重。防滲墻相比覆蓋層屬于剛性建筑物，其剛度比覆蓋層大得多，在壩體填筑荷載作用下，覆蓋層產生較大沉降，覆蓋層與墻側壁的摩擦作用使防滲墻底部產生較大的壓應力，墻頂產生較大的拉應力，再加在填壩過程中覆蓋層對防滲墻向上游側的擠壓和蓄水過程中向下游側的回壓，防滲墻頂部的應力特性更復雜。墻段連接技術和合理的槽段劃分能顯著降低墻體拉應力，各槽段墻體之間連接技術也有利于改善墻體應力狀況。

2.1 墻段連接技術比選

目前，我國水利工程建設中防滲墻接頭主要采用鉆鑿法、接頭管法、雙反弧法、單反弧法以及銑削法等，不同方法均存在優缺點和使用的局限性。

鉆鑿法是施工二期槽段時在一期墻段兩端套打一鉆的連接方法，在以往國內水利水電工程的防滲墻中采用較多，如三峽工程二期圍堰、瀑布溝等工程，均取得良好的效果。其優點是結構簡單、施工方便、對各種地層和孔深的適應性較強，缺點是接頭處需要重復鉆鑿、工效低、浪費墻體材料，鉆鑿過程中對接頭處混凝土有損傷，如墻體混凝土強度較大時孔型、孔斜也不易控制。

雙反弧法是在相鄰的2個一期墻段間留下一個接頭孔的位置，先鉆鑿出導向孔，然后采用雙反弧鉆頭進行擴孔至一期墻段端面、形成槽孔兩端反弧的連接方法，在新疆下坂地等工程中取得良好的應用效果。其優點是較鉆鑿法不需要重復鉆鑿接頭孔、效率高、成本低，缺點是墻體接縫數量較多、對兩端一期墻孔斜、成孔質量控制要求高，否則雙反弧連接不理想，質量得不到保證。

圖2 超深槽段防滲墻典型槽段劃分示意(單位：m)

單反弧法是在雙反弧法的基礎上演化而來的，其連接原理相同，主要區別是槽段劃分上，雙反弧槽長一般是墻厚的1.1～1.5倍，只有一個單孔，而單反弧槽長可以按二期槽槽長要求來劃分，可以有多個主孔和副孔，在相鄰一期墻澆筑后，在槽段兩端先鉆鑿出導向孔，再用雙反弧鉆頭進行擴孔至一期墻段端面，最后再進行中部槽段鉆鑿，直至整體槽段成槽。在四川冶勒工程中取得良好的應用效果。其優點是克服雙反弧接頭槽太短、接頭縫較多、施工周期長的弊病，缺點與雙反弧缺點一樣，仍存在重復造孔，工作效率仍較低。

銑削法是在2個一期墻之間留出比銑槽機銑頭略小的位置，采用液壓銑槽機同時將端部一期墻銑出鋸齒形的溝槽而形成兩期槽段之間的連接方法，在三峽工程二期圍堰、黃河小浪底等工程中的應用取得良好的效果。其優點施工方便、接頭質量可靠，缺點是適用于均質地層，不適用于漂卵石地層或疏松層內夾有大塊石的地層。

接頭管法是在一期墻澆筑時將剛性接頭管放入

孔內固定，待槽孔內澆筑的混凝土具有一定強度后，用專用起拔設備緩慢起拔，在接頭孔內形成穩定的空孔，便于二期槽孔連接的連接方法。在西藏直孔、旁多、四川獅子坪、瀑布溝等工程中應用取得良好的效果。其優點是避免重復鉆鑿接頭孔、接頭基礎面緊密、孔斜和搭接厚度控制有保證，缺點是拔管機具設備要求高，拔管時機選擇要求高。由于拔管技術限制、施工事故頻發，曾在防滲墻施工應用中停止不前，隨著近年來拔管設備及工藝的不斷改進，在深厚覆蓋層大型防滲墻工程中應用有了重大突破，拔管深度也屢創新高：四川獅子坪水電站拔管深度100.23 m；西藏旁多水電站拔管深度152.5 m。目前，在現有的墻段連接技術中，接頭管法是混凝土防滲墻接頭處理的先進技術。

由于阿爾塔什水利樞紐工程大壩防滲墻最深部位深達90多米，墻體材料為C30高強低模混凝土，通過對現有幾種墻段連接技術比選，最終選用接頭管法，既可以保證施工質量，又可以節約混凝土和鉆孔時間，有利于縮短工期。另外，通過對接頭管法形成的墻段接頭形式和受力分析，采用接頭管法形成的弧形鉸接接頭，接頭處受力均勻，墻體間泥皮接觸較薄，更有利于墻體應力狀況改變。

2.2 合理劃分槽段

根據壩基深厚覆蓋層工程特性和防滲墻受力變形特性，綜合考慮地層復雜(存在大漂石、強漏失地層)、施工難度大(墻體深達90 m)、設備能力和施工工藝要求等，將防滲墻槽段劃分為超深槽段(≥70 m)和一般槽段(<70 m)。

超深槽段位于樁號防0+152.000～防0+218.000段，軸線長約66 m，劃分6個槽孔。超深槽段一期槽槽長4.6 m，分為2個主孔和1個副孔，主孔為1.2 m，副孔為2.2 m；二期槽槽長7.8 m，每個槽孔分為3個主孔和2個副孔，主孔為1.2 m，副孔為2.1 m；超深槽段防滲墻典型槽段劃分見圖2。

對于深度小于70 m的一般槽段，一、二期槽段長度均為7.2 m，主孔1.2 m，副孔1.8 m。其防滲墻典型槽段劃分見圖3。

圖3 一般槽段防滲墻典型槽段劃分示意(單位：m)

2.3 接頭管法連接技術

根據施工工藝和地層特性分析，選定混凝土防滲墻的主要施工機具為：利勃海爾HS875HD重型機械抓斗、CZ- 6A沖擊鉆機、ZX-200泥漿凈化裝置、BG450全液壓拔管機等。防滲墻成槽采用“兩鉆一抓”法。主孔采用CZ- 6A型沖擊鉆機鉆鑿成孔；副孔采用利勃海爾HS875HD重型機械抓斗抓取，底部基巖采用CZ- 6A型沖擊鉆機鉆鑿。一期槽孔的端孔混凝土拔管后形成二期槽孔的端孔，待相臨的一期槽孔施工完后再回頭施工二期槽孔。

通過施工過程中不斷研究和總結，在深厚覆蓋層中采用接頭管法施工防滲墻，必須嚴格控制混凝土澆筑及拔管過程，其關鍵是準確控制起拔時間和起拔力。

接頭管法的起拔力來自接頭管的自重、混凝土與接頭管的摩擦力、混凝土對接頭管的粘結力等方面。其中混凝土與接頭管的摩擦力可以通過管壁處理進行改善，混凝土對接頭管的粘結力可以通過拔管時間進行控制。通過現場研究，改善混凝土與接頭管的摩擦力可以采用如下措施：①嚴格控制造孔孔斜，確保下設接頭管的垂直度。②嚴格控制混凝土澆筑速度和均勻上升，減少混凝土對接頭管側向擠壓，造成孔斜，有關研究表明，孔斜在0.08%時，拔管力增加接近一倍；孔斜達到0.5%時，拔管力將增加至13倍。③嚴格控制逐節接頭管之間的連接，對中垂直。④做好接頭管外表面脫模機涂抹。

接頭管法施工關鍵是控制混凝土對接頭管的粘結力，由于粘結力是水泥水化作用而產生的，是隨時間變化而變化的，重點是控制起拔時間。起拔時間過早，混凝土尚未達到一定的強度，就會出現接頭孔縮孔和垮塌；起拔時間過晚，接頭管表面與混凝土的粘結力是摩擦力增大，增加了起拔難度，甚至接頭管被鑄死拔不出來，造成重大事故。通過現場研究總結，接頭管拔管時間控制應做好如下措施：①首先計算好拔管起拔力，選好拔管設備，本工程采用選用BG450拔管機；②做好混凝土配合比試驗，確定混凝土初、終凝時間，通過現場試驗和總結，拔管時間應選擇1.1倍初凝時間為宜；③現場施工過程中，必須準確的檢測并確定出混凝土的初終凝時間，盡量減小人為配料誤差，控制混凝土入倉溫度；④澆筑混凝土時，隨著混凝土面的不斷上升，分階段作混凝土試件，從而更精確的掌握混凝土的初、終凝時間；⑤控制混凝土澆筑速度和埋管深度，有關研究證明，隨著埋管深度增加，拔管力增加非常明顯；⑥混凝土澆筑1～2 h后，可以進行小幅度拔動，通過拔動接頭管約10 cm或扭動接頭管，破壞接頭管與混凝土的粘結力。

通過實踐證明，采用先進的拔管機具和科學的拔管工藝，接頭管法完全可以解決深厚覆蓋層防滲墻接頭施工的難題，且能為后期防滲墻的受力狀況改善創造條件。

3 防滲墻工程質量檢測

為檢查阿爾塔什水利樞紐工程混凝土防滲墻澆筑質量，按照SL174—2014《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術規范》有關要求，沿軸線布設3個檢查孔，采用注水試驗、孔內取芯、墻體混凝土強度試驗等進行檢測。

(1)孔內注水檢測。對3個檢查孔進行注水試驗。孔內注滿水經24 h觀測，觀察其下降速度，檢查孔水面下降2～5 cm，符合要求。

(2)孔內取芯檢測。3個檢查孔巖芯采取率為93.3%～93.8%，巖芯呈均長柱狀，取出的芯樣結構密實、均勻完整，無混漿、夾漿現象，巖芯局部有小氣孔，直徑1～3 mm。

(3)墻體混凝土強度試驗。防滲墻混凝土設計強度等級為C30W12抗滲混凝土，通過對芯樣隨機抽檢混凝土強度和抗滲性能試驗，檢測結果混凝土抗壓強度34.7～37.9 MPa，抗滲等級均低于W12。

(4)頂部墻體外觀質量。在趾板混凝土基礎開挖過程中，對防滲墻上部進行開挖，揭露防滲墻頂部墻體混凝土外觀質量良好，墻段連接部位密實，呈明顯的半圓弧形，有較薄的泥皮。

試驗檢測數據說明，防滲墻的施工質量滿足設計和規范要求。

4 結 語

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

(2)合理劃分槽段有利于混凝土防滲墻的受力變形，也有利于防滲墻成墻質量，在施工過程中采用先進的施工機具，能有效提高施工質量和進度。

隨著我國水利工程建設發展，在深厚覆蓋層上修建防滲墻技術已逐漸成熟，有關防滲墻受力特性研究還需進一步深入，筆者也將結合阿爾塔什水利樞紐工程防滲墻后期的監測數據，進一步分析和論證有關施工技術措施的合理性。

[1]李萬奎. 阿爾塔什河床深厚覆蓋層的研究[J]. 水利與建筑工程學報, 2010(8)： 181- 186．

[2]任海軍, 王桂珍, 張可能, 等. 靜壓套管控制灌漿在滲漏圍堰處理中的應用[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2008(8)： 47- 50．

[3]SL 174—2014 水利水電工程混凝土防滲墻施工技術規范[S]．

[4]胡慶國, 任海軍, 張可能. 柔性基礎下復合地基樁體側摩阻力分布[J]. 中外公路, 2005, 25(5)： 17- 20．

[5]趙存厚, 崔溦, 馬斌. 超深防滲墻連接槽段接頭管拔管技術數值模擬研究[J]. 水利水電技術, 2011(10)： 87- 90．

[6]樊曙光, 鄭旭榮. 下坂地水利樞紐工程壩基防滲工程設計與施工[J]. 水利水電技術, 2012(10)： 8- 11．

(責任編輯 王 琪)

Research on Wall Segment Connection Technology of Concrete Cutoff Wall in Deep Sand and Gravel Overburden

REN Haijun
(Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, Hubei, China)

Aertashi Hydro Project is built on deep sand and gravel overburden. How optimize the construction scheme and improve the stress condition of cutoff wall under the premise of ensuring construction quality is the key of construction technology research. By analyzing the stress characteristics of cutoff wall and the engineering characteristics of deep overburden, key construction technologies, such as wall segment partition and wall segment connection technology, are optimized, that effectively improve the stress and strain condition of cutoff wall in dam filling and reservoir storage process and ensure the construction quality and operation of cutoff wall. Actual practice has proved that relevant construction technologies meet design requirements and can improve the stress condition of cutoff wall．

deep overburden; CFRD; concrete cutoff wall; wall segment connection technology; Aertashi Hydro Project

2017- 01-19

任海軍(1980—)，男，甘肅白銀人，高級工程師，碩士，主要從事巖土工程科研及監理工作．

TV640.31

A

0559- 9342(2017)08- 0076- 04