水利水電工程中塑性混凝土防滲墻施工工藝及應(yīng)用

高 峰

(中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700)

塑性混凝土防滲墻廣泛應(yīng)用于我國(guó)的水利水電工程，如大壩加固、水庫(kù)除險(xiǎn)、圍堰施工等。與普通混凝土防滲墻相比，塑性混凝土防滲墻彈性模量和強(qiáng)度較低，抗變形能力較強(qiáng)，減少了周邊沉降對(duì)墻體的破壞，且具有較強(qiáng)的防滲能力，還能減少水泥用量，降低工程造價(jià)，施工過(guò)程更為簡(jiǎn)易。

1 材料組成及性能

1.1 材料組成

膠凝材料的選擇是塑性混凝土與普通混凝土的主要區(qū)別[1]。在塑性混凝土生產(chǎn)中加入膨潤(rùn)土、黏土、粉煤灰和外加劑，可改善性能。塑性混凝土的水泥主要采用復(fù)合硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥等。細(xì)骨料選用石英含量較高的光滑圓河砂或細(xì)度模數(shù)為2.4～2.8的人工砂。粗骨料最大粒徑不大于40mm，一級(jí)骨料最大粒徑為20～31.5mm。可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)選擇粉煤灰，一般采用二級(jí)以上粉煤灰。如果水泥或混凝土的強(qiáng)度比大，也可以使用重粉煤灰。一般選用2級(jí)以上的膨潤(rùn)土，黏土的黏粒含量大于50%。

1.2 性能

(1) 工作性能。為了提高塑性混凝土的可塑性，在其生產(chǎn)過(guò)程中適當(dāng)減少水泥用量，加入黏土、膨潤(rùn)土等膠凝材料，提高其和易性和流動(dòng)性。塑性混凝土可在泵送過(guò)程中自找平、自密實(shí)，以保證硬化塑性混凝土的質(zhì)量和性能符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，避免混凝土出現(xiàn)分層、離析、蜂窩、麻面和不密實(shí)現(xiàn)象，從而影響水利水電工程的建設(shè)和質(zhì)量。

(2) 彈性模量。塑性混凝土防滲墻在實(shí)際工程中受到各種力的作用，彈性模量代表混凝土受力時(shí)的變形能力。在塑性混凝土中摻入黏土和膨潤(rùn)土?xí)蟠蠼档推鋸椥阅Ａ浚诟鞣N力的作用下具有很強(qiáng)的變形能力，避免了防滲墻內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大而引起的墻體過(guò)度變形，影響工程質(zhì)量。因此，塑性混凝土比普通混凝土更被廣泛地應(yīng)用于水利水電工程防滲墻的施工中。

(3) 抗壓強(qiáng)度。通常，塑性混凝土抗壓強(qiáng)度為1～4MPa。在水利水電工程防滲墻施工中，摻加粉煤灰或外加劑可提升抗壓強(qiáng)度[2]。水泥、膨潤(rùn)土、黏土、水膠比等材料的質(zhì)量和配比可影響塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)設(shè)計(jì)和規(guī)范要求選擇骨料級(jí)配和粒徑，控制含泥量和水灰比，確保建筑材料質(zhì)量符合規(guī)范要求。

(4) 抗?jié)B性。在塑性混凝土中加入黏土和膨潤(rùn)土，以減少水泥用量，同時(shí)保持良好的凝聚力，使塑性混凝土墻具有較強(qiáng)的抗?jié)B性[3- 4]。與剛性混凝土相比，塑性混凝土滲透系數(shù)更高，通常為10-7～10-9cm/s，符合多種規(guī)模水利水電工程的要求，且混凝土中的水泥和膨潤(rùn)土隨著時(shí)間的推移不斷發(fā)生水化反應(yīng)，促進(jìn)了混凝土密度和強(qiáng)度的不斷增加，是水利水電工程中塑性混凝土防滲墻密實(shí)度和抗?jié)B性的重要保障。

2 施工工藝

圖1為水利水電工程塑性混凝土防滲墻施工流程圖。其主要施工程序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備、導(dǎo)墻施工、泥漿配置、造孔成槽、泥漿護(hù)壁、清孔清槽、混凝土澆筑。

圖1 塑性混凝土防滲墻施工流程圖

2.1 施工平臺(tái)

在水利水電工程防滲墻施工中，要保證施工平臺(tái)平整穩(wěn)定，施工所用的機(jī)械設(shè)備能平穩(wěn)地放置在平臺(tái)上。保持現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸?shù)缆窌惩ǎ瑢挾仍O(shè)計(jì)符合車輛運(yùn)行等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。施工平臺(tái)高度滿足規(guī)范，超過(guò)地下水位1.5m，施工廢水、渣土順利排放，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況適當(dāng)減少施工平臺(tái)的挖填量。

2.2 導(dǎo)墻施工

在深溝開(kāi)挖前，應(yīng)修建導(dǎo)墻。導(dǎo)墻的結(jié)構(gòu)和尺寸是根據(jù)水利水電工程防滲墻確定的。一般采用矩形、直角梯形等，并參照防滲墻軸線開(kāi)挖導(dǎo)槽。導(dǎo)墻的厚度和深度應(yīng)符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。導(dǎo)墻的材料和施工機(jī)械應(yīng)根據(jù)施工荷載確定。工程中常用的混凝土導(dǎo)墻，其高度為0.5～2m，底部與原土層緊密相連，頂部比場(chǎng)地高0.1m，避免地表水的滲入。為避免導(dǎo)墻位移，導(dǎo)墻外側(cè)可夯實(shí)處理，導(dǎo)墻內(nèi)側(cè)用黏性土夯實(shí)，防止泥漿滲入導(dǎo)墻，并設(shè)置木支撐。為保證防滲墻的垂直度符合要求，導(dǎo)墻中心線和垂線分別與防滲墻平行、垂直，偏差范圍在10mm以內(nèi)[5]。

2.3 造孔成槽

造孔成槽是水利水電工程中塑性混凝土防滲墻施工質(zhì)量和工期的重要工序。槽孔施工需分段進(jìn)行。在保證造孔、墻體施工安全和質(zhì)量的前提下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、水文條件、單槽孔制作時(shí)間、墻體結(jié)構(gòu)、施工機(jī)械及混凝土供應(yīng)、攪拌及運(yùn)輸能力等綜合因素，將槽孔進(jìn)行分段建造。槽長(zhǎng)一般為6～8m，在分段過(guò)程中，需減少墻段的接縫，盡量增加槽的長(zhǎng)度，以加快施工速度，保證施工安全。溝槽段的施工方法有抓取法、鉆孔抓斗法等，其中抓取法因其工作效率高而成為常用的成槽方法。制孔過(guò)程中常用的施工機(jī)械為沖擊鉆，型號(hào)分為CZ- 20、CZ- 22等，在槽孔施工時(shí)，中心線一般與防滲墻軸線重合，槽壁保持平直，避免偏斜。開(kāi)孔成槽時(shí)，避免廢渣、雜物落入槽孔內(nèi)影響泥漿性能。槽內(nèi)泥漿面低于槽頂0.3～0.5m，避免發(fā)生泥漿的離析、沉淀等現(xiàn)象。

2.4 泥漿護(hù)壁

泥漿護(hù)壁能保護(hù)孔壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免施工過(guò)程中槽孔坍塌，保證導(dǎo)槽施工質(zhì)量和安全。在普通泥漿護(hù)壁的制作過(guò)程中，經(jīng)常加入膨潤(rùn)土、黏性土等材料，以提高其性能，保證泥漿的密度、流動(dòng)性和穩(wěn)定性[6]。在現(xiàn)場(chǎng)施工前，必須檢查泥漿的質(zhì)量和性能。制漿工藝符合規(guī)范要求，按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定配合比，根據(jù)試驗(yàn)確定制漿時(shí)間和方法。攪拌過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)測(cè)量并記錄漿液比例。根據(jù)施工需要，就近設(shè)置造漿場(chǎng)，一般位于渠道內(nèi)，滿足2～3個(gè)槽孔的施工要求。泥漿池容積為100m3/座，設(shè)制泥漿池、沉淀池、存儲(chǔ)池。泥漿池采用自動(dòng)制漿系統(tǒng)，用1.0m3高速攪拌機(jī)攪拌10min以上，在沉淀池中沉淀24h后，用泥漿泵送至施工現(xiàn)場(chǎng)。

2.5 清孔清槽

成孔成槽完成后，必須對(duì)槽孔進(jìn)行清理，防止成孔、成槽產(chǎn)生的泥沙影響塑性混凝土防滲墻的承載力和抗?jié)B性[7]。在孔槽施工完成后，施工單位應(yīng)先自檢，監(jiān)理進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后進(jìn)入清槽工作。用定位法固定抓斗的位置，用抓斗抓取槽底沉渣和沉淀物，用擦洗錘將溝槽接縫處，直至泥漿清理干凈。采用泵洗法將沉淀物吸入泵管內(nèi)，然后排出噴嘴，將優(yōu)質(zhì)泥漿泵送入槽內(nèi)。施工過(guò)程應(yīng)規(guī)范合理，避免坍塌，循環(huán)作業(yè)直至清槽工作完成。清孔1h后檢查孔內(nèi)泥漿和沉渣，保證泥漿比重<1.15g/cm3，含砂量≤6%，沉渣厚度<0.1m。

2.6 混凝土澆筑

混凝土澆筑對(duì)水利水電工程塑性混凝土防滲墻的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用[8- 10]。澆注必須連續(xù)進(jìn)行，澆注速度必須保持穩(wěn)定。如果出現(xiàn)停電或其他意外情況導(dǎo)致澆筑中斷，現(xiàn)場(chǎng)人員必須及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。攪拌車運(yùn)送混凝土至施工現(xiàn)場(chǎng)，泵送澆筑，澆注管與槽軸線一致。當(dāng)使用雙管時(shí)，應(yīng)控制管道之間的距離。管底安裝位置距孔底15～25cm。如果超出此范圍，則需要將管道中心放置在最低點(diǎn)。混凝土澆筑可按以下順序進(jìn)行：將導(dǎo)注塞下放至管底→排出管內(nèi)泥漿→提升導(dǎo)管→取出導(dǎo)注塞，管底不出混凝土面(1m≤管埋混凝土深度≤6m)→連續(xù)澆筑混凝土。澆筑混凝土?xí)r從最深的導(dǎo)管開(kāi)始澆筑，再澆較淺的導(dǎo)管。在澆筑過(guò)程中，兩個(gè)導(dǎo)管輪流使用，以保證澆筑速度的穩(wěn)定，使混凝土表面平穩(wěn)上升。混凝土表面的澆筑高度應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)高度0.5m，在混凝土澆筑過(guò)程中，應(yīng)定期測(cè)量槽內(nèi)和管道內(nèi)混凝土表面的高度和速度，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。在澆注開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，可以增加測(cè)量次數(shù)，避免澆注過(guò)程中出現(xiàn)堵塞、埋管和漏漿現(xiàn)象的發(fā)生。槽孔澆筑完成后，應(yīng)按設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，按規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，確保防滲墻的承載力和結(jié)構(gòu)性能符合要求。

槽縫的嚴(yán)密性對(duì)防滲墻的整體性和抗?jié)B性有很大影響，必須采用先進(jìn)技術(shù)對(duì)防滲墻施工縫進(jìn)行正確處理。接頭管法是一種常用的接頭處理方法，接頭孔型標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量好、孔壁光滑等優(yōu)點(diǎn)保證了接縫的嚴(yán)密性。根據(jù)混凝土的上升速度和初凝時(shí)間拔出接頭管，當(dāng)出現(xiàn)偏位時(shí)及時(shí)糾正，接頭孔拔出后進(jìn)行檢測(cè)并保護(hù)。槽段接縫連接后，將接頭處的凝膠或碎屑清理干凈，較硬的附件可用鏟刀清除。

3 應(yīng)用

3.1 圍堰工程

在水利水電工程施工中，可采用施工導(dǎo)流和圍堰施工技術(shù)，人工引導(dǎo)水流至臨時(shí)排水設(shè)施再排放到下游河道，為工程施工創(chuàng)造干燥的施工環(huán)境。混凝土圍堰施工技術(shù)復(fù)雜煩瑣，工期長(zhǎng)，工程成本高，后期拆除困難，故不常作為臨時(shí)圍堰使用。目前，國(guó)內(nèi)常用的臨時(shí)養(yǎng)護(hù)結(jié)構(gòu)主要是土石圍堰，但其滲透性較大，基礎(chǔ)滲漏程度難以控制。因此，經(jīng)常采用塑性混凝土材料來(lái)修建防滲墻，以保證圍堰基礎(chǔ)的防滲性能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。近年來(lái)，塑性混凝土防滲墻在水利水電工程圍堰施工中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了巨大成功，如湖北三峽二期圍堰、福建水口水電站上下游圍堰、云南里底水電站圍堰、向家壩水電站圍堰等。

3.2 壩基

普通混凝土防滲墻能承受較小的變形。當(dāng)發(fā)生超載時(shí)，墻體變形，不能與地基協(xié)調(diào)，應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致防滲墻結(jié)構(gòu)破壞。壩體越高，防滲墻越深，越容易損壞防滲墻，這對(duì)水利水電工程的順利施工極為不利。塑性混凝土防滲墻可以彌補(bǔ)普通混凝土防滲墻的不足。其抗變形能力強(qiáng)，彈性模量低，能承受較大范圍的墻體變形，降低應(yīng)力，避免墻體損壞。特別是在地震等自然災(zāi)害高發(fā)地區(qū)，塑性混凝土防滲墻可作為水利水電工程的永久性防滲結(jié)構(gòu)。例如，遭受6.1級(jí)地震的冊(cè)田水庫(kù)大壩在地震中受損嚴(yán)重，后來(lái)采用塑性混凝土防滲墻進(jìn)行施工加固，從而防止下游成為潮濕地區(qū)。塑性混凝土防滲墻在小浪底工程中也得到成功應(yīng)用。其壩基主要沉積物為砂、卵石、堆石等物質(zhì)。河床覆蓋層厚40～70m，滲透性強(qiáng)。塑性混凝土防滲墻的使用不僅提高了強(qiáng)度，降低了彈性模量，而且縮短了施工周期，增強(qiáng)了防滲性能。塑性混凝土防滲墻已成功地被應(yīng)用于廣西風(fēng)亭和水庫(kù)大壩壩基、湖北兩河口水庫(kù)壩基、山西張峰水庫(kù)壩基等項(xiàng)目。

3.3 水庫(kù)加固除險(xiǎn)

我國(guó)許多土石壩建設(shè)已久，一些水庫(kù)大壩出現(xiàn)險(xiǎn)情。因此，必須采取適當(dāng)措施，確保大壩質(zhì)量符合要求，避免對(duì)周圍居民的生命財(cái)產(chǎn)造成威脅。對(duì)于破損的大壩，常用劈裂灌漿、帷幕灌漿、高壓噴射灌漿等方法進(jìn)行維護(hù)加固。塑性混凝土是大壩維修加固的有利材料，能滿足大壩的強(qiáng)度、剛度和抗?jié)B要求，鋼筋水泥使用量降低，工程施工周期縮短，工程成本降低，因此，在水庫(kù)大壩加固中得到了廣泛應(yīng)用。浙江長(zhǎng)潭水庫(kù)、江西竹坑水庫(kù)、遼寧大河水庫(kù)、山東日照水庫(kù)等水庫(kù)均采用塑性混凝土防滲墻對(duì)大壩進(jìn)行加固，并取得了很大的成功。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，塑性混凝土防滲墻已不再局限于上述水利水電工程的建設(shè)，在海港、地下交通以及建筑基礎(chǔ)等工程建設(shè)中也實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用。

4 質(zhì)量控制

4.1 施工前的質(zhì)量控制

施工前，工作人員必須嚴(yán)格把控施工材料、機(jī)械設(shè)備和技術(shù)條件等滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，制訂詳細(xì)的施工組織計(jì)劃[11- 12]。施工中使用的機(jī)械設(shè)備必須事先檢測(cè)，施工人員上崗前要進(jìn)行培訓(xùn)。塑性混凝土材料的配合比必須符合設(shè)計(jì)規(guī)范，建筑材料使用前必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。

4.2 施工中的質(zhì)量控制

施工單位在取得監(jiān)理單位的批準(zhǔn)后，依據(jù)施工組織設(shè)計(jì)和施工方案進(jìn)行水利水電工程塑性混凝土防滲墻的施工。施工過(guò)程由監(jiān)理人監(jiān)督，隱蔽工程施工須監(jiān)理旁站。

4.3 施工后質(zhì)量檢查

塑性混凝土防滲墻施工完成后須進(jìn)行質(zhì)量檢查。塑性混凝土強(qiáng)度較低，混凝土質(zhì)量檢驗(yàn)一般采用現(xiàn)場(chǎng)取樣制作試件來(lái)檢驗(yàn)防滲墻的實(shí)際性能[13]，不宜采用鉆孔取芯。

5 結(jié)論

塑性混凝土具有彈性模量低、適應(yīng)力好、抗?jié)B性強(qiáng)、強(qiáng)度低、耐久性好、工作性能好、成本低、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，不僅具有較高的成墻質(zhì)量，適應(yīng)地基變形的要求，還有利于機(jī)械化施工，縮短工期，降低工程總造價(jià)。此外，由于塑性混凝土防滲墻適用范圍廣，已被應(yīng)用于壩基、施工圍堰、堤防、人工水域等的防滲，也可用于危險(xiǎn)土石壩加固，具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值，未來(lái)這種新型防滲墻的施工技術(shù)可應(yīng)用于地下交通工程、建筑地基等更廣泛的領(lǐng)域，文章僅簡(jiǎn)要概述該技術(shù)施工工藝，相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合施工實(shí)際，明確概述在不同項(xiàng)目中的技術(shù)要點(diǎn)，保證工程建設(shè)質(zhì)量，為項(xiàng)目創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。