混凝土防滲墻施工技術(shù)在水利水電工程中的應用

郭廣善

（青州市仁河水庫運行維護中心，山東 青州 262500）

0 引言

水庫大壩是水利水電工程中的重要內(nèi)容，發(fā)揮了提供社會用水用電、防洪抗?jié)车戎匾饔?。但是，水庫運行環(huán)境較為復雜，水庫大壩容易出現(xiàn)滲漏等病險，嚴重影響水庫大壩的運行安全。將混凝土防滲墻應用于水庫大壩防滲加固中，提高了水庫大壩防滲能力以及水庫工程的質(zhì)量。隨著現(xiàn)代施工技術(shù)和施工工藝的快速發(fā)展，混凝土防滲墻施工技術(shù)發(fā)展迅速，塑性混凝土防滲墻施工技術(shù)在水庫大壩防滲加固中的應用非常廣泛，其具有防滲效果良好、施工簡單、工期短和成本低等優(yōu)勢。尤其是在壩體松散填土等具有較高滲水隱患的地方，塑性混凝土防滲墻施工能夠適應壩體變形，并具有良好的防滲效果[1]。

1 工程概況

某水庫大壩為1 座綜合性中型水庫，用于當?shù)胤篮椤⒐喔鹊?。水庫總庫容?800 m3×104m3，集水面積為15 000 m2。水庫設計洪水位40 m，正常蓄水位為39 m，汛期限水位為39 m，死水位為21 m。大壩屬于均質(zhì)土壩，高程約為43 m，壩高最高為25 m，防浪墻高程44 m，壩頂長360 m、寬5 m，上游壩坡坡比為1 ∶2.5，下游為1 ∶2.4。

該水庫大壩興建于1960 年，經(jīng)過數(shù)次續(xù)建及加固，最終形成當前規(guī)模。大壩填土主要為素填土，重粉質(zhì)壤土是土質(zhì)主要成分，局部夾雜粉質(zhì)黏土和中粉質(zhì)壤土，含量較低。受歷史原因影響，一些壩段的上壩土料不符合標準，筑壩施工主要采用人工夯實的手段。水庫運行水位較高時，大壩下游坡面出現(xiàn)較多的滲水點，并且壩坡局部發(fā)生軟化，壩腳出現(xiàn)沼澤化問題。防滲加固施工前采用過灌漿處理方式，但并未能有效消除隱患。由于大壩壩體填土較為松散，密實程度低，存在交界溝等問題，因此大壩防滲加固工程選擇塑性混凝土進行防滲墻施工，其主要采用柔性材料，彈性模量不高，墻體變形模量與土體材料變形模量非常接近，從而能夠達到適應壩體變形又有效防滲的效果。

2 防滲墻參數(shù)設計

防滲墻厚度設計：防滲墻厚度直接影響防滲墻的防滲性能和墻體的強度、耐久度以及防滲墻使用壽命，同時，防滲墻厚度越高，所需要的投資也就越大。因此，為確定最佳的防滲墻厚度，需要根據(jù)相應的計算公式，同時結(jié)合相關資料與已有工程經(jīng)驗確定。

防滲墻厚度d的計算如公式（1）所示。

式中：H為防滲墻上游與下游的最大水頭差，數(shù)值為22.0 m；K為設計安全系數(shù)，一般為3～5，該工程取值4；Jmax 為塑性混凝土防滲墻材料允許最大滲透破壞坡降，一般取300。

最終計算結(jié)果為d=0.293 m，綜合考慮施工該過程中誤差影響、施工機械影響等因素，最終確定防滲墻厚度為0.4 m。

防滲墻深度設計：該工程中塑性混凝土防滲墻墻頂高程為41.8 m，墻底深入壩基粉質(zhì)黏土層，深度大于1 m。

其他主要參數(shù)：塑性混凝土防滲墻的墻體抗壓強度設計要求為4.0 MPa，滲透系數(shù)k<1×10-6cm/s，彈性模量E≤2.0 GPa。

3 塑性混凝土防滲墻施工技術(shù)

3.1 導墻施工

在施工過程中，為防止槽口發(fā)生坍塌，在大壩軸線上游的1.5 m處防滲墻軸線上進行導墻基槽開挖，并實施人工整坡。將導墻基槽壩體填土修平夯實，再增加一層0.05m的C10 混凝土墊層，方便進行鋼筋綁扎、支模及混凝土澆筑施工。導墻形狀為倒“L”型，如圖1 所示，高度為1.2 m，頂寬1 m，基槽凈寬0.45 m，頂部位于壩頂下0.15 m。

3.2 泥漿拌制

3.2.1 確定泥漿材料及拌制配合比

成槽與固壁泥漿選擇低固相膨潤土泥漿，其制備材料包括膨潤土、水、絮凝劑和分散劑等。膨潤土要求二級指標，以聚丙烯酰胺作為絮凝劑，以工業(yè)純堿作為分散劑[2]。拌制膨潤土泥漿性能指標具體為：一般泥漿密度 為1.04 g·cm-3～1.10 g·cm-3、黏度 為20 Pa·s～24 Pa·s、30 min 失水量小于10 mL、泥皮厚度小于1 mm、穩(wěn)定性小于0.05 g·cm-3、pH 值為9～12；漏失泥漿密度小于1.15 g·cm-3、黏度為25 s～28 s、30 min 失水量小于10 mL、泥皮厚度小于2.5 mm、穩(wěn)定性小于0.05 g·cm-3、pH 值為9～12。

泥漿拌制配合比：一般土層膨潤土為6～8、純堿為0.3～0.5、CMC 為0.05-0.1、絮凝劑為0.05、水為100；漏失土層膨潤土為10、純堿為0.3～0.5、CMC 為0.1～0.2、水為100。

3.2.2 泥漿制備

在制備過程中，純堿溶液配置濃度為1 ∶1.5；CMC液配置濃度為1.5%，攪拌過程中注意先加1/3 攪拌桶的水，再緩慢加入CMC 粉，軟軸攪拌器攪拌，配置完成后靜置6 h 后再使用；泥漿拌制前先在攪拌桶中倒入1/3 的水，然后再開啟攪拌機，不斷向桶內(nèi)加水，同時按照配合比加入各種材料，攪拌完成后，靜置24 h 后再使用[3]。

3.3 槽段開挖

防滲墻槽段開挖采取分段開挖的方式，分成兩期槽段進行，每槽段長度為900 cm，按照1 期、2 期施工順序進行槽段開挖，同一槽段施工按照先主孔后副孔的順序，如圖2 所示。施工采用液壓抓斗進行主副孔的抓取施工，主孔抓取3 個，副孔抓取2 個。抓斗抓出的壩體填土放置于附近壩坡，并由自動裝卸車運出現(xiàn)場至指定堆放地點。在抓斗施工中，如果遇到堅硬土層阻礙施工，則先用沖擊鉆進行土層破碎，然后再進行抓取。抓取深度直到到達壩基粉質(zhì)黏土層大于1 m 處。針對壩身已經(jīng)發(fā)生滲漏、散侵等情況的部位，在施工時同時將漏失漿液進行成槽護壁，持續(xù)向槽孔補充泥漿，保證泥漿面始終低于導墻頂面約0.5 m。

3.4 清孔驗收

槽孔開挖達到設計深度即進行清孔換漿，利用抓斗將孔內(nèi)淤積與大顆粒沉渣撈出，如果淤積厚度較大，則采用泵吸法，利用潛水排污泵與振動篩進行清孔。清孔時如果發(fā)現(xiàn)泥漿與設計要求不相符，則結(jié)束后立即更換新的泥漿，換漿量通常是槽內(nèi)體積的1/3。終孔后對成槽進行質(zhì)量驗收，要求孔深達到設計深度要求，孔位偏差在±3.0 cm，孔斜率不超過0.4%，孔壁保證平整垂直，孔底淤積厚度≤10 cm，清孔后泥漿指標的年度≤30 s，含少量≤10%。此外，在2 期槽清孔完成前，需要對1 期槽孔段孔壁上吸附的雜質(zhì)刷洗干凈，包括土渣、泥皮等，確?？椎子俜e物厚度不再增厚[4]。

3.5 塑性混凝土澆筑

3.5.1 塑性混凝土原材料確定3.5.1.1 確定水泥型號

塑性混凝土對水泥的用量需求較低，但對水泥材料的性能指標的要求相對較高。在該工程中，選用強度等級為42.5 的普通硅酸鹽水泥，各項性能指標參數(shù)：初凝時間不超過45 min；終凝時間不超過600 min；抗拉力強度不低于6.5 MPa；抗壓強度不低于42.5 MPa。

3.5.1.2 確定砂石材料

根據(jù)防滲墻工程實際需求，砂子采用細末模數(shù)在2.5～3.0 的中粗砂，Ⅱ區(qū)顆粒級配區(qū)，含泥量小于3%。該工程中選用的石子為粒徑最大不超過20 mm 的粗骨料石子，使用前，需要對石子進行檢測、沖水。

3.5.1.3 確定膨潤土

塑性混凝土材料配制中，膨潤土是非常重要的一種配合料，通過膨潤土能夠中和水泥在水化作用下產(chǎn)生的孔隙，增強混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實性。該工程中選用的膨潤土性能菜蔬為黏粒含量不低于55%，塑性指標不低于60[5]。

3.5.2 塑性混凝土配合比

根據(jù)已知的塑性混凝土防滲墻抗壓強度、滲透吸收和彈性模量等各項指標要求，以及水下澆筑混凝土坍落度要求18 cm～22 cm，擴散度要求36 cm～40cm，進行塑性混凝土配合比的試驗。最終確定防水墻塑性混凝土配合比為每立方米的材料用量分別為水300 kg、水泥180 kg、膨潤土80 kg、砂子770 kg、石子770 kg。

3.5.3 塑性混凝土水下灌注施工

施工過程：首先，采用直升式導管法，進行塑性混凝土防滲墻水下灌注施工，導管內(nèi)徑尺寸為200 mm，各個槽段均運用3 套導管，在1 期槽中，槽端導管與接頭管之間的距離為1.2 m，2 期槽中，槽端導管與孔端之間的距離為1 m，導管與導管之間的距離最小3.3 m、最大3.5 m。其次，運用螺旋絲扣將導管連接在一起，并且在連接處用橡膠墊圈進行密封處理。各套導管的頂?shù)變啥司M行三節(jié)長度為0.5 cm～1.0 cm 的短管設置，導管底與槽底面之間的距離最少有15 cm，最大不能超過25 cm。再次，各導管頂端部位均設置儲料罐，儲料罐的體積大小為1.5×106cm3，同時，在導管頂端內(nèi)部設置隔離塞球，隔離泥漿與儲料罐中的混凝土，當混凝土在儲料罐中裝滿之后，將隔離塞球的連接鐵絲用工具剪短，使隔離塞球受到儲料罐中的混凝土的壓力作用，沿著管內(nèi)垂直向下移動，最終將管內(nèi)的泥漿完全排出。同時，儲料罐中的混凝土也能夠根據(jù)跟隨隔離塞球的下移直到槽底部，導管埋入混凝土中，然后繼續(xù)進行混凝土的澆筑。最后，在進行槽孔內(nèi)的混凝土澆筑過程中，要按照由深至淺的順序，從深度最大的導管開始進行澆筑，保持澆筑的連續(xù)性。在混凝土澆筑過程中，導管在混凝土中的埋深應當小于1 m，但同時注意不應當超過6 m。槽孔內(nèi)混凝土澆筑應當保證其表面的均勻上升，上升速度約2 m/h。在槽段中，不同位置的混凝土面高度差應＜0.5 m，每0.5 h 進行一次槽孔混凝土澆筑面深度的測量，同時隨時對導管內(nèi)部的混凝土面進行測量，做到及時拆卸導管，防止導管埋深過大，從而造成導管堵塞的情況。塑性混凝土澆筑最終的頂面應當要比設計高程要求高出0.5 m 以上[6]。

4 塑性混凝土防滲墻施工防滲加固效果分析

4.1 墻體完整性檢測

在該工程中，防滲墻設計厚度為0.4 m，最大深度為24.5 m。采用高密度電法檢測墻體的完整性和連續(xù)性，同時分析防滲墻工程中可能存在的問題及缺陷。該方法共檢測1 條測線，沿防滲墻軸線，在其頂部布置完成。電極間距為2 m，電極布置數(shù)量為180 個，測試層數(shù)最大為25 個電極間距。結(jié)果顯示防滲墻體的視電阻率范圍在50Ω·m～200Ω·m，并且水平向電阻率呈現(xiàn)均勻變化特點，測線方向沒有出現(xiàn)明顯的變異情況；深度方向檢測呈現(xiàn)層狀地層典型特征，說明防滲墻體具有良好的完整性和連續(xù)性。

4.2 防滲墻體的滲透性與混凝土強度檢測

在防滲墻體軸線上隨機選擇檢測點，共選擇3 個，并對每處檢測點2 段墻體分別進行壓水試驗，試驗段長度為4.5m～5.0m，最終測出墻體透水率，并計算得出透水系數(shù)。試驗結(jié)果顯示，防滲墻透水系數(shù)范圍在4.78×10-8～5.34×10-7cm/s，平均系數(shù)為6.25×10-7cm/s，結(jié)果滿足大壩防滲水規(guī)范要求。同時對3 處塑性混凝土強度進行檢測，檢測深度范圍為3.5m～21m；結(jié)果顯示破壞荷載范圍為17.66kN～27.20kN；無側(cè)限抗壓強度范圍為4.00MPa～6.16MPa，均值為4.86MPa；彈性模量范圍為0.98GPa～1.83GPa，均值為1.46GPa。抗壓強度與彈性模量檢測結(jié)果均滿足設計標準要求。

5 結(jié)語

在水利水電工程建設中，混凝土防滲墻施工是工程除險加固的一種有效手段，對于水庫大壩工程來說，通過混凝土防滲墻施工，能夠有效解決大壩滲漏水的問題，提高水庫大壩整體質(zhì)量，維護其穩(wěn)定運行。在該工程中，針對壩體填土松散的水庫大壩進行塑性混凝土防滲墻施工介紹，分析了塑性混凝土防滲墻在水庫大壩防滲加固中的有效應用。同時對混凝土防滲墻施工防滲加工效果進行分析，結(jié)果顯示防滲墻墻體的完整性、連續(xù)性滿足工程施工要求，并且墻體滲透性與混凝土強度均滿足設計要求。結(jié)果表明，塑性混凝土防滲墻施工在水庫大壩防滲加固中具有良好的應用效果，消除大壩隱患，證明了混凝土防滲墻施工技術(shù)在水利水電工程建設中發(fā)揮了重要的作用。