瀘定水電站大壩防滲墻原位試驗(yàn)

張 宏,孫建義,毛鴻飛,馬秋娟

(1.邯鄲市東武仕水庫(kù)管理處,河北邯鄲056001;2.海委漳衛(wèi)南運(yùn)河岳城水庫(kù)管理局,河北邯鄲056001;3.中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司,天津301700;4.河北工程大學(xué),河北邯鄲056001)

1 工程概況

瀘定水電站位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣境內(nèi),為大渡河干流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第12級(jí)電站,大壩為粘土心墻堆石壩,大壩全長(zhǎng)536.74 m,最大壩高84.0 m,壩頂寬度12.0 m,上、下游壩坡均為1∶2,防滲心墻頂寬4.0 m,上、下游坡均為1∶0.25?；A(chǔ)防滲采用懸掛式混凝土防滲墻下接4排帷幕灌漿形式,壩基防滲墻厚1.0 m,最大墻深154 m,防滲墻軸線全長(zhǎng)425.33 m,工程量約30 000 m2。壩址區(qū)河床覆蓋層深厚,一般深度為120 m～130 m,最大深度148.6 m,覆蓋層自下而上主要為沙質(zhì)礫石層、孤石層、弱-強(qiáng)膠結(jié)角礫石土層、粉細(xì)沙層、松散漂(孤)石層等,地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,孤石、漂礫、膠結(jié)存在普遍,地層透水性強(qiáng)。

2 深墻試驗(yàn)段簡(jiǎn)介

瀘定水電站大壩防滲墻是我國(guó)目前墻體深度最大的防滲墻工程,最大墻體深度刷新了大壩防滲墻單孔最深136 m的世界記錄,是一項(xiàng)極具難度和挑戰(zhàn)性的世界級(jí)工程項(xiàng)目。目前國(guó)內(nèi)成熟混凝土防滲墻施工深度基本在80 m以內(nèi),為了探究復(fù)雜地質(zhì)條件下超過(guò)100 m防滲墻的可行性,加強(qiáng)防滲墻防滲效果,在瀘定大壩進(jìn)行了超深防滲墻施工原位試驗(yàn)[1]。試驗(yàn)的主要內(nèi)容包括:固壁泥漿的材料選擇、配合比及拌制工藝試驗(yàn);造孔設(shè)備、工藝試驗(yàn);墻體混凝土配合比試驗(yàn);混凝土澆筑工藝、澆筑時(shí)間試驗(yàn);槽段間接頭孔施工方法、施工工藝試驗(yàn);墻內(nèi)埋設(shè)鋼筋籠、灌漿鋼管質(zhì)量保證措施研究;沉渣厚度控制措施等,重點(diǎn)對(duì)固壁泥漿、拔管技術(shù)、墻體澆筑等參數(shù)[2]進(jìn)行了分析研究,以期為我國(guó)超深防滲墻施工提供科學(xué)依據(jù)。

試驗(yàn)段布置在瀘定水電站大壩軸線上,全長(zhǎng)119.8 m,樁號(hào)為 0+110.5～0+230.3,平臺(tái)高程1 310 m。試驗(yàn)段防滲墻共劃分槽段27個(gè),其中27#、29#槽為先行試驗(yàn)槽段。試驗(yàn)段槽孔分兩個(gè)工序施工,其中一期槽14個(gè),二期槽13個(gè);一期槽槽長(zhǎng)4.0 m,二期槽槽長(zhǎng)7.0 m;主孔1 m,副孔2 m,見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)段槽孔布置圖(單位:cm)

3 泥漿試驗(yàn)

固壁泥漿是混凝土防滲墻施工技術(shù)的基礎(chǔ),主要作用是保持槽孔的穩(wěn)定,攜帶和懸浮鉆屑,增加防滲墻的抗?jié)B能力,隨著槽孔深度的不斷增加,對(duì)固壁泥漿的性能也提出了更高的要求[3]。目前國(guó)內(nèi)防滲墻施工中使用的泥漿主要是分散型泥漿,這種泥漿20世紀(jì)50年代便開(kāi)始使用,適用于覆蓋層較薄、墻體較淺、地層較穩(wěn)定的防滲墻,對(duì)于地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,槽孔深度超過(guò)100 m的防滲墻,分散型泥漿抑制性差,不能有效控制地層滲漏,性能不穩(wěn)定,抗污染能力差等缺點(diǎn)更加突出,孔壁不穩(wěn)定問(wèn)題嚴(yán)重,已不能適應(yīng)快速發(fā)展的防滲墻施工的要求。

為了解決超深覆蓋層防滲墻造孔固壁這一難題,本次試驗(yàn)主孔采用了常規(guī)粘土泥漿,副孔及成槽、清孔使用了一種新型漿液——MMH正電膠漿液。MMH正電膠(混合金屬氧化物)是一種帶有正電荷的無(wú)機(jī)化合物膠體,在油氣井的開(kāi)發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的泥漿相比,MMH具有獨(dú)特的流變性能,具有較強(qiáng)的抑制性和較強(qiáng)的抗鹽性及較好的熱穩(wěn)定性,MMH泥漿解決了常規(guī)泥漿難以處理的松散砂層、礫石層段的孔壁穩(wěn)定性問(wèn)題。

3.1 泥漿配合比

MMH正電膠漿液的組成有MMH正電膠、優(yōu)質(zhì)Ⅱ級(jí)鈣基膨潤(rùn)土、燒堿、純堿等,降失水增粘劑為中粘類(lèi)羧甲基纖維素鈉(CMC),配制泥漿用水從大渡河中抽取,使用前將水樣送有關(guān)部門(mén)進(jìn)行水質(zhì)分析,以免對(duì)泥漿性能產(chǎn)生不利影響。正電膠泥漿配合比見(jiàn)表1。

表1 正電膠泥漿配合比

3.2 泥漿制備

在漿液制備過(guò)程中嚴(yán)格按控制配合比,各種材料的加量誤差不得大于2%。泥漿處理劑使用前配制成一定濃度的水溶液,純堿水溶液濃度為20%,CMC水溶液濃度為1.5%,可以有效提高漿液性能。在配比相同的條件下,正電膠泥漿的性能很大程度上取決于攪拌程序和攪拌時(shí)間,制備時(shí)需嚴(yán)格控制。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),可按以下兩種程序進(jìn)行:

程序1:清水+膨潤(rùn)土+純堿+正電膠干粉+燒堿,5組材料一同攪拌,時(shí)間5 min;

程序2:清水+膨潤(rùn)土+純堿,3組材料先攪拌5 min,然后加純堿和正電膠再攪拌5 min;

新制MMH漿液必須存放24 h,經(jīng)充分水化溶脹后再行使用,其性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到表2中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 MMH漿液性能指標(biāo)

3.3 泥漿的使用

泥漿拌合好后在儲(chǔ)漿池內(nèi)要經(jīng)常攪動(dòng),保持漿液的均勻性,避免沉淀或離析。在鉆孔過(guò)程中,導(dǎo)向槽內(nèi)注入泥漿,槽孔內(nèi)的泥漿由于巖屑不斷混入,泥漿性能將逐漸惡化,可通過(guò)泥漿凈化系統(tǒng),將土顆粒和碎石塊除去,然后把干凈的泥漿重新送回到槽孔中。經(jīng)過(guò)凈化處理的泥漿必須在使用前進(jìn)行測(cè)試。在成槽過(guò)程中,應(yīng)在循環(huán)漿溝中取樣,檢測(cè)有關(guān)指標(biāo),如超出限值,必須進(jìn)行處理。在槽孔和儲(chǔ)漿池周?chē)鷳?yīng)設(shè)置排水溝,防止地表污水或雨水大量流入后污染泥漿。澆注混凝土過(guò)程中,被混凝土置換出來(lái)的泥漿距混凝土澆筑面2m以內(nèi)的泥漿,因污染較嚴(yán)重,應(yīng)予以廢棄。

3.4 泥漿凈化及回收

抓斗造孔時(shí),抽出泥漿,所抽出的漿渣用清水稀釋后,經(jīng)排漿溝流至集漿坑,沉淀后上部含砂量較少的漿液可回收重新利用。清孔換漿時(shí),泥漿經(jīng)凈化處理后直接返回槽孔。澆筑混凝土?xí)r,用排污泵將槽內(nèi)排出漿液輸送至集中制漿站回收池內(nèi),檢驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)后,針對(duì)性進(jìn)行再生,重復(fù)使用。

試驗(yàn)結(jié)果表明:①優(yōu)質(zhì)粘土泥漿可用于部分主孔造孔,但過(guò)于松散及強(qiáng)漏失地層的主孔施工,正電膠泥漿仍是首選;②正電膠泥漿特有的固/液相間性(觸變性)、穩(wěn)定性、抑制性及良好的攜屑、懸屑能力,能有效封堵滲漏地層,維護(hù)孔壁穩(wěn)定,保證清孔結(jié)束后8 h～12 h孔底淤積厚度＜10 cm。

4 防滲墻施工

4.1 施工程序及工藝

防滲墻是一種修建在松散透水地層中起防滲作用的地下連續(xù)墻。槽孔型的防滲墻施工程序及工藝主要包括:造孔前的準(zhǔn)備工作;泥漿固壁與造孔成槽;終孔驗(yàn)收與清孔換漿;槽孔澆注混凝土;防滲墻質(zhì)量驗(yàn)收[4]。

4.2 導(dǎo)墻及施工平臺(tái)預(yù)處理

由于上部地層極為松散,為了防止造孔過(guò)程中泥漿的滲漏、施工平臺(tái)坍塌、導(dǎo)墻斷裂等現(xiàn)象出現(xiàn),對(duì)施工平臺(tái)采用了水泥+碾壓和預(yù)灌濃漿兩種方案進(jìn)行處理。

(1)水泥+碾壓。適合于上部地層較密實(shí)、回填層較薄地段。主河床右端(樁號(hào):0+086～0+124)上部地層主要由砂礫石層和淤泥質(zhì)砂層組成,其上為回填層。將水泥均勻的拌合于回填料中,按層厚60 cm拌合水泥用量為30 kg/m2的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分層碾壓[5]。

(2)預(yù)灌濃漿。主河及左岸導(dǎo)墻下為厚8 m～15 m回填層和松散漂礫石層。受水下回填制約,回填層難做水泥+碾壓處理,其下漂礫石層也較松散,因此進(jìn)行了預(yù)灌濃漿處理。

從各槽段施工情況看,11#～31#槽未發(fā)生明顯孔口坍塌現(xiàn)象,但29#槽孔口擴(kuò)孔系數(shù)較大。分析后認(rèn)為:一是回填碾壓時(shí),水泥+砂土攪拌不均勻,二是水泥摻量不夠。7#、9#、31#槽孔壁發(fā)生了較嚴(yán)重的坍塌現(xiàn)象,除地層因素及后期水位上漲外,由于時(shí)間過(guò)緊未進(jìn)行碾壓是重要原因。

導(dǎo)墻和施工平臺(tái)共同保護(hù)孔口土體的穩(wěn)定,同時(shí)考慮到本次試驗(yàn)防滲墻深度超過(guò)130 m,接頭孔采用拔管法施工,導(dǎo)墻必須能承受＞400 t拔管壓力,施工平臺(tái)及導(dǎo)墻均采用了超常規(guī)加固處理,采用了C35鋼筋混凝土,“L”形斷面,底板厚度達(dá)50 cm。試驗(yàn)結(jié)果表明,29#槽雖然導(dǎo)墻下部坍塌較嚴(yán)重,但承受住了113.03 m國(guó)內(nèi)目前拔管深度和相應(yīng)壓力。

4.3 造孔工藝

目前,國(guó)內(nèi)外防滲墻造孔成槽工藝主要采用“鉆抓法”、“鉆劈法”、“純抓法”、“純銑法”等[5],考慮到該工程特有地質(zhì)情況、墻體深度、設(shè)備能力等,對(duì)于29#槽、27#成槽采用了不同成槽工藝試驗(yàn),其它各一期槽段均采用了CZ-9和CZ-7沖擊鉆機(jī)施工。29#槽孔開(kāi)挖過(guò)程中,主孔采用了CZ-7沖擊鉆機(jī),副孔孔深22 m以下為CZF-1500型沖擊反循環(huán)鉆機(jī)造孔,直至終孔深度,小墻及回填采用CZF-1500鉆機(jī)進(jìn)行泵吸和氣舉反循環(huán)出渣。按原設(shè)計(jì),主孔鉆至終孔深度后,2 m寬的副孔擬采用HS843HD抓斗抓取到80 m～100 m或更深,以提高整個(gè)成槽工效。但試驗(yàn)過(guò)程中,由于孔深22 m～30 m為孤石,孔深30 m～60 m左右存在膠結(jié)層,抓斗施工到22 m后工效極低,故自孔深22 m后改用CZF-1500鉆機(jī)施工副孔,直至113.6 m終孔深度。為加快試驗(yàn)施工進(jìn)度,1-2#和3-3#小墻再次由HS843HD抓取。由于膠結(jié)層的存在,抓取效率甚低,至孔深62 m后選用CZF-1500鉆機(jī)施工剩余小墻及回填。27#槽的主孔采用CZ-7和CZ-A沖擊鉆機(jī)鉆至終孔深度(125 m),副孔先由CZ-A沖擊鉆機(jī)鉆至59 m后改用新型CZF-1500型泵吸反循環(huán)施工,至孔深88m后再由CZ-A鉆機(jī)鉆至終孔深度。

4.4 槽孔終孔檢驗(yàn)及終孔驗(yàn)收

槽孔終孔后進(jìn)行槽孔各部位的深度和孔斜檢驗(yàn),驗(yàn)收方法為重錘法[6],檢驗(yàn)結(jié)果表明槽孔偏斜率基本控制在4‰以內(nèi),只有極少數(shù)的點(diǎn)超出4‰的控制范圍。清孔換漿采用氣舉反循環(huán),清孔換漿結(jié)束后1 h,要求槽孔內(nèi)淤積厚度不大于10 cm,泥漿密度不大于1.15 g/cm3,泥漿粘度不小于32 s(馬氏),含砂量不大于6%。

4.5 混凝土施工

4.5.1 混凝土配合比

擬定混凝土配合比試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),并進(jìn)行室內(nèi)配合比試驗(yàn)?；炷敛捎萌斯ぐ韬?試驗(yàn)配合比中各組材料一并加入拌和,拌和時(shí)間 3 min,試件采用人工插搗成形,靜置36 h后拆模,并移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期,進(jìn)行硬化混凝土性能試驗(yàn),另外模仿了水下混凝土澆注的條件并進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)[7],見(jiàn)表3。試驗(yàn)證明混凝土28 d抗壓強(qiáng)度不小于28 MPa,抗?jié)B標(biāo)號(hào)為W12,坍落度保持150 mm以上的時(shí)間不小于1 h,初凝時(shí)間不小于6 h,終凝時(shí)間不大于24 h。混凝土配合比見(jiàn)表4。

表3 混凝土凝結(jié)時(shí)間

表4 混凝土施工配合比

4.5.2 混凝土澆筑

混凝土澆筑導(dǎo)管采用快速絲扣連接的Φ 250 mm的鋼管,導(dǎo)管接頭設(shè)有懸掛設(shè)施。每個(gè)槽段布設(shè)2根導(dǎo)管,導(dǎo)管距槽孔端部或接頭管壁距離保持在1.0 m～1.5 m,導(dǎo)管間距不大于5.0 m,當(dāng)孔底高差大于25 cm時(shí),導(dǎo)管中心置放在該導(dǎo)管控制范圍內(nèi)的最低處。導(dǎo)管底口距槽底距離控制在15 cm～25 cm?；炷灵_(kāi)澆時(shí)采用壓球法,連續(xù)澆筑,槽孔內(nèi)混凝土上升速度不小于2 m/h,并連續(xù)上升至高于設(shè)計(jì)規(guī)定的墻頂高程以上0.50 m。

4.5.3 混凝土接頭孔施工

混凝土接頭拔管法試驗(yàn)在一期槽DB—29#槽的兩端即1#和3#孔進(jìn)行,拔管機(jī)為中國(guó)水利水電基礎(chǔ)工程局專(zhuān)利產(chǎn)品BG420/100卡鍵式深孔液壓拔管機(jī)。1#孔孔深153.3 m,接頭管下設(shè)深度為109 m,3#孔孔深110m,接頭管下設(shè)深度為113.6 m。接頭管拔管兩端同時(shí)進(jìn)行,采用“慢速限壓拔管法”[8],拔管力穩(wěn)定正常,最大拔管力2 100 kN,平均拔管力1 350 kN,導(dǎo)向槽等未出現(xiàn)異常情況。拔管全部結(jié)束后,對(duì)接頭孔深度進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果表明1#和3#接頭孔沒(méi)出現(xiàn)混凝土跨塌現(xiàn)象,拔管成孔孔形合格,再一次刷新了拔管紀(jì)錄。

4.6 混凝土施工質(zhì)量

每次防滲墻槽孔澆筑時(shí)都在拌和站機(jī)口取混凝土試樣,對(duì)試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B和彈性模量等試驗(yàn)。該試驗(yàn)槽段共取了10組試樣,物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果:抗壓強(qiáng)度平均值 34.15 MPa,最小值為33.1 MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為2.1MPa,強(qiáng)度保證率99.9%,抗?jié)B等級(jí)均大于W12,混凝土性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求,達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

瀘定水電站大壩防滲墻試驗(yàn)段于2008-03-07正式開(kāi)鉆施工,2008-04-09完成DB—29#槽段主孔施工,2008-05-15完成DB—29#槽段副孔施工,2008-05-18 DB—29#槽段澆筑成墻,克服了地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,覆蓋層深厚,工期緊等困難,對(duì)超深防滲墻的關(guān)鍵技術(shù)和工藝進(jìn)行了探索,期間經(jīng)受了汶川地震的考驗(yàn),獲取了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù),取得了系列科研成果,創(chuàng)造了數(shù)項(xiàng)國(guó)內(nèi)新記錄,使我國(guó)的防滲墻處理技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。為保證復(fù)雜地層中的深防滲墻施工質(zhì)量,要注意以下幾點(diǎn):

(1)大深度防滲墻施工中,固壁泥漿的性能至關(guān)重要,MMH正電膠漿液具有較好的流變性和穩(wěn)定性以及良好的攜屑、懸屑能力,在松散及強(qiáng)漏失地層能有效封堵滲漏維護(hù)孔壁穩(wěn)定,具有良好的應(yīng)用前景。

(2)重視防滲墻施工上部地層的處理,對(duì)于水下回填層及松散漏失地層,預(yù)灌濃漿是有效的處理手段,可大大降低成槽過(guò)程中的漏漿及塌孔概率。

(3)混凝土接頭施工是影響防滲墻質(zhì)量和工效的關(guān)鍵環(huán)節(jié),拔管法施工是混凝土接頭施工的最有效的手段,由于深孔拔管難度大,選擇新型高效的拔管機(jī)型,把握好拔管時(shí)機(jī),控制混凝土澆筑速度,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拔管力的變化是保證拔管施工的關(guān)鍵。

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