塑性混凝土墻在土壩防滲加固施工中的應用

賴志銳

(清遠市清新區(qū)水利水電工程建設管理中心,廣東 清遠 511810)

0 前 言

近幾年,隨著國家加大對水利設施安全運行資金的投入,塑性混凝土墻被廣泛應用于土石壩防滲加固處理中。塑性混凝土技術在我國20世紀80年代末期已趨成熟,與普通剛性混凝土防滲墻相比,具有一定的柔塑性,其彈性模量與周圍土體相近,能更好的協(xié)調周圍土體變形,用在土石壩防滲加固中,比傳統(tǒng)的灌漿防滲效果更好,時效性也更加長久[1]。由于塑性混凝土墻能夠極大地提高土石壩壩體的安全性,同時也能夠顯著降低工程造價,因此,必須給予它們充分的重視和施工過程的嚴格管控。文章結合廣東省清遠市清新區(qū)大秦水庫土壩防滲加固工程,談談塑性混凝土墻在施工全過程中的管控要素,嚴把質量關。

1 塑性混凝土墻防滲機理

塑性混凝土防滲墻是通過專用的液壓抓斗或者沖擊鉆機,在已經完工的壩體或透水覆蓋層上鉆孔開槽后,將塑性混凝土通過直升導管導入孔槽,使其形成一道完整的混凝土墻,以達到防滲的目的。這種防滲墻能適應各種不同材料的壩體以及復雜的工程地質條件,可以徹底截斷滲透水流,從而實現(xiàn)長久有效的防滲效果[2-4]。

2 塑性混凝土防滲墻優(yōu)缺點分析

優(yōu)點:①防滲墻墻體混凝土強度可以控制,成墻整體性質量好、具有結構更加穩(wěn)固、防滲性和耐久性好等優(yōu)點,地質土層變化對墻體質量基本沒有什么影響,極大的減少了安全事故;②施工速度快、可以應對各種復雜條件下的施工;③施工時環(huán)境影響因素小,占地面積不大,是一種非常理想的建筑材料;④適合應用的范圍比較廣泛,可擋土、承載、防滲等,且施工工藝成熟,工程經驗豐富[5]。

缺點:施工中可能存在槽壁坍塌、成槽機卡槽、成槽偏斜、槽底沉渣較多等問題。

塑性混凝土防滲墻施工技術成熟,工程經驗豐富,在工程界應用廣泛,槽壁坍塌、成槽機卡槽、成槽偏斜、槽底沉渣較多等問題在施工中均為可控因素,防滲墻工程質量可靠。

3 大秦水庫大壩塑性混凝土防滲墻設計

3.1 水庫基本情況

大秦水庫總庫容為1057萬m3,位于清遠市清新區(qū)太平鎮(zhèn)境內秦皇河山口處,于1972年8月開始興建、1974年4月建成投入使用,1991年時進行過一次除險加固。大秦水庫大壩為均質土壩,最大壩高38.4m,壩頂高程74.40m,長450m,頂寬5.5m,高程51.00m以下為堆石排水棱體,棱體高15m。在2021年水庫除險加固設計中洪水標準采用50a一遇設計、1000a一遇校核,是以灌溉、發(fā)電、供水為主,結合防洪等綜合利用的中型水庫工程。

根據(jù)2019年對該水庫安全評價的結論:主壩工程質量評價為不合格,滲流安全評價為C級;結合除險加固地質勘察成果:壩身填土不均勻、較松散、且含砂量高,導致壓實度偏低、填土滲流系數(shù)偏大;左岸壩基存在厚度約1m的中等透水基巖,左壩肩部位清基不徹底,壩體與壩基接觸面滲透系數(shù)偏大等對工程安全影響較大。因此,要切實做好壩身與壩基的防滲工作。

3.2 大壩塑性混凝土防滲墻設計

根據(jù)經驗公式并結合其它工程案例,大秦水庫土壩防滲墻厚度取0.60m,墻體軸線偏壩頂中心線上游4.9m,防滲墻長度367.00m,起點樁號位于0+033.00m,終點止于0+400.00m,總面積為12717m2。防滲墻材料采用水泥、黏土、膨潤土、砂石骨料及水配置而成。施工時,其配合比及配制方法應通過試驗決定,在滿足設計要求前提下選擇較經濟的配比方案。防滲墻塑性混凝土28d抗壓強度為1.5～3MPa,400MPa<設計28d彈性模量≤1800MPa,且為周邊介質彈模的1～5倍,模強比范圍宜為200～500,28d滲透系數(shù)≤10E-5cm/s、臨界滲透坡降≥300。

4 塑性混凝土防滲墻施工過程中的管控要素

塑性混凝土防滲墻施工質量好壞是土壩加固成功與否的關鍵所在,向來是受到非常高的關注。作為水利工程中的一項重要隱蔽工程,為確保施工質量,必須進行嚴謹規(guī)范的施工和嚴格有效的質量監(jiān)控。

大秦水庫塑性混凝土防滲墻施工步驟主要由以下幾個工藝組成:施工平臺準備和導墻→造孔成槽→泥漿護壁→混凝土澆筑→墻段連接。

4.1 先導孔的管控

先導孔勘察一般是在正式施工前所做的有針對性的地質勘查,目的是對防滲墻軸線范圍內壩體可能存在的孤石、深槽等摸查清楚,并更精確的進行地層劃分,對浸潤線、地質構造巖性、透水性、風化程度與深度做描述。先導孔的準確與否直接關系著防滲處理措施的分層界面,對防滲墻投資大小起著決定性作用。因此,必須嚴格把關先導孔數(shù)量,一般結合前期勘察鉆孔資料,孔數(shù)間隔以20m～30m間隔為宜。本工程前期利用孔8個,先導孔6個,共計14個孔,平均孔距26m。

4.2 塑性混凝土配合比的管控

塑性混凝土與普通混凝土原材料組成最大差異是塑性混凝土的膠凝材料中還有膨潤土或黏土,也可以同時摻入兩種材料。塑性混凝土的配合比設計是一項很復雜的工作,必須配合結構設計反復進行,其水膠比、膨潤土用量、砂石骨料總量、干容重、細粒料總量等都會對它的力學特性產生比較大的影響。

工程開工前,應進行塑性混凝土的配合比試驗,通過多組試驗,詳細研究不同組別的特性,以確定最佳的試驗結果。經過試驗對比分析,在滿足設計要求前提下推薦施工較經濟的配比方案。本工程試驗三組塑性混凝土配比方案及物理力學性能成果見表1、表2,經對比分析,選擇試件編號DQ-2為本工程推薦塑性混凝土配合比方案,在滿足各項設計指標的情況下,經濟效果為最優(yōu)。

表1 大秦水庫土壩防滲墻塑性混凝土試驗配合比表 kg/m3

表2 大秦水庫土壩防滲墻塑性混凝土物理力學試驗成果表

表3 護壁泥漿主要技術指標

4.3 成槽質量的管控

成槽作為防滲墻施工的重要環(huán)節(jié),其質量的優(yōu)劣將直接影響到整個項目的完成時間和塑性混凝土墻的最終性能。

在開始施工之前,需進行精確的測量和控制,以確保防滲墻軸線、槽孔孔位和墻頂高程的準確性。特別要注意導墻的放樣,因為一旦導墻施工完成,防滲墻軸線也就得到了確定[9]。

造孔成槽前應先按利于快速、均衡及安全的原則進行槽孔劃分,盡量做到墻段接頭少。造孔機械通常采用沖擊鉆機,大秦水庫土壩防滲墻施工采用了CZ-30型沖擊鉆機進行造孔,該鉆機適合于各種地層,具有沖程大、嵌巖進尺更快,不易發(fā)生鉆具傾斜和卡鉆事故等優(yōu)點,單臺鉆具重量在3t左右,是較理想的造孔成槽機械,為目前國內主要采用的機型。

為了確保槽孔安全,應采取泥漿護壁措施來保持孔壁穩(wěn)定,避免出現(xiàn)槽孔坍塌。本工程護壁所使用的泥漿材料是膨潤土,其主要技術指標如下。

除此之外,成槽質量控制還應包括成槽寬度的控制、槽孔孔斜率及槽底沉淀層厚度的控制、接頭管垂直度的控制等,各項控制檢測均應有文字記錄。

4.4 清槽換漿質量的管控

在槽孔成槽的過程中,需要按標準新制合格泥漿進行清槽換漿,目的是將槽底和泥漿中的鉆渣帶出清除。否則將影響墻體與巖體接觸部位的防滲性能,對壩基防滲不利,容易在高水頭下產生集中滲流。此外,后續(xù)澆筑的塑性混凝土可能會與泥漿中懸浮的鉆渣混合,降低防滲墻的整體性能,使墻體出現(xiàn)脆弱部分。本工程在施工過程中采用了“氣舉反循環(huán)法”清孔和置換泥漿,采用膨潤土制漿,清槽換漿后,質量管控標準應滿足:泥漿密度應≤1.15 g/cm3,含砂率≤6%,黏度在32～50之間。

4.5 墻體混凝土澆筑質量的管控

槽孔混凝土一般采用泵送混凝土水下導管法澆筑,控制導管直徑在200～250mm范圍內。槽孔混凝土澆筑是整個施工過程中最重要的工序,關系到后期混凝土墻的成墻質量。為了保證槽內塑性混凝土墻體的連續(xù)性,避免斷墻事故的發(fā)生,施工時沿防滲墻中心線每隔3m左右布置1根導管,控制導管距槽孔端面的距離在1.0～1.5m,導管底端到槽底的距離在0.3～-0.5m范圍內。為了防止因提動導管或拔出時造成混凝土出現(xiàn)冷縫和水平夾泥層,導管的埋置不宜過淺,一般控制深度為2m。

為了確保混凝土質量,避免因澆筑速度過慢引起坍落度損失增加而發(fā)生堵管事故,泵送混凝土的使用是一種更加有效的方式,它能夠有效地提高混凝土的上升速度,使其達到≥2m/h的要求。在混凝土澆筑過程中,要保持導管呈豎直狀態(tài),不得平移,不得出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象;同時還要保持塑性混凝土澆筑供應的連續(xù)性,在同一槽孔內,所有澆注任務必須一次完成,避免因混凝土供應斷續(xù)產生冷縫而造成墻體斷裂。

4.6 墻段連接質量的管控

防滲墻混凝土澆筑前應進行槽段劃分,澆筑完成后,需對相鄰兩槽段銜接部分所形成的防滲墻薄弱環(huán)節(jié)進行特殊處理。整個工程是否可以成為有效防滲的關鍵在于各墻段如何緊密連接。切削連接法、鉆鑿連接法及接頭管連接法為近年來常見的3種墻段連接方法。本工程墻段間的連接采用的是“切削法”,優(yōu)點在于接縫部位進行了加強處理,保證防滲墻整體質量優(yōu)越。

5 塑性混凝土墻的質量檢查

塑性混凝土防滲墻質量檢查主要包含了墻體的成墻質量、厚度、深度、滲透系數(shù)及抗壓強度、彈性模量等物理性能指標。部分指標通過施工過程中的工序質量檢查體現(xiàn),如成墻質量、墻體連續(xù)性等?；炷廖锢硇阅苤笜藙t通過澆筑過程中現(xiàn)場取樣成型試件檢測獲取,用試件的試驗結果反映防滲墻的實際性能指標。防滲墻施工完成28d以后,對墻段接縫質量、墻體與基巖面的接觸情況、墻底沉層厚度、塑性混凝土密實程度、墻體內有無夾泥、斷層、水平冷縫等進行質量檢查。本工程主要采用鉆孔取芯法和注水試驗法檢查防滲墻成墻質量,根據(jù)其檢測結果及運行實踐,防滲墻質量符合設計要求。

6 結 語

土石壩采用塑性混凝土防滲墻進行加固目前已廣泛應用,實踐證明其防滲效果非常顯著,優(yōu)于傳統(tǒng)的高噴灌漿及充填灌漿。在防滲墻施工期間應做到全過程管控,從前期的準備開始,直至貫穿整個工程施工結束,對過程進行嚴格管控。尤其是對塑性混凝土墻的成槽及澆筑過程,需要重點加強管控。