水下拋填非密實砂礫石壩壩基防滲墻成槽施工技術

彭小明 陳瑛 管帝

摘要：在水下拋填非密實砂礫石筑壩過程中，壩基防滲墻成槽施工十分關鍵。以新集水電站為例，介紹了該電站壩基的防滲墻成槽施工過程，并詳細分析了防滲墻槽孔坍塌的原因及處理措施。通過調整戧堤上下游位置，對防滲軸線上下游側進行強夯處理，抬高防滲墻頂高程以及增加截流戧堤上游堵漏措施完成了新集水電站壩基防滲墻成槽。針對主河床防滲墻施工初期的塌方事故，發(fā)現(xiàn)高水頭差下滲流破壞是防滲墻槽孔坍塌的主要原因，而水下拋填未經壓實（松散）的砂礫石是導致坍塌的內在原因。通過檢查和調整泥漿的黏度和穩(wěn)定性，降低抓斗槽孔內速度，縮短槽段的寬度，調整成槽方案，以及封堵槽孔內回填黏土礫石、混凝土料后，新集水電站主河床水下拋填砂礫石壩基防滲墻技術指標均在正常范圍之內，運行工況良好。

關鍵詞：水下拋填； 砂礫石壩基； 防滲墻成槽； 新集水電站

中圖法分類號：TV512

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.011

文章編號：1006-0081（2023）S2-0039-04

0 引 言

新集水電站位于漢江中游，主要建筑物采用一線式布置，壩軸線總長2 202.4 m。根據(jù)規(guī)劃設計，工程分二期導流施工，第一期縱向圍堰布置在主河床左側漫灘，在一期圍堰保護下，對左岸的電站廠房、泄水閘、船閘等主體建筑物進行施工，右側的主河床導流。二期填筑主河床土石壩，采用已建成的24孔泄水閘導流。由于主河床土石壩高度不大，二期主河床不設圍堰圍護，直接填筑土石壩。主河床砂礫石大壩壩體采用黏土心墻防滲，壩基采用混凝土防滲墻防滲，防滲墻底線伸入基巖1.0 m。二期主河床土石壩施工未設圍堰，大壩填筑分水下壩基和水上壩體兩部分。其中，水位線67.4 m高程以下壩基采用水下拋填施工，水位線以上采用分層碾壓填筑施工，填筑材料均為天然砂礫石混合料。新集水電站將水下拋填作為大壩主體工程結構，在國內尚屬首例。漢江是長江的第一大支流，主河床截流后上下游水位落差3.58 m。在漢江中游進行水下拋填非密實砂礫石筑壩，壩基防滲墻成槽施工技術十分關鍵。本文介紹了新集水電站主河床土石壩水下拋填砂礫石非密實壩基的防滲墻成槽施工過程，并詳細分析了防滲墻槽孔坍塌的原因，最后提出了處理措施。

1 新集水電站防滲墻特點

1.1 截流合龍塊徑料對成槽墻的影響

新集水電站右岸主河床截流戧堤設計在大壩上游段，截流完成后作為壩體結構一部分。截流合龍拋投的塊徑料包括大塊石、石籠、合金網兜，受水流沖刷漂移至防滲軸線附近，隨截流龍口縮窄在合龍?zhí)帍纳隙滦纬闪舜罅繅K徑料架空的集中滲流通道。據(jù)統(tǒng)計，截流期間龍口累計拋投塊徑料55 742 m3，為設計截流龍口體積的3.19倍，其中約38 257 m3塊徑料順水流漂移至龍口下游，合龍集中拋投的塊徑料形成了高水頭下的集中滲流通道。新集水電站主河床截流拋投塊徑料統(tǒng)計詳見表1。

1.2 水下拋填筑壩對防滲墻造孔成槽的影響

水下拋填筑壩防滲墻施工存在兩個技術難點：① 不設圍堰無法干地施工對壩基進行清理，截流合龍時形成的塊徑料集中在滲漏通道，影響防滲墻造孔成槽［1］；② 水下自然拋填作業(yè)無法進行碾壓作業(yè)，無法形成密實結構，根據(jù)SL 274-2020《碾壓式土石壩設計規(guī)范》，水下拋填砂礫石壩基需滿足相對密度不小于0.75和壓實度不小于0.98的要求，防滲墻施工槽孔穩(wěn)定性極差。

2 防滲墻成槽設計

2.1 戧堤上下游位置調整

常規(guī)工程施工方案往往將截流戧堤布置在大壩下游，可防止截流合龍塊徑料漂移至防滲軸線附近，避免增加后期防滲墻和灌漿施工難度。經研究，為了有效降低水下拋填填筑厚度，新集水電站主河床截流將戧堤變更至大壩軸線上游側，在截流完成后戧堤留作壩體一部分，隨截流后下游水位下降可據(jù)實測水位有效降低水下拋填厚度，減小工程風險。截流戧堤頂高程70 m，實測上游水位為67.24 m，下游水位63.66 m，水下拋填高程按67.4 m控制，河床部位水下拋填最大厚度為13.2 m。

2.2 防滲軸線上下游側強夯處理

對防滲墻軸線上游8.0 m和下游7.0 m范圍內的水下拋填砂礫石壩基進行強夯，強夯高程為水下拋填平面高程67.4 m，主河床土石壩防滲墻設計橫斷面詳見圖1。強夯施工按工程前期已施工的泄洪洞基礎參數(shù)、技術要求進行，分為2遍點夯和2遍滿夯，點距5 m，梅花形布置，夯錘重 20 t，夯錘提升高度10 m，夯擊能為200 t·m，單點夯擊次數(shù)6～8擊，最后兩擊沉降量均小于5 cm。實測水下拋填壩基夯擊最大沉降量為84 cm，設計工程措施預期擊實影響深度6～8 m，高程范圍為67.4～59.4 m。

2.3 防滲墻頂高程抬高

為避免雨季施工對后續(xù)施工的黏土心墻填筑產生影響，給水下拋填砂礫石壩基預留一定的自然沉降期，經過研究，最終選擇了“先筑壩，后建墻”的方案。先填筑壩體，后修建防滲墻，抬高防滲墻墻頂至77.8 m高程，增加了防滲墻工程量約2 952 m2，不僅從工期計劃上有效規(guī)避了雨季進行黏土心墻填筑的風險，還給水下拋填大壩砂礫石料預留了2～6個月的沉降期，拋填砂礫石因受到上部壩體荷載的重力作用沉降變得更加密實［2］。

2.4 截流戧堤上游堵漏措施

截流之后在戧堤上游增加了1 m厚的黏土閉氣土鋪填層及2.5 m厚的黏土巖，在防滲墻施工期間，可減小截流后高水頭差下滲流對防滲墻成槽影響。

3 防滲墻槽孔坍塌原因分析及措施

新集水電站主河床防滲墻項目施工前期，主要采用GB34型抓斗“純抓法”為主、CZ-6型沖擊鉆“鉆劈法”為輔的造孔成槽施工方案。“鉆劈法”主要針對抓不動的漂石、孤石和基巖。GB34型抓斗由專用抓斗及履帶式起重機塔架組成，抓斗能夠擔負切削、裝載、運送障料等任務，即可將地層顆粒不經破碎而直接抓取至地面，故其造孔工效一般較高，砂礫石地層施工效率大于 25 m2/臺班（8 h）［3］。GB34型抓斗已應用在新集水電站工程一期圍堰防滲墻施工中，施工基礎為天然河道砂礫層。

主河床防滲墻槽段分兩期施工。Ⅰ，Ⅱ期槽段槽長均為7 m，主河床防滲墻全長509.4 m，共劃分為72個槽段。根據(jù)新集水電站工程前期一期圍堰防滲墻砂礫石地層施工工效，GB34型抓斗防滲墻施工工效為每4.9 d一個槽段（寬7 m），抓斗抓挖槽孔寬度80 cm，斗齒寬278 cm，7 m寬槽段分主副孔三抓成槽，配置3臺抓斗和3臺沖擊機可滿足工程需要。然而，在“純抓法”造孔成槽實施過程中，每個槽段都有塌槽、漏漿現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)場抓槽深度為18～22 m（59.80～55.80 m）時頻繁出現(xiàn)漏漿情況，單個槽孔反復多次坍塌，常常發(fā)生后期槽孔坍塌，且波及處理過的部位和上部的壩體黏土心墻部分。

針對主河床防滲墻施工初期的塌方事故，發(fā)現(xiàn)高水頭差下滲流破壞是防滲墻槽孔坍塌的主要原因，而水下拋填未經壓實（松散）的砂礫石是導致坍塌的內在原因。此外，截流漂移至防滲軸線附近的架空塊徑料抓取和沖擊破碎處理，破壞槽壁穩(wěn)定造成槽孔的坍塌。新集水電站防滲墻槽孔坍塌的處理措施詳見表2。

經分析比較，“防滲墻體上游進行預灌漿封堵處理”和“沖擊鉆鉆進為主，抓斗輔助排碴”方法能夠確保高水頭滲透砂礫料防滲墻施工成槽。防滲墻體上游進行預灌漿封堵處理時，需要在防滲墻施工前采用提前預灌漿來封堵砂礫石層的通道，灌漿可將砂礫石松散料膠凝成整體，封堵滲透通道［4］，需要工期較長，增加額外的建設工程投資，所以在新集水電站工程中未采用。將原“純抓法”為主的成槽方案，調整為以“沖擊鉆鉆進為主，抓斗輔助排碴”的方案。基本原理是在利用“沖擊鉆”吊重對地層進行沖擊而實現(xiàn)鉆進的成槽的過程中，在槽孔內回填黏土，利用沖擊力將黏土擠壓入滲流通道間隙，減小滲流破壞，并在槽壁上形成護壁泥漿膜，以利于孔壁穩(wěn)定［5］。

4 防滲墻成槽施工工藝

高程71 m上部黏土層采用GB34型抓斗造孔，高程71 m至高程70 m黏土層、高程70 m層以下壩基（含水下砂礫石拋填層、原河床覆蓋層、強風化層、入巖1 m弱風化層）均采用CZ-6型沖擊鉆造孔。泥漿采用膨潤土調制，造孔過程中隨時關注和補充護壁泥漿，當槽孔內漿面出現(xiàn)非正常下降時，說明泥漿未起到護壁作用，需及時采取措施防止出現(xiàn)槽孔坍塌［6-8］。根據(jù)漿液漏失速度可判斷槽孔內滲漏通道大小，分別在槽孔內投入黏土料、摻稻殼黏土、摻砂礫石的黏土料等封堵滲漏通道。若在鉆進過程中出現(xiàn)槽孔坍塌，采用黏土料或混凝土料對坍腔進行回填，用沖擊鉆分層壓實擠密后重新造孔。在正常鉆進的過程中，沖擊鉆沖劈成槽積碴較厚時采用GB34型抓斗輔助進行排碴，要求嚴格控制抓斗下探抓挖深度在30 cm以內，并盡量降低槽孔內的下放和提升速度，依此方法完成單個槽段的造孔成槽施工。

由于沖擊鉆造孔工效遠低于抓斗，新集水電站根據(jù)實際方案調增了資源的投入，成槽設備沖擊鉆機增加至12臺，液壓抓斗增加至4臺。主河床土石壩防滲墻于2023年4月13日在汛前順利完工，確保了工程安全度汛。

5 防滲墻質量效果

根據(jù)SL 174-2014《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術規(guī)范》，墻體質量檢查在成墻28 d后，采用鉆孔取芯、注水試驗方法進行質量檢測。主河床土石壩防滲墻69個槽段共布設7個檢查孔，包括5個跨槽段接頭孔的檢測，涉及12個槽段的防滲墻。

根據(jù)現(xiàn)場實際鉆孔、取芯、注水試驗成果來看，所有檢查孔取芯芯樣收集率均超過98%以上，芯樣為長柱狀、芯樣連續(xù)，較為完整，膠結好，芯樣側面表面光滑，骨料分布均勻，斷口吻合。其中FSQ57、FSQ62檢查孔打穿墻體入巖，從芯樣觀察墻體與基巖緊密連接，抓槽深入基巖。從注水試驗檢查結果看，實測滲透系數(shù)均優(yōu)于設計滲透系數(shù)1×10-6 cm/s 的要求。主河床土石壩防滲墻成墻質量檢查結果詳見表3。

右岸主河床土石壩布置了5個滲流監(jiān)測斷面，共計17根測壓管、3支滲壓計，初期蓄水階段防滲墻滲壓水頭、應力應變、滲流的監(jiān)測結果表明：新集水電站主河床水下拋填砂礫石壩基防滲墻技術指標均在正常范圍之內，運行工況良好。

然而，根據(jù)防滲墻槽孔坍塌情況和成墻后的超重力觸探檢查，檢查結果顯示：槽孔坍塌區(qū)和非坍塌區(qū)域壩體填筑的相對密度明顯不同，防滲墻成槽過程中出現(xiàn)大范圍、單個槽孔多次坍塌，仍然影響到壩體填筑質量，設計方分析后又額外增加了防滲墻后坍塌部位灌漿補強的處理措施，以確保工程安全。

6 結 語

針對新集水電站主河床土石壩水下拋填砂礫石壩基防滲墻成槽中出現(xiàn)的坍塌槽情況，在工程施工階段經過妥善處理，建設完成的防滲墻達到設計的擋水防滲作用。混凝土防滲墻施工中槽孔坍塌是一個復雜的問題，存在多種可能的原因，需根據(jù)實際情況制定適合工程的技術措施，按照要求和規(guī)范進行施工，按照措施慎重處理，才能保證防滲墻施工的質量、進度，減少經濟損失。

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