塑性混凝土防滲技術(shù)在大坑水庫中的應用

林國贊

(廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司,廣東 臺山 529200)

?

塑性混凝土防滲技術(shù)在大坑水庫中的應用

林國贊

(廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司,廣東 臺山 529200)

結(jié)合坑水庫大壩防滲加固工程的成功實例,闡述塑性混凝土防滲墻施工的方案比選、工藝流程、過程控制以及結(jié)果檢驗等應用技術(shù),總結(jié)防滲墻施工過程中需注意的關鍵技術(shù)和問題。

塑性混凝土防滲墻； 加固壩體； 防滲漏處理； 應用技術(shù)

1 工程概況

廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司位于珠江口以西60 km沿海銅鼓灣,總裝機容量為5 000 MW,為特大型火力發(fā)電廠。大坑水庫是電廠配套工程,擔負電廠的淡水供給及周邊農(nóng)田灌溉之重任。水庫位于電廠北3 km,總庫容為860萬m3,大壩為均質(zhì)土壩,壩頂長為280 m,壩頂高為55 m,壩頂寬為8 m。該水庫1999年2月開工興建,2001年9月竣工投入使用,2006年2月委托專業(yè)機構(gòu)對大壩進行安全性檢查評價,安全鑒定為二類壩,基本滿足運行要求,但大壩浸潤線偏高,下游坡面滲水點比較多,一級、二級馬道排水溝長年有水溢出,壩體長期處于滲漏狀態(tài)對運行安全不利,需對大壩進行防滲處理。

2 地質(zhì)情況[1]

為了查明大壩滲水原因和滲水點位置,2008年委托有關單位通過物探、坑探、鉆探、地質(zhì)測繪以及現(xiàn)場和室內(nèi)試驗等方法對大壩進行了詳細勘察,主要成果如下。

2.1壩基及壩肩的地質(zhì)情況

壩基為弱風化粗粒黑云母花崗巖,壩肩為全風化或強風化巖,基建期均已做灌漿處理,其中,全風化巖層的承載力標準值為250～350 kPa；強風化巖層的承載力標準值為450～650 kPa；弱風化巖層,巖石堅硬,透水率q=3～8 Lu,所以,整個壩基及壩肩均可視為不透水層。

2.2壩體的地質(zhì)情況

1) 壩體回填土主要來源于就近山體的花崗巖風化土和少量坡積土,多呈粘土質(zhì)砂、粉土質(zhì)砂和含砂低液限粘性土,土質(zhì)均勻性稍差,見圖1粒徑分布曲線,根據(jù)顆分曲線,壩體填土在0.25～0.05 mm之間的顆粒含量偏少,是造成壓實困難的主要因素。

圖1 土質(zhì)顆粒分布曲線

2) 通過54次的標準貫入試驗,標貫擊數(shù)N=8～24擊,呈松散～稍密狀,局部呈中等密實,總體來看,壩體填土的密實度比較差,施工時填土壓實度未達到原設計要求。

3) 通過31組快剪試驗,其主要物理力學性質(zhì)指標為：天然含水率W=19.3%,天然重度γ=18.7 kN/m3,干重度γ=15.7 kN/m3,孔隙比e=0.664,塑性指數(shù)Ip=17.3,壓縮系數(shù)av=0.38 MPa-1,體現(xiàn)為中壓縮性土。

4) 根據(jù)現(xiàn)場43段注水試驗結(jié)果,滲透系數(shù)K=1.378×10-3～2.271×10-5cm/s,表明壩體填土層多為中等透水性土,夾有強透水性土,是導致大壩滲漏嚴重的直接原因。

3 處理方案比選[2]

根據(jù)大坑水庫是電廠唯一淡水水源、不可間斷運行的特點,結(jié)合過往類似工程的成功經(jīng)驗,提出了3種比選方案：高壓噴射灌漿、劈裂灌漿、塑性混凝土防滲墻,其技術(shù)經(jīng)濟比較如下。

3.1高壓噴射灌漿方案

高壓噴射灌漿技術(shù)是利用鉆機造孔,然后把帶有噴頭的灌漿管下至土層的預定位置,高壓把漿液從噴嘴中噴射出來,利用射流作用切割、攪拌土層,改變原土層的結(jié)構(gòu)和組成,同時灌入水泥漿或混合漿形成凝結(jié)體,以此達到防滲的目的。高壓噴射灌漿技術(shù)具有可控性好、工效高、操作靈活等優(yōu)點。不足之處：①受高水頭影響比較大,會造成防滲漿液流失,降低防滲效果；②處理深度一般不宜超過40 m,而本工程最大處理深度達50 m；③施工工期比較長,造價較高。

3.2劈裂灌漿方案

劈裂灌漿是通過鉆孔向壩體內(nèi)灌注漿液,施加0.1～0.4 MPa靜壓力,具有一定壓力的漿液將土體中的空隙填充密實,或?qū)Ρ∪醯耐馏w劈裂開來,然后填充密實,通過漿、土互壓和壩體的濕陷固結(jié)等作用,形成豎直連續(xù)的漿體防滲帷幕。劈裂灌漿法具有機理明確、技術(shù)成熟、工藝簡單、投資省等優(yōu)點,在全國病險水庫和堤防的除險加固中應用非常廣泛。不足之處：①受高水頭影響,降低防滲效果；②處理深度也不容易達到本工程所要求的50 m；③由于灌漿壓力屬于封閉式壓力,容易造成冒漿,污染庫水水體。

3.3塑性混凝土防滲墻方案

塑性混凝土是一種水泥用量較少并加入了膨潤土(有時摻加粘土、粉煤灰)的混凝土,其水泥膠結(jié)物的粘結(jié)力低,具有強度低、塑性大等特點。主要施工流程是：由專用的機械設備挖掘槽孔,在槽孔內(nèi)注滿泥漿,以防孔壁坍塌,最后用導管在槽孔中灌注塑性混凝土,置換出泥漿,筑成連續(xù)墻體。由于塑性混凝土的彈性模量很低,僅為250～600 MPa,相反,塑性混凝土的極限應變值(e=1%)比普通混凝土(e=0.08% ～0.3%)大得多,通俗來說就是比較柔軟,使得塑性混凝土具有與土層形態(tài)非常相似的應力應變曲線,可與土壩協(xié)同工作,不容易造成約束裂縫。塑性混凝土防滲墻具有適用于高水頭、質(zhì)量容易保證、施工工期短、防滲效果直觀可靠等優(yōu)點,不足之處：液壓抓斗臺車機購置費比較高,工程造價略微偏高。

3.4方案比選

上述3種方案在技術(shù)上都成熟、可行、可靠,也得到廣泛的應用。本項目本著 “全壽命周期內(nèi)效益最大化”的理念,從施工技術(shù)、防滲效果、經(jīng)濟性、質(zhì)量可靠性、施工工期以及施工對庫水位的要求和對水庫水質(zhì)的影響等方面進行綜合考慮,見表1。

經(jīng)過專家多次進行評審,最后選定：大壩主體采用塑性混凝土防滲墻方案,在穿越供水管、導流涵以及溢洪道處,由于防滲墻無法施工,故采用劈裂灌漿作為輔助處理方案。

表1 防滲處理方案比選

4 本工程塑性混凝土防滲墻施工工法

4.1工程簡況

本工程需施工的塑性混凝土防滲墻總長為274 m,其中,左壩段長87 m、右壩段長67 m,合計134 m,墻深度≤40 m,采用60 cm厚防滲墻；河床中段120 m,墻深度>40 m,采用80 cm厚防滲墻。防滲墻軸線在大壩上游側(cè),距壩軸線2.0 m。

為保證施工質(zhì)量及安全,按照設計要求,在塑性混凝土防滲墻施工期,水庫水位控制在46.0 m以下。

4.2塑性混凝土主要技術(shù)指標

1) 容重不小于20 kN/m3；

2) 彈性模量E=250～600 MPa；

3) 抗壓強度≥1.0 MPa；

4) 抗拉強度≥0.3 MPa；

5) 滲透系數(shù)K≤5×10-7cm/s;

6) 深度要求：防滲墻底部要求到達原有河床混凝土灌漿壓板面,或進入中強風化巖不小于0.8 m,或全風化巖不小于3 m。

4.3施工機械設備

本工程采用的主要施工機械設備,見表2。

表2 主要施工機械設備

4.4防滲墻施工工藝流程

防滲墻施工工藝流程,見圖2：

圖2 防滲墻施工工藝流程示意

4.5導向槽施工

導向槽主要是起到墻軸線定位、支承拔管機以及保護槽口的作用。采用C15鋼筋混凝土,河床段防滲墻厚800 mm段導向槽間距為900 mm,斷面為0.7 m×1.5 m矩型結(jié)構(gòu),布設4根Φ25螺紋鋼筋；岸坡段防滲墻厚600 mm段導向槽間距為700 mm,斷面為0.5 m×1.2 m矩型結(jié)構(gòu),布設4根Φ25螺紋鋼筋,見圖3。

圖3 導向槽截面示意

4.6護壁泥漿液制備

4.6.1漿液系統(tǒng)設置

在距壩頂150 m上壩公路旁建制漿站,供應防滲墻造孔護壁泥漿。泥漿站內(nèi)設置2臺ZJ-800型旋流式高速泥漿攪拌機,泥漿池容積400 m3,生產(chǎn)能力20 m3/h,供漿管用Φ150鋼管引至施工部位,輸漿干管沿防滲墻軸向全程敷設,每隔50 m設一閥門,作供應新鮮漿液或回收漿液之用。

4.6.2泥漿原材料選用

本工程采用Ⅱ級鈣基膨潤土泥漿進行護壁,分散劑為工業(yè)碳酸鈉(Na2CO3),降失水增粘劑為中粘類羧甲基纖維素鈉(CMC),采用水庫水源。

4.6.3泥漿配合比

根據(jù)設計要求、施工規(guī)范以及以往的施工經(jīng)驗,確定泥漿配合比,見表3。

表3 泥漿配合比

4.6.4泥漿制作、儲備與檢驗

1) 泥漿拌制選用高效、低噪音的NJ-800型高速回轉(zhuǎn)攪拌機。

2) 按比例放進膨潤土、水及外加劑等材料進行攪拌,每罐膨潤土漿的攪拌時間為3～5 min,各種材料的加量誤差不得大于5%。

3) 新制膨潤土泥漿檢測合格后方可使用,檢測項目及主要技術(shù)指標,見表4。

表4 新制膨潤土泥漿性能指標

4.6.5泥漿使用

1) 新制膨潤土泥漿需存放24 h,經(jīng)充分水化溶脹后方可使用。

2) 在儲漿池內(nèi)底部設置花管,經(jīng)常輸入壓縮空氣對泥漿進行攪動,保持泥漿均一,避免沉淀或離析。

3) 用泥漿泵將新鮮漿液輸送到現(xiàn)場造孔使用,澆筑混凝土時又將置換出來的漿液反送回來,經(jīng)過篩子再進入儲漿池,被污染嚴重的漿液,予以廢棄。

4.7造孔設備選用

本工程造孔設備選用GB 24型液壓抓斗臺車,開斗寬為2.8 m,可以提升重型斗體,直接沖抓具有一定密實程度的土層,主要特點有：

1) 施工時操作簡便,履帶行走,方便野外施工。

2) 主機均裝有自動測斜、糾偏、測深等裝置,能保證成槽尺寸準確,垂直偏差小、成槽精度高。

3) 自動化程度高,勞動強度低,挖掘工效高,施工工期短。

4) 可廣泛應用于多種軟土地基,如素填土、沖積土、砂性土等,如果地層中含有較大的卵石、漂石時,可利用抓斗進行擊碎處理。

4.8防滲墻成槽施工

4.8.1槽段劃分

根據(jù)土層條件及作業(yè)機械,本標段防滲墻共劃分為40個單元槽段,Ⅰ期槽段長為7.8 m,Ⅱ期槽段長為7.4 m,見圖4,施工中槽孔劃分根據(jù)現(xiàn)場實際情況可靈活調(diào)整。

圖4 槽段劃分示意

4.8.2成槽方法

防滲墻施工采用液壓抓斗臺車抓挖成槽,施工一期槽先抓邊孔,再抓中間孔；施工二期槽先抓中間孔,再抓邊孔。

4.8.3終孔原則

大壩底部有灌漿帷幕段,防滲墻底部接觸至灌漿帷幕壓板為止；沒有灌漿帷幕段,防滲墻底部深入中強風化0.8 m或全風化3 m。

4.8.4終孔驗收

槽孔終孔后,終孔深度由監(jiān)理工程師對孔深、孔斜、孔型進行驗收。采用“重錘法”進行孔斜測量,用相似三角形計算槽孔傾斜度。驗收質(zhì)量標準：①槽壁平整垂直,無小墻；②孔位允許偏差不大于3 cm；③孔斜率不得大于4‰；④槽孔深度(包括入巖深度)滿足設計要求。

4.8.5清孔驗收

采用抓斗進行孔底淤積,清孔時需及時補充新漿,確?？妆诓凰?、掉塊。清孔質(zhì)量要求如下：①孔底淤積厚度不大于100 mm；②槽內(nèi)泥漿密度不大于1.15 g/cm3, 500/700漏斗黏度不大于30 s,含砂率不大于6%；③Ⅱ期槽清孔換漿前,應用鋼刷子鉆頭清除Ⅰ期槽壁上的泥皮,以刷子上基本不帶泥屑、孔底淤積不再增加為止。

4.9塑性混凝土制備

4.9.1材料選用及配合比[3]

根據(jù)設計要求,委托專業(yè)混凝土試驗檢測機構(gòu)進行了塑性混凝土配合比設計,按28 d室內(nèi)試驗成果,本工程推薦配合比如表5所示,施工時根據(jù)現(xiàn)場材料性能進一步優(yōu)化設計。

表5 塑性混凝土推薦配合比

4.9.2混凝土攪制

本工程塑性混凝土約6 000 m3,系統(tǒng)生產(chǎn)能力按50 m3/h高峰強度設計,選用HZS 50型混凝土攪拌站。由于壩面場地狹小,攪拌站設置在大壩底部,采用Ф 273管(卡頭連接),經(jīng)兩級泵送至壩頂澆筑現(xiàn)場。

4.9.3水下混凝土澆筑

本項目塑性混凝土澆筑采用水下直升導管法,主要工序如下。

1) 泵送到槽段口的混凝土,經(jīng)儲罐箱均勻分配給2根Ф 215的直升導管,開澆前在導管內(nèi)放入一直徑比導管內(nèi)徑略小、能被泥漿浮起的隔離塞球,以便將最初進入導管中的混凝土和管內(nèi)的泥漿隔離開來。

為確保開澆后能使混凝土一舉將導管下口封住,根據(jù)本工程槽段長度,首次混凝土澆筑方量不少于 6 m3,開澆成功后導管應迅速加大埋深,直至不小于1.0 m。

2) 混凝土嚴格按照設計調(diào)整施工配合比,并定時在攪拌機出口檢查混凝土擴散度(34～40 cm)和塌落度(20～24 cm),檢測合格后方可澆筑。

3) 澆筑過程中,混凝土面的上升速度不得大于2 m/h；導管埋入混凝土的深度不得小于1 m,不宜大于6 m；混凝土面應均勻上升,各處高差控制在50 cm以內(nèi)。

4) 澆筑過程中,至少每隔30 min測量一次槽孔內(nèi)和導管內(nèi)的混凝土面高度,及時填繪混凝土澆筑指示圖。

當槽孔中泥漿的含砂量較大,在用測餅測量混凝土表面時,要特別注意測餅是否真正到達混凝土表面。不能確定混凝土面得情況下,用帶有倒刺的粗鋼筋插入混凝土面一定深度然后提出,根據(jù)倒刺中是否留有新鮮混凝土以判定真正的混凝土面高程。

5) 混凝土終澆高程應滿足設計要求,不得欠澆。

4.9.4混凝土澆筑過程控制

1) 嚴格控制混凝土面的上升情況,當發(fā)現(xiàn)澆入的混凝土量與混凝土上升高度不相符時,要立即查明原因,避免導管拔離混凝土面。

2) 根據(jù)槽內(nèi)混凝土面的上升情況及時調(diào)整各導管的混凝土澆入量,保證混凝土面的均勻上升。

3) 當混凝土澆筑不暢通時,常需上下抖動導管,但抖動上提的幅度不應超過30 cm。

4) 澆筑工作一旦開始就必須連續(xù)進行,中途因故停等不宜過長,以防由于混凝土坍落度損失過大造成堵管,影響混凝土澆筑。

4.9.5防滲墻槽段連接

兩期槽段的連接采取接頭管法,即在清孔換漿結(jié)束后,在Ⅰ期槽兩端下設接頭管,孔口固定,在混凝土澆筑過程中,根據(jù)混凝土初凝時間和混凝土面上升速度及上升高度起拔接頭管,一般初拔時間為6～8 h。Ⅰ期槽澆筑并拔管后,接頭管部位形成Ⅱ期槽端孔,Ⅱ期槽澆筑混凝土后即可連接成墻。接頭管分節(jié)安裝,插銷連接,采用液壓拔管機起拔。

4.9.6特殊情況的處理與技術(shù)措施

1) 造孔嚴重漏漿處理：造孔中發(fā)生漏漿可采用回填膨潤土粉、草末、稻殼、孔底注水泥濃泥漿、灌注低標號混凝土等措施進行堵漏,必要時可回填槽孔。

2) 造孔遇到大塊石：首先利用抓斗的自重,提起1～2 m落下進行沖擊,擊碎并抓出塊石。如不可行,則改用沖孔樁機進行處理。

3) 澆筑事故處理：發(fā)生導管堵塞、拔脫或?qū)Ч芷屏训葐栴}時,需重新吊放導管,操作時注意核對混凝土面高程及導管長度,確認導管安全插入深度,將導管內(nèi)泥漿抽盡即可繼續(xù)澆筑。如發(fā)生斷層事故,采用清除槽內(nèi)已澆混凝土,重新清孔澆筑。

4.10施工檢測[4]及治理效果

4.10.1混凝土性能試驗結(jié)果

施工期間委托試驗室進行塑性混凝土彈性模量試驗4組,抗壓強度試驗59組,抗?jié)B性試驗14組,結(jié)果見表6。

表6 塑性混凝土試驗性能統(tǒng)計

4.10.2現(xiàn)場注水試驗

防滲墻成墻28 d后,按《水電水利工程混凝土防滲墻施工規(guī)范》(DL/T 5199—2004)要求進行鉆孔注水檢查,共布置3個檢查孔,分別在10#槽與11#槽接縫處、18#槽與19#槽接縫處和30#槽內(nèi)。注水試驗共檢查21段次,滲透系數(shù)K=1.048×10-7～2.998×10-7cm/s,滿足設計滲透系數(shù)K≤5×10-7cm/s的要求。

4.10.3治理效果

1) 總體效果：原大壩下游坡出溢點較多且高,一級、二級馬道排水溝長年有水溢出,防滲墻施工期間及完成,自8—11月連續(xù)觀查,一級馬道已無水溢出,二級馬道及坡面溢出水大量減少,坡面的漏點大部分徹底干枯,剩余漏點的滲流量也大為減少,總體治理效果明顯。

2) 測壓管情況：根據(jù)大壩下游坡面10個測壓管的監(jiān)測結(jié)果顯示,防滲墻施工完畢,管內(nèi)水位最大下降達152 cm,大壩滲水情況有明顯的改善,大壩的整體穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定得到了很明顯的提升。

5 幾點體會

1) 方案選擇需謹慎。由于水庫滲漏處理一般都是在水庫正常運行中進行施工的,方案的選擇不僅涉及到方案本身的可行性,影響他的治理效果,更重要的是關系到周邊群眾生命財產(chǎn)安全,所以,在選擇處理方案時必須慎重,要經(jīng)過多方案對比,必要時應組織專家進行專題評審,確保方案可行、可靠。

2) 防滲墻施工成功的關鍵是造孔工藝的選擇。在選擇造孔方法之前,需做好充分的前期準備工作,翻閱所有竣工資料,主要是摸清壩體的地質(zhì)地貌,包括原基建期間基底的處理情況,然后,才能有針對性地選擇最合適的造孔施工機械和工藝。

3) 塑性混凝土的質(zhì)量是防滲墻施工的核心技術(shù)問題。塑性混凝土應具有高應變低強度的特性,同時要求有良好的防滲性能。所以,其材料的選擇和配合比設計至關重要,開工前必須送樣委托專門機構(gòu)進行配比試驗,攪拌時應根據(jù)實際條件進行施工配比調(diào)整,加強過程監(jiān)控,按規(guī)范進行抽查試驗,確保塑性混凝土的施工質(zhì)量。

6 結(jié)語

塑性混凝土防滲墻是一種成熟的截流防滲技術(shù)方案,具有施工可操作性強、工藝直接明了、質(zhì)量容易保證、防滲效果明顯等特點,建議在今后類似工程中進一步推廣應用。

[1] 姚凱. 臺電大坑水庫滲水處理工程地質(zhì)勘察報告[R].廣州:廣東省水利電力勘測設計研究院,2008．

[2] 陳翰鋒.塑性混凝土防滲墻在某核電站基坑防滲中的應用[J].廣東水利水電,2010(7):65-66．

[3] 程瑤.塑性混凝土配合比試驗研究及應用[J].長江科學院院報,2002,19(5):62-64．

[4] 于玉貞,濮家蹓,劉鳳德.土石壩基礎塑性混凝土防滲墻材料力學特性研究[J].水利學報,1995,26(8):21-27．

(本文責任編輯 王瑞蘭)

Application of Plastic Concrete Cutoff Wall to Dakeng Reservoir

LIN Guozan

Guangdong Guohua Yuedian Taishan Power Generating Co.,Ltd，Taishan 529200, China)

With the successful reinforcement experience of Dakeng reservoir dam, the application techniques about scheme comparison, technology plow, process control and result check are analyzed, meanwhile, the key techniques and relative problems within the construction process of anti-seep wall are summarized.

plastic-concrete anti-seep wall； reinforcement dam；anti-seep management； application technique

2016-05-15;

2016-06-17

林國贊(1967),男,本科,高級工程師,從事土建工程技術(shù)管理工作。

TV543.+82