淺談水庫大壩防滲墻混凝土加固與設(shè)計策略

粟強 湖南省溆浦縣劉家坪水電站

水利建設(shè)是我國基礎(chǔ)建設(shè)的項目之一，而水庫大壩作為重要水工建筑物在水利樞紐工程的作用尤為重要，特別是土石壩中防滲墻施工與設(shè)計是水庫大壩建設(shè)中的重要一環(huán)，重視對水庫大壩防滲墻混凝土加固施工作業(yè)及設(shè)計的優(yōu)化，以體現(xiàn)技術(shù)競爭力。文章將對水庫大壩混凝土防滲墻施工和設(shè)計的技術(shù)要點展開分析探討，在后續(xù)工作過程中，望能夠起到一定借鑒作用。

1.防滲墻槽孔施工工法對比

（1）沖擊式鉆進法。

所謂沖擊式鉆進法，主要是指以曲柄連桿機構(gòu)為基礎(chǔ)，通過回轉(zhuǎn)運動向反復(fù)運動的變化去完成鉆頭提升與下放的鉆進手段。這項技術(shù)主要利用鉆頭提升之后自由下落的重力去達(dá)成對孔底土層進行沖擊的目標(biāo)，破碎土層，完成鉆進，并且要利用一定濃度的泥漿形成護壁，孔壁在泥漿的壓力作用之下，坍塌的可能性會更小，并且能夠避免出現(xiàn)滲漏問題。在孔底的鉆渣逐漸增加之后,要在掏渣后將抽筒放入，混凝土澆筑要在成孔后開始，一般可以利用水下直升導(dǎo)管法去完成?；炷翂w可依靠混凝土重量與自流平特性去形成，為了連接墻段，可使用鉆鑿法去完成。在工程領(lǐng)域當(dāng)中，沖擊式的鉆進法是最早采用的方法，這一方法在各類環(huán)境下，包括礫石、卵石、軟硬巖及砂層當(dāng)中，都能夠適用，但是實際操作時工效相對較低。一般來說，鉆進所使用的鉆具，其結(jié)構(gòu)包括鉆頭與抽筒兩個部分，其中鉆頭可以分為十字、一字、圓鉆頭、角錐鉆頭及空心鉆頭等等，根據(jù)不同的施工需求靈活應(yīng)用。

（2）沖擊式反循環(huán)鉆進法。

所謂沖擊式反循環(huán)鉆進法，主要是基于沖擊式鉆進法進一步發(fā)展出的鉆進法。在使用沖擊式循環(huán)鉆進法開展施工時，需要事先將排渣管設(shè)置在空心套筒式鉆頭的中心部分，而且在實際施工過程中，要利用反循環(huán)砂石泵把循環(huán)漿液與鉆渣打進排渣管與循環(huán)管路,持續(xù)從孔底抽入安設(shè)于地面的泥漿凈化裝置，以達(dá)成凈化目標(biāo)。在完成凈化過程之后，泥漿通過循環(huán)漿池輸入槽孔，便能夠循環(huán)使用。在完成循環(huán)之后，便要開始鉆進及排渣兩個環(huán)節(jié)，直至完成造孔作業(yè)。一般來說，在實際施工過程中，利用反循環(huán)的出渣方式能夠有效提升鉆進速度，保證鉆進的高效完成。沖擊式反循環(huán)鉆機這一施工設(shè)備，最早的開發(fā)時間是在五十年代，而研發(fā)的地點是在法國，我國在九十年代研發(fā)了CZF-1200型沖擊式反循環(huán)鉆機,并且推動了后續(xù)更多新型號鉆機的開發(fā)，隨著工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展，我們依然要對相關(guān)設(shè)備進行更新與完善，以滿足新時代的施工需求。

（3）射水法。

這一方法主要的運作原理是利用水泵送水，將水送至成形器當(dāng)中的射水裝置，進而形成高速射流，借助成形器與導(dǎo)水管的沖擊力，以及下移動時成形器內(nèi)刀片的切削等作用，能夠?qū)ν翆拥恼w結(jié)構(gòu)進行破壞，在水土混合回流后，泥沙會溢出地面，利用卷揚機操作成形器，經(jīng)過上下方向的不斷移動，借助切削的方式可以完成孔壁整修，能夠形成更加規(guī)則的槽孔，此外利用一定濃度的泥漿能夠形成高強度的護壁。在成孔過程結(jié)束之后，開展混凝土澆筑工作可以利用水下直升導(dǎo)管的方法去完成，依靠混凝土的重量與自流平特性形成墻體，對于一期操控混凝土側(cè)面可以利用成形器去完成側(cè)向水噴嘴沖洗，這樣能夠保證一期與二期的混凝土連接更加緊密，進而提升防滲墻的強度。這種施工手段一般情況下在針對粒徑不足10cm的粉土、黏土、砂土等地基更為適用，施工效率高且成本較低。

（4）鋸槽法。

所謂鋸槽法，其運作原理主要是利用鋸槽機帶動鋸管鋸去完成地層的切割，形成規(guī)則的槽孔，并且使用泥漿去形成護壁。要事先將排渣管設(shè)置在鋸管上，利用反循環(huán)砂石泵完成出渣過程,再利用混凝土等材料完成護壁泥漿的置換,利用這樣的材料能夠最終形成強度更高且防滲效果更加理想的連續(xù)墻體。這一施工方法一般情況下在對松散的粉土、砂土及粘土地基開展施工時往往會有更加理想的施工效果。

（5）抓斗挖槽法。

所謂抓斗挖槽法，其主要的運行原理是利用蚌式（即蛤式）抓斗的機械作用，結(jié)合斗體的本身重量，通過開閉斗門的方式抓取土體，把土帶出孔外，并且利用泥漿形成護壁，以保證墻壁整體性的挖槽方式。在成孔之后，混凝土澆筑可以利用水下直升導(dǎo)管法去完成，混凝土依靠本身的重量與自流平特性形成墻體，一般情況下，可以利用接頭管或是接頭管去完成各個墻段之間的連接。這一施工方式一般情況下適用于多種土層以及軟巖,對于含小漂石與石塊的地基來說，在挖槽過程中的使用效果更為理想。隨著技術(shù)的不斷革新，新型的抓斗已經(jīng)能夠調(diào)整斗體的角度，因為多配有測斜與糾偏的裝置，能夠保證挖槽的垂直精度得到進一步提升。這一挖槽方式的主要優(yōu)勢是墻體的整體性高，厚度合理、適用的地層也廣泛，施工效率更高。一般情況下，在黏土層當(dāng)中，液壓抓斗的工效顯然更高。最早的施工過程中，抓斗是利用鋼絲繩去完成懸掛并且完成控制的，自六十年代的后期，液壓抓斗便開始在施工過程中投入使用。依照抓斗的結(jié)構(gòu)特點對于抓斗進行分類，可分為液態(tài)抓斗、混合式抓斗、鋼絲繩抓斗、導(dǎo)桿式抓斗等多個類別,以滿足不同的施工需求。

（6）雙輪銑槽法。

所謂雙輪銑槽法，其主要的運作原理是利用機架上所安裝的兩個鼓輪的反向轉(zhuǎn)動，通過齒輪上的切刀完成地層的切割、旋銑、擠碎,在土層松動之后，利用泵將碎砂土塊泵抽至地面,并且利用泥漿形成護壁的方法。在槽孔形成之后，混凝土澆筑作業(yè)可以領(lǐng)水下直升導(dǎo)管法去完成，依靠混凝土本身的重量與自流平特性，能夠形成混凝土墻體，可以利用雙輪銑槽機去對墻段連接的切割。在一、二序墻段的連接過程中，一般無需使用特殊的封堵手段或是專門連接件便能夠完成墻段的接頭。一般情況下，這一施工手段適用于多種土層及軟巖,在安設(shè)特制的滾輪銑刀之后，對于堅硬巖石也有鉆進能力。為了保證作業(yè)的精準(zhǔn)度，可以使用導(dǎo)向調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電子測斜裝置與角度可控的鼓輪旋銑器去開展作業(yè)，能夠確保精度的進一步提升。這樣的施工方式有十分明顯的優(yōu)勢，包括墻體的整體性高、厚度合理、適用單位大、成槽深等等，所以在實際施工過程中有著很大的應(yīng)用優(yōu)勢。

（7）兩鉆一抓法。

所謂兩鉆一抓法，是沖擊式鉆進與抓斗挖槽兩類施工手段結(jié)合后的產(chǎn)物。其主要的運作原理是首先使用沖擊反循環(huán)鉆機或是傳統(tǒng)沖擊鉆機去完成相鄰兩個主孔的鉆進。在完成開孔后，再利用抓斗去對中間副孔進行抓取的施工方法。在此基礎(chǔ)上進一步改進，便衍生出了兩鉆三抓這一方法。兩種方法各自有不同的適用范圍以及優(yōu)勢。在對施工方法與設(shè)備進行選擇時,為了保證適用性，應(yīng)當(dāng)主要考慮壩基、壩體填充料、壩肩地層、巖層特性、地質(zhì)水文環(huán)境等要素的影響。除此之外，在實際開挖過程中，對于開挖的寬度、深度、強度，設(shè)備的適用條件等也要多加注意。為了真正滿足實際施工需求，必須要做到針對性選擇，才能夠避免因施工手段不合理而阻礙施工。

2.防滲墻施工布置注意要點

在水庫大壩的防滲墻加固與防滲處理過程中，特別是防滲布置過程中，應(yīng)當(dāng)考慮以下幾點要素去完成施工。其一是要考慮到壩基施工現(xiàn)場的地質(zhì)與水文條件。要根據(jù)不同的環(huán)境做出不同規(guī)劃，防滲墻的設(shè)置應(yīng)盡可能避開地質(zhì)水文環(huán)境不理想的區(qū)域，應(yīng)當(dāng)將防滲墻放置于不透水的、堅固的基巖或是粘土層當(dāng)中。墻底部分應(yīng)設(shè)置在相對不透水的地層，要與大壩的壩基覆蓋層、防滲體以及基巖內(nèi)的防滲設(shè)施達(dá)成緊密連接，形成整體。其二是要保證布置銜接的合理性，要與原有的其他建筑物以及防滲體形成緊密連接。連接土層防滲體時,應(yīng)當(dāng)處理成更加光滑的楔形，對于接觸面的允許比降，應(yīng)當(dāng)依照土料的允許比降去進行確定。在實際設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真做好防滲連接，在實際布置過程中，應(yīng)當(dāng)盡可能遠(yuǎn)離與壩身混凝土構(gòu)筑物連接的部分，盡可能減少接頭處理。其三是要重視兩岸的連接設(shè)計優(yōu)化，保證連接的穩(wěn)定性。其四是應(yīng)當(dāng)最大程度控制工程量及成本造價，避免不必要的時間與資金耗費。

3.防滲墻墻厚比選

在設(shè)計防滲墻的厚度時，相關(guān)人員必須要首先意識到這項工作的重要性，這是混凝土防滲墻設(shè)計的一個關(guān)鍵一環(huán)，我們需要考慮到壩體高度、滲透穩(wěn)定性、施工環(huán)境以及地質(zhì)水文條件等諸多要素對于施工的影響。但是相關(guān)規(guī)定當(dāng)中并沒有對這些內(nèi)容進行明確闡述，只是在部分條文當(dāng)中進行了簡單說明，提出了混凝土防滲墻上限值的要求。例如某省的大中型水庫大壩，百分之八十的壩體高度普遍不超過40米，我國許多水壩是八十年代以前興建的,壩體經(jīng)過多年的運行，必然會出現(xiàn)沉降，在沉降之后，逐漸趨于穩(wěn)定，在實際設(shè)計過程當(dāng)中，對防滲墻的厚度進行比選時，對于混凝土防滲墻允許滲透比必須要合理控制，才能夠避免因偏差而影響施工效果。

4.防滲墻墻體材料比選

墻體材料的對比與選擇，對于最終施工成果的影響是直接而長遠(yuǎn)的，為了達(dá)成實際施工目標(biāo)，必須要在施工的前期做好材料比選，才能為后續(xù)的施工過程打好基礎(chǔ)。墻體施工過程中，材料應(yīng)當(dāng)主要選用普通與塑性混凝土兩種。普通混凝土的用量應(yīng)當(dāng)保證在每立方米350千克以上，強度等級應(yīng)為C10或以上，水膠比則應(yīng)當(dāng)保證不超過0.65。這樣的材料，在強度與彈性模量上都更高，所能承受的垂直與水平荷載也更大。但是因普通混凝土的極限應(yīng)變能力不足，彈性模量太高，所以壩體與墻體之間所產(chǎn)生的沉降差以及變形差，會導(dǎo)致墻體在側(cè)摩阻力以及垂直壓力的共同作用下產(chǎn)生產(chǎn)生破壞。塑性混凝土則是通過削減普通混凝土水泥用量，增加黏土、膨潤土用量而得出的新型混凝土，其主要的構(gòu)成是水泥、水、砂石骨料、粘土、膨潤土與外加劑等等，水泥的用量約每立方米70到200千克,膨潤土的用量約為每立方米20到50千克，粘土的用量約為每立方米150到300千克，抗壓強度2到5兆帕,彈性模量300到1000兆帕。相對于普通混凝土來說，塑性混凝土的初始彈性模量低,極限應(yīng)變能力更強，所以能夠適應(yīng)更大幅度的形變,能夠優(yōu)化墻體的應(yīng)力狀態(tài),此外這類材料具別更理想的抗?jié)B性能，在采取墻段連接鉆鑿施工方法時因墻體的強度低所以更方便實施，所以可作為優(yōu)先選擇。

5.防滲墻施工泥漿比選

泥漿是施工過程中影響很大的主要材料，在實際的槽孔施工過程中，泥漿具備懸浮、支承孔壁、攜帶鉆渣、潤滑鉆具及冷卻等諸多功能，這樣的作用是至關(guān)重要的，但是實際的設(shè)計過程當(dāng)中卻往往很容易被相關(guān)人員所忽視。當(dāng)前許多省市都已經(jīng)將泥漿實際運用在加固設(shè)計當(dāng)中，但是水庫所在地的粘土料往往并不能確保滿足相應(yīng)技術(shù)規(guī)范的要求。相關(guān)規(guī)定要求粘粒的含量應(yīng)當(dāng)超過50%，塑性的指數(shù)應(yīng)當(dāng)超過20，而含砂量則不應(yīng)超過5%。氧化硅與三氧化二鋁的含量比值，一般應(yīng)當(dāng)為3到4。為了保證泥漿材料的規(guī)范性，在實際設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)著重選用商品膨潤土制備泥漿,并且應(yīng)當(dāng)視情況摻加增粘劑、分散劑等外加劑,保證泥漿的性能符合規(guī)范要求，提升泥漿穩(wěn)定性。

6.防滲墻細(xì)部設(shè)計

（1）防滲墻與地基的連接。

在連接地基與防滲墻時，一般情況下應(yīng)當(dāng)在墻底嵌入0.5米到1米的弱風(fēng)化基巖,在基巖相對不透水層的埋藏深度較深的情況下,應(yīng)當(dāng)做好灌漿帷幕的銜接。

（2）防滲墻與兩岸的連接。

在兩岸皆為緩坡的情況下，實際施工可以依照一般的防滲墻施工流程去完成，在兩岸巖石破碎程度較高的情況下，如果相對不透水層的埋藏深度較深,可以考量在兩岸的坡段墻底部分去完成帷幕灌漿，在兩岸皆為陡坡的情況下，應(yīng)當(dāng)選用帷幕灌漿的方式去完成施工。

（3）與頂部的連接。

頂部連接應(yīng)當(dāng)從壩頂部分的防滲墻開始，順沿壩頂防滲墻的軸線盡量向上游方向完成布置過程。防滲墻的墻頂高程應(yīng)當(dāng)合理規(guī)劃，保持在非常運用條件的靜水位或以上。墻頂部分不應(yīng)當(dāng)與壩頂?shù)墓酚不访嬗兄苯舆B接,應(yīng)當(dāng)保留過渡層，保證防滲水的效果。

（4）建筑物與岸邊連接。

在連接混凝土構(gòu)筑物以及岸邊混凝土墻時，針對結(jié)合部分開展灌漿作業(yè)時，可以利用高壓噴射灌漿的方式去完成銜接，以保證結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

（5）墻段連接。

連接墻段的方式有許多，實際連接過程中，要依據(jù)實際的成槽成孔需求去選擇施工工藝與設(shè)備，例如可以利用鉆鑿法、軟接頭法與接頭管(板)法等等。在實際開展設(shè)計工作的過程中，要考量槽段的長度要求去完成施工，盡可能減少墻段連接縫的數(shù)量。

（6）墻體內(nèi)垂直成孔防滲墻下接帷幕灌漿。

在墻體施工過程中，對于墻體內(nèi)部，可以利用預(yù)埋管使用方法亦或是拔管方式去完成成孔作業(yè)，如果墻深在30米以內(nèi)，這種情況下可以選擇拔管法，而墻深超過30米，則推薦使用預(yù)埋管方式，對于管子的強度、剛度與管子在墻體內(nèi)的有效固定手段必須要事先加以確定，避免在施工過程中出現(xiàn)誤差。

（7）墻內(nèi)觀測儀器的埋設(shè)。

觀測儀器的埋設(shè)有利于對墻體的運行狀態(tài)進行檢測確認(rèn)，當(dāng)前在防滲墻施工過程當(dāng)中，墻內(nèi)所埋設(shè)的觀測儀器主要包括土壓力觀測儀、水壓力觀測儀、測斜儀與鋼筋應(yīng)力計等等。儀器的埋設(shè)斷面應(yīng)當(dāng)確保在相鄰導(dǎo)管間的中心部分，要依照埋設(shè)的實際位置與方向去選擇實際施工的方法，做好埋設(shè)與加固。

7.防滲墻設(shè)計指標(biāo)與質(zhì)量要求

設(shè)計指標(biāo)是施工的依據(jù)，實際設(shè)計開始之前，必須要對設(shè)計指標(biāo)進行確認(rèn)，明確相關(guān)要求。對于槽孔施工、墻內(nèi)管控質(zhì)量、清孔施工、膨潤土泥漿及混凝土澆筑等各方面設(shè)計指標(biāo)都要進行明確，一般情況下，最主要的指標(biāo)包括以下幾個方面。其一是槽孔建造施工的相關(guān)施工指標(biāo)。包括孔的位置、深度、槽寬、孔的斜度、槽孔間接頭套厚度、基巖巖樣與槽孔嵌入基巖深度等等。其二是膨潤土泥漿的相關(guān)施工指標(biāo)。包括泥漿的濃度、密度、粘度、pH值、靜切力等等。其三是清孔的相關(guān)指標(biāo)。包括接頭孔壁的刷洗質(zhì)量、孔底的淤積厚度、泥漿的粘度、密度、含砂多少等等。其四是泥漿下混凝土澆筑的相關(guān)指標(biāo)。包括混凝土的擴散度、坍落度、導(dǎo)管的間距、混凝土面的上升速度、高差等等。其五是成墻混凝土的相關(guān)指標(biāo)。包括彈性模量、強度、滲透系數(shù),允許滲透比降等等。其六是墻內(nèi)的孔管相關(guān)施工指標(biāo)。包括管身的彎曲程度、管位的偏差值等等。在混凝土墻體成墻后的一個月后，應(yīng)當(dāng)做好混凝土防滲墻墻身的質(zhì)量檢查，檢查的具體內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包括墻體可能存在的缺損、墻體的均勻性、墻段接縫處的連接情況、墻體混凝土的彈性模量、強度、滲透系數(shù)及允許滲透比降等等。

8.結(jié)語

水庫大壩防滲墻的施工質(zhì)量決定著水庫整體能否正常運行，在新的時代發(fā)展背景下，我們更要明確大壩防滲加固工作，以保證大壩的穩(wěn)定性與使用壽命。因此文章探討了大壩的混凝土加固施工與防滲設(shè)計要點，分享給同行業(yè)相關(guān)人員，共同探索，共同進步。