縱向增強體土石壩施工工藝淺談

向登垚

(四川省通江縣水利局,四川 通江 636700)

1 工程概況

方田壩水庫擴建工程位于巴中市通江縣小通江右岸一級支流馮家溝下游河段,地處民勝鎮(zhèn)方山村境內(nèi),大壩地理坐標東經(jīng)107 °11′28.48″,北緯31 °56′46.96″,水庫大壩距通江縣城約8.0 km。壩址以上控制集水面積6.73 km2,多年平均徑流量417萬m3,該水庫是一座以農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)供水,兼顧縣城抗旱應(yīng)急備用水源等綜合利用的小(1)型水利工程。

方田壩水庫始建于二十世紀七十年代初,原為小(2)型水庫,壩型為粘土心墻壩,最大壩高約15 m,壩頂高程556.60m,總庫容25萬m3,原壩體填筑料約20萬m3。2014年方田壩水庫被列為擴建工程,在壩型選擇論證過程中,對混凝土重力壩、心墻壩(粘土心墻壩、瀝青混凝土心墻壩、風化泥巖心墻壩、鋼筋混凝土心墻壩、混凝土心墻堆石壩)、面板壩(瀝青混凝土面板壩、土工膜面板堆石壩、混凝土面板堆石壩)等壩型進行了技術(shù)經(jīng)濟分析比較,最終壩型選定為混凝土心墻(增強體)堆石壩。

1.1 大壩體型設(shè)計

方田壩水庫擴建工程由樞紐工程、應(yīng)急充水工程、渠道工程和供水工程等組成[1-2]。大壩采用混凝土心墻(增強體)堆石壩,正常蓄水位577.5 m,相應(yīng)庫容214萬m3,總庫容250萬m3,壩頂高程581.00m,壩頂寬度6.0m,最大壩高41.50m,壩頂長365.00m,最大壩底寬194.90m。

上游邊坡1∶2.25,高程556.00m(死水位)至壩頂采用0.12 m厚的C20混凝土預(yù)制塊護坡。壩頂采用20 cm厚的C25混凝土路面,壩頂上游側(cè)設(shè)“L”型C20混凝土防浪墻,墻高1.2 m,寬0.3 m。大壩下游邊坡自上而下為1∶2.0、1∶2.25、1∶2.25,下游壩坡面采用現(xiàn)澆C20鋼筋混凝土城門型框格植草護坡,坡腳設(shè)置堆石排水棱體。在高程561.00m和551.00m處分別設(shè)置5.00m寬的馬道;下游壩腳高程538.00m以下設(shè)置1∶1.5排水棱體,采用預(yù)制混凝土塊護面。

1.2 防滲體設(shè)計

混凝土防滲墻(即增強體)布置于過渡層中,防滲軸線與壩軸線平行并偏向上游0.5 m,防滲墻墻厚0.8 m,墻頂高程580.70m,墻底伸入弱風化基巖1.0m。壩軸線位置設(shè)置6.0m寬過渡層,采用開挖新鮮砂巖堆石料填筑。

1.3 壩基處理

對原壩體地表松散土體及局部耕作土清除1.0～1.5 m后作為上下游壩殼的壩基,在預(yù)留過渡料和混凝土心墻部位按要求做好相應(yīng)處理。

壩基防滲采取混凝土防滲墻與基礎(chǔ)帷幕灌漿結(jié)合方案。為保證混凝土防滲墻與其下基巖及兩岸基巖形成完整的防滲體系,對大壩兩岸及混凝土防滲墻下基巖進行單排帷幕灌漿,間距1.5 m,帷幕灌漿防滲標準為10 Lu,孔深要求深入基巖相對隔水層(q≤10 Lu)以下5.0m?；炷练罎B墻段內(nèi),通過墻內(nèi)預(yù)埋設(shè)的灌漿鋼管對墻下基礎(chǔ)進行帷幕灌漿。

2 施工工藝流程及操作要點

方田壩水庫大壩施工總體上是按照“先筑壩,再做墻,后灌漿”的施工流程進行的[3]。一般增強體土石壩的施工流程是:清基→壩體填筑(至做墻高程)→導墻布置及澆筑→造孔準備(槽孔設(shè)備安裝、調(diào)試,制漿)→造孔→預(yù)埋灌漿管(接頭管、觀測設(shè)備)→混凝土心墻澆筑→壩基帷幕灌漿→鉆心取樣檢查→上部心墻澆筑→壩體填筑至壩頂。本文只討論增強體心墻的施工建造。

2.1 導墻布置及澆筑

導墻應(yīng)布置在墻體施工平臺上,如圖1和圖2所示。導墻軸線與心墻軸線一致,導墻間凈空寬度與心墻厚度一致。

圖1 防滲心墻施工導墻剖面

圖2 導墻形成

2.2 槽段造孔準備

2.2.1 槽段劃分

根據(jù)工程特點,結(jié)合實際編制施工組織設(shè)計,完善輔助設(shè)施如制漿站、電、供水系統(tǒng)、排污系統(tǒng)等。由工程量和施工工期確定機械數(shù)量,以便確定進場鉆機數(shù)量,保證合理工期。方田壩水庫工程根據(jù)項目地層、墻體深度等,槽段劃分采用三主二副的形式,防滲墻一二期槽段長度均為6.8 m,主孔0.8 m,副孔2.2 m。

2.2.2 造孔設(shè)備安裝調(diào)試

導墻按照設(shè)計澆筑結(jié)束后,安裝槽孔機械導軌,槽孔機械進場進行調(diào)試。

2.3 造孔

槽孔鉆進采用泥漿固壁、沖擊鉆造孔、抽筒出渣。槽孔機械型號和鉆頭型號根據(jù)心墻厚度、地層情況(即已填筑壩體)選擇。對非粘性土用CZ20-6A沖擊鉆機,粘性土用反循環(huán)回轉(zhuǎn)式鉆機,也可用沖擊鉆。根據(jù)不同的土層和鉆機,可選用不同的鉆頭,一般對砂卵石土層和劈打主副孔間的小隔墻,可選用十字鉆頭;粘土層中可選擇空心型鉆頭和回轉(zhuǎn)式鉆頭,回轉(zhuǎn)式鉆頭具有一次性削取、回轉(zhuǎn)斷面小切削能力強、阻力小等優(yōu)點。正確選擇和制備固壁的泥漿,可以提高鉆孔效率,防止塌孔。土料要求粘粒含量大于50 %～60 %、塑性指數(shù)大于25 %、土中不含草根、樹根等雜質(zhì)。方田壩水庫固壁泥漿采用MMH正電膠、優(yōu)質(zhì)Ⅱ級鈣基膨潤土、助劑等復(fù)合泥漿護壁。

槽孔建造設(shè)備和方法,可根據(jù)地層情況、墻體結(jié)構(gòu)形式及設(shè)備性能進行選擇,必要時可選用多種設(shè)備組合施工?？刹捎玫某刹鄯椒ㄓ秀@劈法、鉆抓法、抓取法、銑削法等[4]。方田壩水庫大壩填筑料(過渡料)為新鮮砂巖,母巖的飽和抗壓強度不小于30 MPa,最大粒徑不超過100.0 mm,選擇“鉆抓法”施工,即主孔采用CZ-6A沖擊鉆機、平底鉆頭造孔,副孔采用抓斗抓取或沖擊鉆機施工,如圖3所示。當遇到孤石或鉆打漂卵石地層時改用十字鉆頭施工,小墻采用十字鉆頭或平底鉆頭施工。造孔驗收后即進行清孔換漿,將底孔淤積清除,沉積厚度不超過10 cm,并按要求更換新鮮泥漿。為保證清孔質(zhì)量,降低澆筑前孔底沉渣厚度,本工程采用氣舉反循環(huán)法清孔。氣舉反循環(huán)法的排渣原理是將壓縮空氣通過供氣管道送至一定深度的排渣管內(nèi),與排渣管內(nèi)的泥漿混合,從而使排渣管內(nèi)泥漿密度和壓力小于排渣管外的密度和壓力,在此壓力差的作用下,排渣管外泥漿攜帶沉渣進入排渣管,并沿排渣管上升,最后排出孔外。主要設(shè)備是空壓機、排渣管、風管和泥漿凈化機。

圖3 槽孔建造現(xiàn)場

2.4 預(yù)埋灌漿管

根據(jù)縱向增強體先壩體填筑、成槽澆筑心墻、壩基帷幕灌漿等施工特點,在澆筑心墻時,為保證心墻澆筑質(zhì)量,帷幕灌漿不采用在心墻鉆孔,而是預(yù)埋灌漿管,心墻澆筑結(jié)束后,通過灌漿管進行基礎(chǔ)帷幕灌漿,達到基礎(chǔ)和心墻整體防滲的效果。所以灌漿管的間距、垂直度和深度等指標控制,是保證帷幕灌漿順利進行和質(zhì)量的關(guān)鍵。方田壩水庫灌漿管按照設(shè)計間距(間距1.5 m)、排數(shù)(單排),采用鋼筋定位架固定;管體采用φ110(DN108、壁厚2.3 mm)鋼管;預(yù)埋管定位架采用φ22 mm鋼筋制作;預(yù)埋管與鋼筋架通過綁扎或焊接連接為一整體桁架。

為避免二次運輸而造成鋼桁架變形,鋼桁架在就近加工平臺上加工。先測出每個灌漿孔的實際深度,在最底層的桁架制作時,確定每孔灌漿管在同一高程的長度,采用桁架固定,要求桁架寬與心墻厚一致,長與槽段一致,桁架間距以保持整體桁架不變形的剛性確定,一般為6～9 m;灌漿管位于心墻軸線位置。其余灌漿管的長度根據(jù)起吊設(shè)備和施工現(xiàn)場確定后采用桁架固定,以此類推至平臺。

預(yù)埋管鋼桁架下設(shè),采用吊車分節(jié)起吊,孔口連接,整體下設(shè),并在現(xiàn)場工長和技術(shù)員的指揮下進行。首先以保持鋼桁架垂直、平穩(wěn)選好吊點,將最底節(jié)預(yù)埋管鋼桁架吊入槽內(nèi),用二根加強型鋼橫向穿過預(yù)埋管鋼桁擱置并架立在導墻上,其頂部外露導墻頂1.5 m左右;再起吊第二節(jié)預(yù)埋管鋼桁架,經(jīng)對中調(diào)正垂直后進行對接,因上下部預(yù)埋管螺紋方向相反,故采用管鉗轉(zhuǎn)動中間套筒即可將上下部位預(yù)埋管連接。為保證鋼桁架整體剛性,在灌漿管連接部位加設(shè)槽鋼、鋼管等。該方法能夠最大限度地保證預(yù)埋灌漿管的連接強度,并能加快預(yù)埋灌漿管槽孔孔口連接速度。

預(yù)埋管桁架對接完畢后,利用吊車進行整體下設(shè),下設(shè)時要做到桁架對應(yīng)好槽中位置勻速下降。遇到受阻時不得強行下放,以免桁架變形,造成管體錯位,影響下設(shè)精度。對下設(shè)完成的預(yù)埋灌漿管的孔口采取臨時封堵保護措施,防止雜物進入管內(nèi)。

2.5 預(yù)埋接頭管

在條件許可時,盡量減少墻段連接縫。墻段連接可采用接頭管(板)法、鉆鑿法、雙反弧柱狀法等。采用接頭管(板)法時應(yīng)遵循:(1)接頭管(板)應(yīng)能承受最大的混凝土壓力和起拔力,管(板)表面應(yīng)平整光滑,其接間連接方式應(yīng)簡便、可靠、易操作;(2)應(yīng)根據(jù)預(yù)計的最大拔管(板)阻力,選用有足夠起拔力的吊車或液壓拔管機起拔接頭管;(3)開始拔管的時間,通過試驗確定[4]。

方田壩水庫擴建工程采用“接頭管法”,其施工程序:一槽段槽孔清孔換漿驗收合格結(jié)束后,在槽孔端頭下設(shè)接頭管(接頭管直徑不小于心墻厚度),混凝土澆筑時,根據(jù)槽內(nèi)混凝土初凝時逐漸起拔接頭管,在一槽段槽孔端頭形成半圓形接頭孔;二槽段槽孔澆筑混凝土結(jié)束后,與一槽段槽孔的端頭形成圓形接頭,再澆筑圓形孔內(nèi)混凝土。這樣施工的優(yōu)點一是圓形孔有利于鋼刷刷毛,不留死角;二是保證了兩個槽段有效連接,達到防滲效果。

為保證預(yù)埋接頭管連接靈活和拔起順利,連接時應(yīng)保證接頭管接頭的卡塊、卡蓋齊全,鎖塊活動自如等。并在接頭管外表面涂抹脫模劑。

接頭管起吊下沉采用吊車。先起吊最底端節(jié)接頭管,讓接頭管對準端孔中心,垂直勻速下放,一直下到接頭管銷孔位置,用鋼管對孔插入接頭管,繼續(xù)將底管放下,使鋼管擔在拔管機抱緊圈上,松開公接頭保護帽固定螺釘,吊起保護帽放在存放處,用清水沖洗接頭配合面并涂抹潤滑油;然后吊起第二節(jié)接頭管,卸下母接頭保護帽,用清水將接頭內(nèi)圈結(jié)合面沖洗干凈,對準公接頭插入,動作要緩慢,接頭之間決不能發(fā)生碰撞,否則會造成接頭連接困難。吊起接頭管,抽出鋼管,下到第二節(jié)接頭管銷孔處,插入鋼管,下放使其擔在導墻上,再按上述方法進行第三節(jié)接頭管的安裝。依次安裝直到整體接頭管完成[5-7]。

準確掌握起拔時間是拔管法施工的關(guān)鍵,一般應(yīng)事前進行試驗,確定混凝土的初凝和終凝時間等參數(shù)。因為起拔時間小于初凝時間,混凝土尚未達到一定的強度,就會出現(xiàn)接頭孔縮孔甚至垮塌;起拔時間大于終凝時間,接頭管與混凝土的粘結(jié)力增大,增加了起拔難度,甚至接頭管被鑄死拔不出來[5]。

3 增強體心墻澆筑

一般防滲墻混凝土澆筑采用導管法。

3.1 施工要求

(1)導管法澆筑混凝土是將拌制好的混凝土通過導管輸送至心墻槽段底部,借助混凝土的自重使其自然流動擴散。因此,必須根據(jù)澆筑部位的外形要求,掌握混凝土漿液擴散半徑,以布置導管的位置和數(shù)量。根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗,一根導管的擴散半徑一般約3～3.5 m,澆筑塊體面積約4.5～6.0m2。(2)混凝土不振搗,靠自重擠壓密實,使用的標號應(yīng)較設(shè)計的標號提高20 %左右,澆筑墻頂應(yīng)高出設(shè)計值10 cm,待澆筑結(jié)束后,將高出的部分清除掉,以保證澆筑質(zhì)量。(3)在混凝土澆筑過程中,要保證進料,以確保澆筑的連續(xù)性。如無法避免間斷時間,以不超過混凝土初凝時間為限。所以為確保心墻防滲質(zhì)量,在選擇水泥時選用初凝時間較長為好,至少不宜小于2 h。(4)為保證混凝土在導管內(nèi)順溜暢通,混凝土應(yīng)具有良好的和易性,骨料最大粒徑不宜超過導管直徑的1/5。

3.2 施工要點

直升導管法的施工要點是將導管下至距底孔10～20 cm,導管內(nèi)放一比導管直徑小10 mm左右的浮球活塞,以便開始澆筑時把混凝土與泥漿隔開。澆筑時,先倒入坍落度為18～21 cm的水泥砂漿,再倒入混凝土,混凝土倒入量應(yīng)稍大于導管容積,以便一下把活塞壓至管底,滿管后,把導管提起一定高度(具體高度視活塞尺寸而定),使活塞溜出管口外,混凝土隨即流出,再把導管放到離孔底10～12 cm處,使導管底部插入已澆筑的混凝土中,隨即開始連續(xù)澆筑混凝土,隨著混凝土面的不斷上升,導管相應(yīng)提高,并逐節(jié)拆卸導管,直至將混凝土澆筑到設(shè)計高程為止。

導管的直徑可根據(jù)混凝土的級配和澆筑強度大小選定,一般為150～300 mm,混凝土入管強度為6.5～26.0m3/h。現(xiàn)場加工的導管一般壁厚為2.5～4.0 mm,管身要求內(nèi)壁光滑,起伏差應(yīng)小于±2 mm,以利活塞通過,還要求接縫的焊接質(zhì)量良好,在混凝土沖力作用下不應(yīng)開裂。非現(xiàn)場加工的導管在運輸、搬運過程中應(yīng)保證管身不變形,否則校正后方可使用。

3.3 混凝土配合比的選擇

在拌制混凝土時,在保證混凝土強度的條件下,應(yīng)配以必要的摻合料,常用的摻合料有粘土等材料,一般當水灰比為定值時,混凝土強度隨粘土摻量的增加而降低。根據(jù)試驗,當水灰比在0.65～0.70之間時,摻10 %～20 %的粘土,混凝土抗壓強度及抗?jié)B標號均滿足設(shè)計要求。

混凝土的配合比應(yīng)根據(jù)抗壓強度試驗確定。混凝土中的粘土摻合量,可直接采用不加堿的固壁泥漿(造孔泥漿一般都加占干土重1 %的純堿或0.4 %的燒堿)。

3.4 混凝土的澆筑

導管的布置應(yīng)滿足混凝土從導管流出后的擴散半徑要求,混凝土的擴散半徑除與混凝土的和易性和塌落度有關(guān)外,還與槽孔內(nèi)混凝土的上升速度直接有關(guān),一般上升速度快的導管,在混凝土入管澆筑時可取大值。當混凝土的和易性良好,塌落度穩(wěn)定時,混凝土面上升速度為1～5 m/h時,可選用擴散半徑1.5～3.5 m,據(jù)此布置導管間距。

4 大壩基礎(chǔ)帷幕灌漿

這是增強體土石壩“先筑壩,再做墻,后灌漿”施工流程的最后一環(huán),既是“收官”又很關(guān)鍵。大壩整個增強體心墻澆筑結(jié)束并達到養(yǎng)護期后,才進行壩基帷幕灌漿,使基礎(chǔ)和墻體形成整體防滲體系。這一步,應(yīng)按照設(shè)計[1]和相關(guān)規(guī)程規(guī)范[4-5,8]實施。

5 結(jié)語

(1)針對工程特點,做好技術(shù)交底工作,制定增強體心墻現(xiàn)場施工的各項準備工作,從材料購置至現(xiàn)場布置均應(yīng)實行嚴格的工序管理,保證施工現(xiàn)場的組織有序高效。

(2)參建各方應(yīng)及時召開各方會議,明確任務(wù)分工和責任落實,建立完善質(zhì)量保證體系和質(zhì)量檢查體系,突出難點和關(guān)鍵環(huán)節(jié),樹立起現(xiàn)場施工人員的責任意識和質(zhì)量意識。

(3)組織施工作業(yè)人員學習有關(guān)技術(shù)規(guī)程規(guī)范,明確操作流程和工序,當班事當班做完,既保證質(zhì)量又保證施工作業(yè)安全。

(4)方田壩水庫作為四川省首座完成的縱向增強體土石壩,自運行以來,壩體沉降、位移、應(yīng)力及滲漏量觀測指標均達到設(shè)計標準和相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求,施工質(zhì)量優(yōu)良,為同類壩型推廣應(yīng)用提供了良好的工程實踐和成功范例。