研究水利水電工程中塑性混凝土防滲墻施工工藝及應(yīng)用實(shí)踐

文／朱擁政 長(zhǎng)沙市黃材水庫(kù)灌區(qū)管理局 湖南寧鄉(xiāng) 410600

引言：

隨著我國(guó)水庫(kù)除險(xiǎn)加固項(xiàng)目的不斷增多，塑性混凝土防滲墻以其綜合優(yōu)勢(shì)逐漸在除險(xiǎn)加固工程中得到廣泛應(yīng)用，而要想保證塑性混凝土防滲墻質(zhì)量，充分發(fā)揮出其防滲作用與效果，需在明確設(shè)計(jì)方案及要求的基礎(chǔ)上，對(duì)其施工工藝進(jìn)行深入分析，明確各項(xiàng)工藝方法與要點(diǎn)。

1、工程概況

黃材水庫(kù)位于湘江一級(jí)支流溈水上游，主壩壩址位于黃材鎮(zhèn)以西3.5km 的鐵山里，下距寧鄉(xiāng)縣城52.5km。壩址控制集雨面積240.8km2，干流長(zhǎng)36.56km，干流平均坡降7.805‰。黃材水庫(kù)是一座以灌溉為主，兼有發(fā)電、防洪和養(yǎng)殖等綜合效益的大（2）型水利工程。該水庫(kù)工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級(jí)別為2 級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，溢洪道消能防沖工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。水庫(kù)總庫(kù)容1.53 億m3，正常庫(kù)容1.26 億m3，校核洪水位168.50m（對(duì)應(yīng)洪峰流量為3072 m3/s），大壩設(shè)計(jì)洪水位167.97m（對(duì)應(yīng)洪峰流量為1908m3/s），水庫(kù)正常蓄水位166.00m，死水位122.04m。樞紐工程由主壩、副壩、溢洪道、輸水洞及電站等建筑物組成。主壩為粘土心墻土壩（壩殼為風(fēng)化土料填筑），最大壩高57.50m，壩頂高程169.50m（防浪墻墻頂高程170.50m），壩頂軸長(zhǎng)365m，壩頂寬6.0m。本次除險(xiǎn)加固工程大壩防滲采用塑性混凝土防滲墻防滲，在高程168.1 m 施工平臺(tái)以下沿壩軸線采用液壓抓斗開(kāi)挖單排槽孔，然后采用“直升導(dǎo)管法”澆筑塑性混凝土防滲墻，厚度0.8m，防滲墻最大墻深60.7m。

2、壩身防滲設(shè)計(jì)——塑性砼防滲墻

2.1 槽孔孔位布置

根據(jù)主壩實(shí)際情況，將其頂部高程降低1.4m，即將168.10m 高程作為防滲墻施工的作業(yè)平臺(tái)，然后在壩頂與上游壩肩靠近的部位布置單排槽孔，其孔底需進(jìn)入到巖層內(nèi)至少0.5m，河床壩段槽孔最大深度應(yīng)到達(dá)主壩原建基面下部1.0m，防滲墻平面總長(zhǎng)為365m。

2.2 槽孔斷面尺寸選定

2.2.1 槽板厚度

槽板厚度越大，抗?jié)B性能越好，墻體壽命越長(zhǎng)，但對(duì)施工機(jī)械的要求越高，而且需回填大量材料，使工程投資增加。對(duì)于塑性砼防滲墻，其允許滲透比降通常為60-80，通過(guò)滲流穩(wěn)定計(jì)算及多方面綜合對(duì)比，并參考已有工程的經(jīng)驗(yàn)和該工程重要程度，將槽板厚度確定為0.8m。

2.2.2 槽板長(zhǎng)度

槽板長(zhǎng)度決定了整個(gè)防滲墻的防滲性能。槽板數(shù)量越少，接縫數(shù)量越少，防滲性能越好，然而，當(dāng)接縫數(shù)量較少時(shí)，槽孔長(zhǎng)度需足夠大，對(duì)造孔與使槽孔保持穩(wěn)定都有很高要求。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具有的技術(shù)條件，將單槽板長(zhǎng)度確定為6m。

2.3 成槽方法

因塑性砼防滲墻需進(jìn)入到巖層內(nèi)，所以需使用沖擊鉆進(jìn)行造孔，施工時(shí)先鉆設(shè)主孔，再劈打副孔，然后使主、副孔形成一個(gè)完整的槽孔，在槽孔內(nèi)通過(guò)灌注塑性砼形成完整的防滲墻體。

2.4 墻身材料

防滲墻墻身材料為塑性混凝土，容重不小于2.1t/m2，其28d 抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到3-5MPa，彈性模量應(yīng)保持在300-2000MPa 范圍內(nèi)，破壞滲透坡降為200-300，抗?jié)B等級(jí)W6，滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-7cm/s。塑性混凝土的水泥為P·O32.5 水泥，所用膨潤(rùn)土中粘粒的含量應(yīng)達(dá)到50%以上，使塑性指數(shù)不低于20。塑性混凝土入槽塌落度為18 ～24cm，擴(kuò)散度為34 ～44cm；塌落度保持15cm 以上時(shí)間不小于1.0h，初凝時(shí)間不小于6h，終凝時(shí)間不大于24h；在滿足流動(dòng)性要求的前提下減少用水量；骨料采用一級(jí)配。配合比需通過(guò)專門的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

2.5 泥漿

泥漿利用商品膨潤(rùn)土制備，在制備過(guò)程中需添加適量的分散劑與增粘劑，用于改善泥漿的性能，使其保持穩(wěn)定。

2.6 泥漿滲漏及孔壁坍塌防范措施

為避免壩體157.0m 高程上部槽孔的下游孔壁及146.0-157.0m 高程處槽孔的上、下游孔壁所用固壁泥漿發(fā)生滲漏，或發(fā)生孔壁坍塌現(xiàn)象，需沿防滲墻軸線在上、下游1.2m 處分別設(shè)置一排沖抓套井孔，其直徑為1.2m，間距為0.85m，并進(jìn)入到146.0m 高程下部粘土心墻中。

采用沖抓錐進(jìn)行造孔，然后在孔內(nèi)填筑并夯實(shí)粘土，主、次孔套接后形成連續(xù)分布的粘土心墻，實(shí)現(xiàn)防滲目標(biāo)。防滲墻的中心線位于大壩中心線上游1m 處，孔深以達(dá)到壩體下方基巖為準(zhǔn)確定，孔數(shù)為290 個(gè)。

施工時(shí)先打設(shè)①號(hào)與③號(hào)主孔，將其回填完成后再打設(shè)②號(hào)孔，將其回填后打設(shè)⑤號(hào)孔，將其回填后返回打設(shè)④號(hào)孔，以此不斷循環(huán)。其中，套孔是一個(gè)完整的圓形，各主孔被套孔切割，如圖1所示。單排孔孔距經(jīng)計(jì)算可得為0.85m，由單排孔形成的墻體，其有效厚度經(jīng)計(jì)算可得為0.85m。

圖1 單排鉆孔的平面套接布置

回填材料的顆粒含量不能超過(guò)35%-50%，且滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-5cm/s，含水量以21%-25%為宜，干密度需達(dá)到1.55kg/cm3 以上，具體的干密度與含水量均采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法確定，使其保持在規(guī)范及設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)。

施工中應(yīng)注意鉆孔必須保持鉛直，偏斜率不可超出1/80。在死水位以下進(jìn)行沖抓回填施工時(shí)，其施工質(zhì)量會(huì)受到區(qū)域地下水的影響，此時(shí)應(yīng)采用合理的技術(shù)措施使施工保持連續(xù)，若施工中斷，應(yīng)及時(shí)將滲水抽排干凈，以免影響施工質(zhì)量。

3、塑性砼防滲墻施工

3.1 施工工藝流程

塑性砼防滲墻施工工藝流程如圖2所示。

圖2 塑性砼防滲墻施工工藝流程

3.2 施工準(zhǔn)備

（1）按照設(shè)計(jì)方案的要求，為了給施工提供良好操作平臺(tái)，通過(guò)降低主壩頂部高程至168.1 m形成施工作業(yè)平臺(tái)，其寬度為12.3m，可達(dá)到基本要求。

（2）防滲墻軸線與原上游壩肩靠近，與壩軸線之間的距離為1.4m。

（3）挖槽采用金泰SG46 型液壓抓斗成槽。

（4）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘成果，將攪拌站的位置確定為與右壩肩相距100m 的坪地，在進(jìn)場(chǎng)之前對(duì)其進(jìn)行整平處理，確保水泥、砂、石可進(jìn)場(chǎng)堆放。

（5）拌和站采用一臺(tái)生產(chǎn)率不低50m3/h 的雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)和一臺(tái)PLD800 型配料機(jī)，上料由30 鏟車完成，攪拌用水由50m 揚(yáng)程水泥在水庫(kù)中直接抽取。

（6）混凝土輸送由TBTS60-13-90 型地泵進(jìn)行，因地泵的有效輸送距離有限，在充分考慮工程實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，配備2 臺(tái)地泵，其中一臺(tái)放在攪拌站中，另一臺(tái)放在壩體的中間，以此對(duì)墻身灌注用塑性混凝土進(jìn)行接力輸送。

（7）在壩頂右壩肩山場(chǎng)平臺(tái)設(shè)置泥漿池，用400m3寸消防水帶輸送泥漿。

3.3 導(dǎo)墻施工

導(dǎo)墻施工前先根據(jù)設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行準(zhǔn)確放樣，并用石粉將其開(kāi)挖邊線撒出，在確定邊線位置后，利用挖機(jī)裝載寬度為1.4m 的斗體進(jìn)行開(kāi)挖，挖深按1.0m 控制，在支設(shè)模板的同時(shí)澆筑混凝土。導(dǎo)墻施工使用的混凝土在右岸拌和站中生產(chǎn)制備，生產(chǎn)完成后通過(guò)泵送入倉(cāng)，并在澆筑的同時(shí)使用功率為2.2kW 的插入式振搗器及平板振搗器進(jìn)行均勻、充分振搗，以確保導(dǎo)墻混凝土達(dá)到密實(shí)。

3.4 泥漿配制

按照《水利水電工程混凝土防滲墻施工規(guī)范》對(duì)膨脹土泥漿性能提出的要求，泥漿濃度應(yīng)達(dá)到4.5% 以上，但密度不能超過(guò)1.1g/cm3，基于馬氏漏斗法的粘度需保持在19-50s 以內(nèi)，而塑性粘度應(yīng)小于20cp，pH 值在7-12范圍內(nèi)。

該工程施工所用泥漿采用以下原材料配制：二級(jí)商品膨潤(rùn)土、從水庫(kù)直接抽取的拌和水、純堿，即碳酸鈉、增粘劑CMC。通過(guò)開(kāi)挖泥漿池儲(chǔ)存泥漿，其位置為右壩肩山地。泥漿由3PL 型泥漿泵進(jìn)行輸送和循環(huán)，并采用4PL 型泥漿泵進(jìn)行回收，循環(huán)使用泥漿技術(shù)性能控制指標(biāo)如表1所示，泥漿循環(huán)管路主要由泥漿泵與軟管兩部分構(gòu)成。

表1 循環(huán)使用泥漿技術(shù)性能控制指標(biāo)

3.5 槽段劃分及開(kāi)挖

（1）導(dǎo)墻施工結(jié)束后在墻體表面設(shè)置水泥釘，其間距為6m，必要時(shí)也可按照3m 的間隔距離設(shè)置膨脹螺絲，實(shí)際以便于槽段標(biāo)視為準(zhǔn)確定。

（2）槽段施工分成兩期進(jìn)行，施工中要結(jié)合槽段地質(zhì)條件和施工所用抓斗具有的特點(diǎn)，為盡可能加快進(jìn)度，縮短工期，同時(shí)使槽壁始終保持穩(wěn)定，將單個(gè)槽段的長(zhǎng)度確定為6m，但注意斷層破碎帶與主壩0+305 ～0+350 段的單個(gè)槽段長(zhǎng)不能超過(guò)3m，具體數(shù)值結(jié)合實(shí)際情況確定或調(diào)整，并采用沖擊鉆作為接頭處理。

（3）槽段開(kāi)挖按先一序再二序的順序進(jìn)行，在單個(gè)槽段中，先挖單孔，再挖隔墻，也就是先對(duì)第一孔進(jìn)行開(kāi)挖，在跳開(kāi)一段距離后對(duì)第二孔進(jìn)行開(kāi)挖，確保單孔間有沒(méi)有被開(kāi)挖的隔墻，注意其長(zhǎng)度不能超過(guò)抓斗開(kāi)斗長(zhǎng)度，確保抓斗在開(kāi)挖時(shí)受力保持均衡，并有效糾偏，使成槽保持垂直。將單孔與單孔之間的隔墻均開(kāi)挖到設(shè)計(jì)要求的深度后，沿槽長(zhǎng)方向繼續(xù)套挖幾斗，并對(duì)單孔及隔墻開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的凹凸面進(jìn)行修理，使其保持平衡，進(jìn)而使槽段橫向保持良好線形。

3.6 槽段連接

在一序槽成墻結(jié)束后，采用CZ-8D 沖擊反循環(huán)鉆機(jī)+800mm 直徑鉆頭為接頭處實(shí)施沖擊成孔，將鉆機(jī)放置到位后，對(duì)其鉆頭中心線進(jìn)行調(diào)整，使其中一邊與澆筑后墻體貼近，然后用沖擊鉆頭通過(guò)上下運(yùn)動(dòng)將墻體表面粘附的粘土刮除干凈，之后再對(duì)二期槽孔進(jìn)行開(kāi)挖。

3.7 塑性混凝土澆筑

塑性混凝土在現(xiàn)場(chǎng)拌和系統(tǒng)進(jìn)行拌和，拌和完成后由輸送泵運(yùn)輸。塑性混凝土澆筑需保持連續(xù)，提前做好灌漿管的埋設(shè)。墻體混凝土施工采用直升導(dǎo)管法實(shí)施泥漿下澆筑，所用導(dǎo)管的直徑應(yīng)保持在200-300mm 范圍內(nèi)。以槽段長(zhǎng)度為依據(jù)，在澆筑單個(gè)槽體的過(guò)程中，需配備2 套導(dǎo)管，導(dǎo)管借助汽車吊下放與提升。槽孔中導(dǎo)管之間的距離不能超過(guò)4.0m，導(dǎo)管中心和槽端之間的距離應(yīng)保持在1.0-1.5m 范圍內(nèi)，以槽段實(shí)際情況為依據(jù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在混凝土澆筑開(kāi)始前，確保導(dǎo)管底口和槽底之間的距離處于30-50cm 以內(nèi)，并確保最終的澆筑面抵在導(dǎo)墻頂部20cm 處。

3.8 塑性砼防滲墻墻底處理

為形成完整有效的防滲墻體，進(jìn)行帷幕灌漿時(shí)，灌漿頂部灌至塑性防滲墻墻體內(nèi)2.0m，使壩體防滲墻和基巖的接觸段進(jìn)行有效結(jié)合。

本工程塑性混凝土防滲墻混凝土試塊62 組進(jìn)行檢測(cè)。其抗壓強(qiáng)度最小3.5MP,最大4.2MP；彈性模量最小900，最大1300；抗?jié)B等級(jí)均達(dá)到W6 等級(jí)。采用鉆芯法對(duì)防滲墻進(jìn)行檢測(cè)共151 段。其滲透系數(shù)最大9.98＊10-8cm/s，最小1.27＊10-8cm/s；芯樣抗壓強(qiáng)度最大4.5MP，最小3.3MP。主壩壩體防滲質(zhì)量評(píng)定單元工程合格率100%，優(yōu)良率90.3%。

結(jié)論：

（1）塑性混凝土是一種水泥用量較低，并摻加較多的膨潤(rùn)土、粘土等材料的大流動(dòng)性混凝土，它具有低強(qiáng)度、低彈模和大應(yīng)變等特性，由于彈性模量可達(dá)2000 以下，是一種柔性材料，可以很好的與較軟的基礎(chǔ)相適應(yīng)，同時(shí)又具有很好的防滲性能，在水利工程的防滲中應(yīng)用較多。

（2）在塑性混凝土防滲墻施工開(kāi)始前，應(yīng)先圍繞水庫(kù)現(xiàn)狀及防滲要求做好防滲墻設(shè)計(jì)，確定各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，為之后的施工提供指導(dǎo)依據(jù)。

（3）塑性混凝土防滲墻必須嚴(yán)格按照規(guī)范與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，保證各環(huán)節(jié)施工質(zhì)量，經(jīng)應(yīng)用實(shí)踐，該水庫(kù)塑性混凝土防滲墻施工工藝合理可行，可為其它水庫(kù)除險(xiǎn)加固項(xiàng)目提供技術(shù)參考。