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摘要：本文主要就国内近年在防渗墙施工技术方面取得的一些进展进行总结和探讨,以求得同行的共识。
关键词：水利工程；混凝土;防渗墙;施工技术
1防渗墙结构
冶勒水电站大坝基础防渗工程中,整个防渗墙轴线长达710m,宽1~1. 2m,单墙深度绝大部分在70m以上,最深达84m,是国内已建成最深的一道防渗墙。特别是右岸防渗结构,墙与墙上下连接、墙下还有帷幕灌浆,总深度超过200m,其工程规模、墙体深度、结构形式及施工难度都是国际国内少有的。
冶勒防渗工程的C段岸坡及D段右岸台地基础防渗处理为工程的重点和难点,覆盖层深度在400m以上,需要处理的深度达到220m,目前国内外防渗墙单墙施工水平无法达到该深度。设计上采取了上、下3层墙相连接,墙下再接帷幕灌浆的形式。第1层为地面明挖现浇混凝土墙,墙深15m,墙厚1.0m;第2层为在高程2639.5m平台上的防渗墙,墙深70. 5m(桩号0+ 610~0+710段为78.5m),墙厚1.0m;第3层为在底板高程为2562m廊道内施工的混凝土防渗墙,墙厚1.0m,墙深60~84m;第4层为墙下覆盖层帷幕灌浆,最深达120m(见图1)。
2施工技术
2.1防渗墙接头处理
防渗墙槽段接头处理是防渗墙施工的关键部位,特别在埋藏深度大、承受水头高、地质条件复杂的深厚覆盖层中,一旦接头处理不当,其补救措施也很难实施,将对整个工程造成严重后果。
2.1.1单反弧接头施工法
单反弧法是在双反弧接头法的基础上演变而来的,是在四川冶勒工程中成功应用的一种新型接头形式。其施工要点为:在相邻I期槽浇筑后,先用冲击反循环钻机施工两端主孔(即单反弧导向孔),导向孔终孔验收合格后,再用双反弧钻头进行扩孔,边扩边采用反循环方式将主孔内的石渣抽出,直至终孔,将两端的I期槽端孔混凝土半圆弧周边的泥皮及部分混凝土凿除后,形成单反弧接头面。槽的中部采用常规的I、II期槽的劈打法施工,即先打主孔,后采用钻劈法施工副孔,直至整个槽段成槽。
单反弧接头施工的最大优势:①接头和II期槽是一个整体,可以减少50%的接头数量(见图2);②相邻一期槽孔可同时施工,克服了双反弧接头因为槽孔太短而被击穿的弊病,使得施工周期缩短;③单反弧接头施工中,双反弧钻具一边对接头孔混凝土进行劈打,另一边则劈打槽孔内的原始地层,可避免卡钻事故,即使发生了卡钻、埋钻事故也可以通过旁边的主副孔进行处理;④单反弧接头施工工效明显优于双反弧接头和套接法接头施工。单反弧接头法在冶勒防渗墙施工中的成功应用表明:其接头施工的机具性能良好,所采用的施工工艺简单且有效,节省了工期,保证了工程质量并取得了较好的经济效益。此接头工艺值得深入研究及推广。
2接头管法
瀑布沟水电站坝基覆盖层具有深度大、颗粒粗、结构复杂的特点,河床部位覆盖层厚一般40~60m,最大厚度78m。坝基防渗采用防渗墙和帷幕灌浆,防渗墙为上、下游2道,两墙间距14m,墙厚1. 2m,设计最大造孔深度约84m,设计防渗墙轴线长度169. 45m,基础防渗墙上游墙与心墙间采用插入式连接,插入心墙深度15m。在防渗墙工程施工中,应用我国自主研发的大型液压拔管机,成功地建造了墙厚1. 2m,最大深度84m的2道防渗墙。瀑布沟防渗工程的成功建设,标志着我国利用拔管法在施工大深度、大厚度、高强度等级混凝土防渗墙技术方面已具有较高水平。
2.2防渗墙与墙下灌浆帷幕的连接
墙幕结合防渗体系是一种比较新颖的防渗形式,其摒弃了砂砾石地层灌浆中上部止浆困难而造成上部灌浆质量较差、防渗墙施工深度、工期和遇有大的孤石或进入岩基中钻孔成槽困难的缺陷。
墙幕结合形式的防渗体,其墙与幕的搭接处理是整个防渗体施工的关键部位,像冶勒、下坂地坝基防渗处理工程,其砂砾石层厚度达150m以上,在这种覆盖层中修建墙幕结合的防渗体,由于其埋藏深度大、承受水头高、地质条件复杂,一旦接头处理不当,其补救措施很难实施。因此,采取的方法是使防渗墙底部嵌入灌浆帷幕一定深度,使下部灌浆帷幕紧紧包住防渗墙底部,形成一个统一体,达到减少渗漏的目的。其具体做法是:上部防渗墙和墙下帷幕灌浆施工完毕后,在防渗墙上下游两侧各施工1排(或多排)灌浆孔至墙下灌浆帷幕的底部,然后自防渗墙与灌浆帷幕的结合处(也就是防渗墙底部)以上10m开始灌浆,直至孔底,使新施工的灌浆帷幕与先施工的帷幕紧紧贴在一起,共同承担墙下透水地层的防渗任务。此种方法能够使防渗墙底部嵌入灌浆帷幕一定深度,既形成了良好的搭接接头,又增加了下部灌浆帷幕的厚度,进一步提高了防渗性能。
2.3造孔机械
深厚覆盖层不仅深度大,往往地层结构都很复杂,能否有效地实现防渗墙垂直防渗的目的,防渗墙施工设备的合理选型是项目成功的关键。然而,国内外传统的设备很少能直接投入使用,即使投入使用,工效不高,成本也很大。如果在现有设备基础上进行改造创新,既能解决工程急需,又能推进我国防渗墙工程施工设备的技术发展,同时也节省了投资和成本。在冶勒工程中,根据实际工程需要和工作人员的不断创新,对一些现有工程设备进行了改造、改进,在施工过程中发挥了巨大的作用,创造了良好的经济效益。
2.3.1钻头的改进
传统的冲击反循环钻头为空心十字形钻头,这种钻头不完全适应胶结岩和超固结粉质壤土地层,工效较低,通过试验分析,有针对性地进行了逐步改进,最终形成了几种阶梯式钻头,主要改进在于增加了钻头刃角,提高了钻头的空心度,增加了钻头对地层的切削、破碎能力。在此基础上,还适当增加了钻头的长度与重量,改进的阶梯式钻头有2~3个台阶,外圈有6个刃角,内圈有4个刃角(起超前破碎作用),台阶高度20~30cm,钻头长度2. 0~2. 3m,重2. 7t左右。这样不仅提高了工效,而且有利于提高钻孔的垂直度。
2.3.2双反弧钻具的使用和改进
双反弧钻具的使用和改进双反弧钻具的使用和改进在冶勒防渗墙工程上也有较大的突破。冶勒工程防渗墙施工接头最初采用双反弧接头,后来经过改进和试验,逐渐演变成单反弧接头,但均采用双反弧钻头施工。最初使用的双反弧钻头近弧点间距为1.2~1.3b(b为设计墙厚),后经现场试验,发现在造孔过程中,其阻力很大,容易失去平衡而卡在孔内,于是将近弧点间距设计为1.05~1.1b,使用效果很好。
2.4机具组合、配套方式的改进
在反循环钻机和其他配套设备的组合方面,按常规要求每台钻机要配1台6BS砂石泵、1台3PN泥浆泵及1台ZX-200型净化器,总用电功率达145kW。在工程实践过程中,按照集中泥浆净化、减少配套机械设备、降低生产耗电量的思路,并结合防渗墙施工场地有限的实际情况,将原来1台钻机配置一套反循环钻机、一套净化器的组合改进为2台冲击反循环钻机使用1台6BS砂石泵和1台净化器,这样使原来的泥浆循环净化装置减少了50%,每台钻机的用电功率由原来的145kW减少到89. 5kW,也改善了施工场地拥挤的矛盾。同时,通过改造反循环排渣管的接头形式,减少了钻进过程中掉管事故的发生,提高了钻机的纯钻时间。
3墙体材料
为了适应不同的地层地质条件,现阶段混凝土防渗墙墙体材料正在朝着两个截然不同的方向发展:①适用于高水头、高应力条件的高坝深基础防渗的高强低弹高抗渗混凝土(一般28d抗压强度>25MPa);②适用于低水头大坝和临时围堰的低强低弹高抗渗混凝土(即塑性混凝土,其强度<5MPa,弹性模量<1 000MPa)。下面就两种墙体材料的发展及应用情况分别加以论述。
3.1高强低弹混凝土材料
高强低弹混凝土防渗墙墙体材料,适合于深厚覆盖层。这种理想材料既要保证墙体有较高的强度,又要保证墙体具有一定的柔性,以适应由于地基变形引起的墙体变形,而不至于使墙体开裂。
对于冶勒这种高坝深墙,经设计计算采用强度高(R≥40MPa)而柔性好(弹性模量E≤25 000MPa)的高强低弹新型混凝土材料。瀑布沟大坝防渗墙墙体混凝土设计为:90d强度45MPa,弹性模量33 000MPa,抗渗等级P12,属高强低弹性材料。经过科研人员的不断探索,并进行了大量的室内试验,研究出了早期7d强度在12MPa左右,后期强度满足设计要求的混凝土,这种混凝土不仅后期强度满足45MPa,而且90d之后还有很大的富余增长,且弹性模量比使用P•O425水泥的混凝土还要低。通过施工使用,效果很好。混凝土接头套打工效远高于一般混凝土。
3.2塑性混凝土
三峡二期围堰主要由风化砂、石渣和石渣混合料等经水下抛填(最大抛填深度60m)而成,考虑到其具有密度低、沉降变形严重、运行期短(试用期为6年)的特点,要求防渗体具有较强的适应变形的能力,同时又便于施工和拆除。经论证采用柔性材料和塑性混凝土防渗墙材料,其中墙深大于40m部分采用塑性混凝土材料。
鉴于二期围堰墙体最大高度74m,为保证强度和变形要求,设计提出防渗墙墙体材料性能指标必须满足:抗压强度4. 0~5. 0MPa(深度大于30m时,R28d按5.0MPa控制);抗折强度T28d大于1. 5MPa;初始弹性模量E 0为500 ~700MPa (最大值允许E 0=1 500MPa);渗透系数K20<1×10-7cm/s。三峡二期围堰防渗墙采用塑性混凝土作为防渗墙材料,工程实践表明,从施工配合比设计到防渗施工实施严格控制,塑性混凝土均达到预期效果。
4结语
近年来,我国在水电建设混凝土防渗墙施工技术方面虽然取得了很大的进步,并在一些工程实践中获得了成功,但随着我国水电资源开发建设的步步推进,这些进步还远不能適应今后水电建设发展的需要,还需要广大水电工作者集思广益,不断创新,以取得更大的突破。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词：水利工程；混凝土;防渗墙;施工技术
1防渗墙结构
冶勒水电站大坝基础防渗工程中,整个防渗墙轴线长达710m,宽1~1. 2m,单墙深度绝大部分在70m以上,最深达84m,是国内已建成最深的一道防渗墙。特别是右岸防渗结构,墙与墙上下连接、墙下还有帷幕灌浆,总深度超过200m,其工程规模、墙体深度、结构形式及施工难度都是国际国内少有的。
冶勒防渗工程的C段岸坡及D段右岸台地基础防渗处理为工程的重点和难点,覆盖层深度在400m以上,需要处理的深度达到220m,目前国内外防渗墙单墙施工水平无法达到该深度。设计上采取了上、下3层墙相连接,墙下再接帷幕灌浆的形式。第1层为地面明挖现浇混凝土墙,墙深15m,墙厚1.0m;第2层为在高程2639.5m平台上的防渗墙,墙深70. 5m(桩号0+ 610~0+710段为78.5m),墙厚1.0m;第3层为在底板高程为2562m廊道内施工的混凝土防渗墙,墙厚1.0m,墙深60~84m;第4层为墙下覆盖层帷幕灌浆,最深达120m(见图1)。
2施工技术
2.1防渗墙接头处理
防渗墙槽段接头处理是防渗墙施工的关键部位,特别在埋藏深度大、承受水头高、地质条件复杂的深厚覆盖层中,一旦接头处理不当,其补救措施也很难实施,将对整个工程造成严重后果。
2.1.1单反弧接头施工法
单反弧法是在双反弧接头法的基础上演变而来的,是在四川冶勒工程中成功应用的一种新型接头形式。其施工要点为:在相邻I期槽浇筑后,先用冲击反循环钻机施工两端主孔(即单反弧导向孔),导向孔终孔验收合格后,再用双反弧钻头进行扩孔,边扩边采用反循环方式将主孔内的石渣抽出,直至终孔,将两端的I期槽端孔混凝土半圆弧周边的泥皮及部分混凝土凿除后,形成单反弧接头面。槽的中部采用常规的I、II期槽的劈打法施工,即先打主孔,后采用钻劈法施工副孔,直至整个槽段成槽。
单反弧接头施工的最大优势:①接头和II期槽是一个整体,可以减少50%的接头数量(见图2);②相邻一期槽孔可同时施工,克服了双反弧接头因为槽孔太短而被击穿的弊病,使得施工周期缩短;③单反弧接头施工中,双反弧钻具一边对接头孔混凝土进行劈打,另一边则劈打槽孔内的原始地层,可避免卡钻事故,即使发生了卡钻、埋钻事故也可以通过旁边的主副孔进行处理;④单反弧接头施工工效明显优于双反弧接头和套接法接头施工。单反弧接头法在冶勒防渗墙施工中的成功应用表明:其接头施工的机具性能良好,所采用的施工工艺简单且有效,节省了工期,保证了工程质量并取得了较好的经济效益。此接头工艺值得深入研究及推广。
2接头管法
瀑布沟水电站坝基覆盖层具有深度大、颗粒粗、结构复杂的特点,河床部位覆盖层厚一般40~60m,最大厚度78m。坝基防渗采用防渗墙和帷幕灌浆,防渗墙为上、下游2道,两墙间距14m,墙厚1. 2m,设计最大造孔深度约84m,设计防渗墙轴线长度169. 45m,基础防渗墙上游墙与心墙间采用插入式连接,插入心墙深度15m。在防渗墙工程施工中,应用我国自主研发的大型液压拔管机,成功地建造了墙厚1. 2m,最大深度84m的2道防渗墙。瀑布沟防渗工程的成功建设,标志着我国利用拔管法在施工大深度、大厚度、高强度等级混凝土防渗墙技术方面已具有较高水平。
2.2防渗墙与墙下灌浆帷幕的连接
墙幕结合防渗体系是一种比较新颖的防渗形式,其摒弃了砂砾石地层灌浆中上部止浆困难而造成上部灌浆质量较差、防渗墙施工深度、工期和遇有大的孤石或进入岩基中钻孔成槽困难的缺陷。
墙幕结合形式的防渗体,其墙与幕的搭接处理是整个防渗体施工的关键部位,像冶勒、下坂地坝基防渗处理工程,其砂砾石层厚度达150m以上,在这种覆盖层中修建墙幕结合的防渗体,由于其埋藏深度大、承受水头高、地质条件复杂,一旦接头处理不当,其补救措施很难实施。因此,采取的方法是使防渗墙底部嵌入灌浆帷幕一定深度,使下部灌浆帷幕紧紧包住防渗墙底部,形成一个统一体,达到减少渗漏的目的。其具体做法是:上部防渗墙和墙下帷幕灌浆施工完毕后,在防渗墙上下游两侧各施工1排(或多排)灌浆孔至墙下灌浆帷幕的底部,然后自防渗墙与灌浆帷幕的结合处(也就是防渗墙底部)以上10m开始灌浆,直至孔底,使新施工的灌浆帷幕与先施工的帷幕紧紧贴在一起,共同承担墙下透水地层的防渗任务。此种方法能够使防渗墙底部嵌入灌浆帷幕一定深度,既形成了良好的搭接接头,又增加了下部灌浆帷幕的厚度,进一步提高了防渗性能。
2.3造孔机械
深厚覆盖层不仅深度大,往往地层结构都很复杂,能否有效地实现防渗墙垂直防渗的目的,防渗墙施工设备的合理选型是项目成功的关键。然而,国内外传统的设备很少能直接投入使用,即使投入使用,工效不高,成本也很大。如果在现有设备基础上进行改造创新,既能解决工程急需,又能推进我国防渗墙工程施工设备的技术发展,同时也节省了投资和成本。在冶勒工程中,根据实际工程需要和工作人员的不断创新,对一些现有工程设备进行了改造、改进,在施工过程中发挥了巨大的作用,创造了良好的经济效益。
2.3.1钻头的改进
传统的冲击反循环钻头为空心十字形钻头,这种钻头不完全适应胶结岩和超固结粉质壤土地层,工效较低,通过试验分析,有针对性地进行了逐步改进,最终形成了几种阶梯式钻头,主要改进在于增加了钻头刃角,提高了钻头的空心度,增加了钻头对地层的切削、破碎能力。在此基础上,还适当增加了钻头的长度与重量,改进的阶梯式钻头有2~3个台阶,外圈有6个刃角,内圈有4个刃角(起超前破碎作用),台阶高度20~30cm,钻头长度2. 0~2. 3m,重2. 7t左右。这样不仅提高了工效,而且有利于提高钻孔的垂直度。
2.3.2双反弧钻具的使用和改进
双反弧钻具的使用和改进双反弧钻具的使用和改进在冶勒防渗墙工程上也有较大的突破。冶勒工程防渗墙施工接头最初采用双反弧接头,后来经过改进和试验,逐渐演变成单反弧接头,但均采用双反弧钻头施工。最初使用的双反弧钻头近弧点间距为1.2~1.3b(b为设计墙厚),后经现场试验,发现在造孔过程中,其阻力很大,容易失去平衡而卡在孔内,于是将近弧点间距设计为1.05~1.1b,使用效果很好。
2.4机具组合、配套方式的改进
在反循环钻机和其他配套设备的组合方面,按常规要求每台钻机要配1台6BS砂石泵、1台3PN泥浆泵及1台ZX-200型净化器,总用电功率达145kW。在工程实践过程中,按照集中泥浆净化、减少配套机械设备、降低生产耗电量的思路,并结合防渗墙施工场地有限的实际情况,将原来1台钻机配置一套反循环钻机、一套净化器的组合改进为2台冲击反循环钻机使用1台6BS砂石泵和1台净化器,这样使原来的泥浆循环净化装置减少了50%,每台钻机的用电功率由原来的145kW减少到89. 5kW,也改善了施工场地拥挤的矛盾。同时,通过改造反循环排渣管的接头形式,减少了钻进过程中掉管事故的发生,提高了钻机的纯钻时间。
3墙体材料
为了适应不同的地层地质条件,现阶段混凝土防渗墙墙体材料正在朝着两个截然不同的方向发展:①适用于高水头、高应力条件的高坝深基础防渗的高强低弹高抗渗混凝土(一般28d抗压强度>25MPa);②适用于低水头大坝和临时围堰的低强低弹高抗渗混凝土(即塑性混凝土,其强度<5MPa,弹性模量<1 000MPa)。下面就两种墙体材料的发展及应用情况分别加以论述。
3.1高强低弹混凝土材料
高强低弹混凝土防渗墙墙体材料,适合于深厚覆盖层。这种理想材料既要保证墙体有较高的强度,又要保证墙体具有一定的柔性,以适应由于地基变形引起的墙体变形,而不至于使墙体开裂。
对于冶勒这种高坝深墙,经设计计算采用强度高(R≥40MPa)而柔性好(弹性模量E≤25 000MPa)的高强低弹新型混凝土材料。瀑布沟大坝防渗墙墙体混凝土设计为:90d强度45MPa,弹性模量33 000MPa,抗渗等级P12,属高强低弹性材料。经过科研人员的不断探索,并进行了大量的室内试验,研究出了早期7d强度在12MPa左右,后期强度满足设计要求的混凝土,这种混凝土不仅后期强度满足45MPa,而且90d之后还有很大的富余增长,且弹性模量比使用P•O425水泥的混凝土还要低。通过施工使用,效果很好。混凝土接头套打工效远高于一般混凝土。
3.2塑性混凝土
三峡二期围堰主要由风化砂、石渣和石渣混合料等经水下抛填(最大抛填深度60m)而成,考虑到其具有密度低、沉降变形严重、运行期短(试用期为6年)的特点,要求防渗体具有较强的适应变形的能力,同时又便于施工和拆除。经论证采用柔性材料和塑性混凝土防渗墙材料,其中墙深大于40m部分采用塑性混凝土材料。
鉴于二期围堰墙体最大高度74m,为保证强度和变形要求,设计提出防渗墙墙体材料性能指标必须满足:抗压强度4. 0~5. 0MPa(深度大于30m时,R28d按5.0MPa控制);抗折强度T28d大于1. 5MPa;初始弹性模量E 0为500 ~700MPa (最大值允许E 0=1 500MPa);渗透系数K20<1×10-7cm/s。三峡二期围堰防渗墙采用塑性混凝土作为防渗墙材料,工程实践表明,从施工配合比设计到防渗施工实施严格控制,塑性混凝土均达到预期效果。
4结语
近年来,我国在水电建设混凝土防渗墙施工技术方面虽然取得了很大的进步,并在一些工程实践中获得了成功,但随着我国水电资源开发建设的步步推进,这些进步还远不能適应今后水电建设发展的需要,还需要广大水电工作者集思广益,不断创新,以取得更大的突破。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看