塑性混凝土在水電工程大壩防滲墻工程中的應用研究

單強 SHAN Qiang；齊書杰 QI Shu-jie

（①河南省河川工程監(jiān)理有限公司，鄭州 450000；②河南省水利第一工程局集團有限公司，鄭州 450000）

0 引言

從多年的試驗研究和工程項目實踐中可以看出，剛性混凝土防滲墻在大型建筑工程中，尤其是水電工程大壩中發(fā)揮了重要的作用，這不僅僅是在國內(nèi)，在國外應用同樣廣泛。然而在應用中，也存在著一些問題，如剛性混凝土的彈性模量太高，極限應變不大等。一般而言，剛性混凝土的彈性模量在200～300 萬N/cm2以上，而這將遠遠高出周圍地基。由此，基于上部強大的荷載作用，會加大防滲墻頂部和周圍地層的沉降差和變形，而防滲墻自身所承受的垂直壓力和側摩阻力將是巨大的，最終使得墻體內(nèi)部的實際應力值遠遠高于混凝土允許的抗拉強度值，墻體的實際應變也會急劇增大，所以，剛性混凝土內(nèi)部裂縫產(chǎn)生，降低了防滲的效果。

然而，使用塑性混凝土解決了這個工程難題。相比較剛性混凝土，塑性混凝土自身優(yōu)勢更加凸顯，其有著較低的初始彈模，較大的極限應變，也能夠更好地應對大幅度的變形，對防滲墻體應力狀態(tài)的改變能夠進行很好的改善。與此同時，塑性混凝土在實際應用中能夠減少水泥的用量，降低工程成本，所以其廣泛應用于我國的水利工程中。

1 水庫概況

研究對象某水庫從運行以來，滲水漏水現(xiàn)象一直存在，該水庫主要是防洪、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖，水庫的總容量為427.5 萬m3。在應用期間，已做過帷幕灌漿，但是滲水和漏水的問題仍未改善，包括下游壩坡位置，兩壩肩山體結合位置等，滲水漏水量仍舊很大，影響水庫的正常水流量。

2 防滲墻施工設計

結合水庫的實際地理位置和滲漏情況，進行塑性混凝土防滲墻的施工設計，具體方案如下：將混凝土防滲墻建造在大壩的軸線位置上，頂部和終澆高程分別為84.4m 和82.9m，墻體內(nèi)不透水層控制在1m 到2m 的范圍，其中滲透系數(shù)為N×10-6cm/s，彈性模量和抗壓強度分別為500～2000MPa 和R281.5～5.0MPa。對空斜率的要求為：特殊地層≤6‰，接頭孔≤4%。

3 大壩混凝土防滲墻施工方案

3.1 主要施工方法簡述

施工方法主要有以下幾點組成：

①成槽采用液壓抓斗；

②采用膨潤土泥漿護壁；③“泵吸反循環(huán)法”或“氣舉法”置換泥漿清孔；

④混凝土攪拌站拌和混凝土；

⑤混凝土輸送泵輸送混凝土；

⑥泥漿下直升導管法澆筑混凝土；

⑦采用“接頭管法”進行I、II 期槽段連接；

⑧25T 吊車輔助混凝土澆筑。

在施工的前期階段，要將混凝土和泥漿進行配比，試驗其性能，并送審批。在防滲墻中心位置進行試驗，分別將造孔、墻體混凝土澆筑、泥漿固壁、成槽等環(huán)節(jié)取得相關資料去送審批準，之后再進行施工。

3.2 施工準備

3.2.1 勘察地質(zhì)情況 對施工范圍內(nèi)的地質(zhì)情況、水文情況、地層情況進行了解，為施工工藝的選擇提供支撐。

3.2.2 清理場地 整理平整施工場地，將施工內(nèi)地下3 m 內(nèi)的施工障礙物進行清除處理。

3.2.3 進行試驗 在與防滲墻施工部位工程地質(zhì)條件相類似的地段進行實驗，以獲取相應數(shù)據(jù)參數(shù)。

3.3 施工方法

在防滲墻施工的過程中，要將其分為若干的槽段，將跳槽段設為施工順序，即完成了I 序槽段，直接進入II 序槽段。其中主要施工工序為：測量定位→導墻建造→抓孔成槽→清底→灌注混凝土等，其施工流程如圖1 所示。

圖1 槽孔式混凝土防滲墻的施工工藝流程圖

3.4 導墻施工

3.4.1 導墻結構

導墻所采用的結構均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，其強度等級是C20，跟腳要落在堅硬土層上，因此實際施工中，可以結合實際來調(diào)整。在確保導墻穩(wěn)定性的同時，也要確保其有一定的承載力，用以抵抗泥漿起落時的沖擊力，具體結構如圖2 所示。

圖2 導墻結構示意圖

導墻制作流程：測量定位→土方開挖→鋼筋制安→立?！艥仓鹉?、內(nèi)支撐。

3.4.2 精度要求

在導墻內(nèi)側寬的設計上，在防滲墻寬加出5cm，縱軸線與墻面允許偏差為±10mm，內(nèi)外墻間距允許偏差為±5mm。

3.5 泥漿制作

①在泥漿材料的制備中，主要采用的是優(yōu)質(zhì)膨潤土和少量粘土，泥漿材料的使用前都要進行檢測，符合檢測標準后才能使用。質(zhì)量控制主要指標為：比重1.1～1.3，粘度18～25S，含砂率≤5%，膠體率95%，必要時，加適量的添加劑，制備泥漿性能指標應符合表1 中規(guī)定。

表1 制備泥漿的性能指標表

②泥漿的拌制。

泥漿拌制系統(tǒng)要設置在防滲墻軸線以下的位置，在1平方米內(nèi)的攪拌機需要布置6 臺。貯漿池容量300m3。泥漿制漿系統(tǒng)配制的泥漿通過φ150mm 管線輸送到泥漿中轉(zhuǎn)站，再由中轉(zhuǎn)站分送各施工槽孔。

③泥漿處理。

在泥漿處理的過程中，要始終遵循以施工便利為根本原則，具體泥漿循環(huán)工序流程見圖3。

圖3 泥漿循環(huán)工序流程圖

3.6 成槽施工

在成槽施工工序中，采用沖擊鉆機鉆鑿端孔，接著用抓斗抓取副孔土體成槽，最后入巖用沖擊鉆。在速度推進的過程中，也可直接用液壓抓斗施工成槽。

3.7 清槽

在清槽的過程中，對槽底進行清渣，以提高防滲墻承載力，提高成槽的質(zhì)量。

3.8 墻體塑性混凝土澆筑

①塑性混凝土拌制。

對塑性混凝土進行拌制，所采取的是混凝土拌和站集中拌制，其原材料都要符合相關要求，另外，在稱重時，偏差不超過《水工砼施工規(guī)范》（DLT5144-2001）的規(guī)定，要求稱重設備要精準無誤，拌和程序和時間均應通過試驗確定。拌和系統(tǒng)流程見圖4。

圖4 拌和系統(tǒng)流程圖

②塑性混凝土采用泥漿下直升導管法進行澆筑。

導管內(nèi)徑250mm，密閉承壓試驗合格后進行安裝，安裝底部出口與槽底距離不大于250mm，導管采用吊車吊裝并固定高度。塑性混凝土開澆前，每個導管均下入可浮起的木制隔離球塞，并注入適量的水泥砂漿，備好足夠數(shù)量的塑性混凝土，初澆儲料斗容量為1.5m3，以使導管中的木球塞被擠出后，能將導管底部埋入塑性混凝土內(nèi)。

③在進行塑性混凝土澆筑的過程中，要對測量數(shù)據(jù)進行認真記錄，將各單元槽段的制作抗壓強度進行試件測試，將每五個槽段的制作抗?jié)B以及彈性模量試件進行分組測試，取樣要隨機進行。

3.9 接頭孔施工

一、二期槽孔間混凝土套接處理，采用φ400mm 接頭管法，保證槽孔可靠連結。接頭管直徑φ400mm，壁厚12mm，節(jié)長度3～6m，2 根接頭管下設在I 期槽孔內(nèi)。當一期槽成槽驗收合格后，在槽兩端下接頭管，砼澆筑后，根據(jù)控制時間與起拔力，起拔接頭管。接頭管起拔后，槽段形狀如圖5。

圖5 一期槽段成型后的平面示意圖

4 施工過程檢測控制

在施工過程中，檢測控制的項目有泥漿質(zhì)量檢測、水下砼澆筑檢測和造孔成槽檢測等，以下分別介紹三種主要檢測項目的內(nèi)容。

①泥漿質(zhì)量檢測，即是對泥漿的質(zhì)量進行的檢測，泥漿質(zhì)量包含：槽孔泥漿、新造泥漿的比重、含砂率等等，是否達到相應標準。

②水下砼澆筑檢測，即對塑性混凝土澆筑過程和質(zhì)量進行的檢測，塑性混凝土澆筑過程包含：澆筑速度、澆筑高度等等，是否達到相應標準。

③造孔成槽檢測，即對成槽深度和垂直度進行的檢測，在進行垂直檢測時，要注意將垂直度控制在1/300h，另外由于液壓抓斗自身裝有糾偏表，在操作中可適當進行處理。

5 施工質(zhì)量控制

5.1 槽孔質(zhì)量控制

對施工質(zhì)量控制之槽孔控制主要包含：防滲墻槽孔質(zhì)量、二期槽清孔換漿、清孔換漿質(zhì)量等。

①防滲墻槽孔質(zhì)量檢測，即對孔位偏差、槽壁平整度、接頭孔孔位中心、中孔入巖深度等進行質(zhì)量檢測。

②二期槽清孔換漿質(zhì)量檢測，即對接頭槽壁泥皮、孔底淤積厚度等進行檢測，其中用鋼絲刷鉆頭進行清洗，之后進行檢測。

③清孔環(huán)江質(zhì)量檢測，檢測包含：孔底淤泥厚度、槽內(nèi)泥漿密度、含砂率等等。

5.2 混凝土澆筑質(zhì)量控制

對混凝土澆筑質(zhì)量進行的檢測控制，主要包含：原材料、攪拌機、混凝、導管、槽孔口等等，對原材料進行分篩試驗，并結合一定的配比度；校核攪拌機；檢測混凝土塌落度以及擴散度；檢測導管埋深度是否符合相應要求；檢測混凝土面上升高度，確保其在合理范圍；檢測槽孔口蓋板；定時對槽孔內(nèi)混凝土面深度進行控制檢測，并繪制相應的指示圖；對混凝土防滲墻進行質(zhì)量檢測；對混凝土設計墻頂高度進行檢測控制；對混凝土澆筑的連續(xù)度進行監(jiān)測等等。

6 塑性混凝土防滲墻應用效果及經(jīng)濟效益分析

6.1 防滲效果

在塑性混凝土防滲墻應用中，對厚40cm 的防滲墻進行檢測，發(fā)現(xiàn)采取墻體鉆孔取芯檢測不適宜，而最后選擇了槽孔口混凝土隨機取樣，并對其進行了抗?jié)B、試壓、彈模試樣等，其中抗?jié)B試樣和彈模試樣都做了10 組，而試壓做了24 組。各組試樣都達到了設計的質(zhì)量要求，在混凝土防滲墻分工程中的質(zhì)量都為優(yōu)良的等級。在塑性混凝土防滲墻澆筑完成之后，滲漏的面積在逐漸減少，在完工后的30天，滲漏和潮濕情況基本消失，由此可見塑性混凝土防滲墻應用效果非常良好。

6.2 經(jīng)濟效益

從塑性混凝土防滲墻的應用和防滲效果中可以看出，成效顯著，且所取得的經(jīng)濟效益非常明顯。這里以某項目圍堰所選擇的常規(guī)混凝土防滲墻為分析對象，此工程中砼100#的混凝土中，每立方米用350kg 的混凝土水泥，然而僅用了170kg 的防滲墻塑性混凝土水泥，從這組對比數(shù)據(jù)中可以很明顯地看出經(jīng)濟效益，該項目在防滲墻總計混凝土應用約為19180 平方米，按照每平方米節(jié)約13 元來看，整個項目防滲墻節(jié)約大概在26 萬元左右?，F(xiàn)階段下，混凝土配比水泥用量仍然處在高位，這里可以根據(jù)有限元分析成果，對配比進行調(diào)整和優(yōu)化。

7 結束語

綜上，在對水電工程大壩防滲墻進行穩(wěn)定的過程中，采用塑性混凝土防滲墻，能夠起到良好效果，不僅能夠降低水泥用量，將施工流程化繁為簡，同時還能大大節(jié)省施工成本。另外塑性混凝土自身的強大應變力，能夠有效減少防滲墻內(nèi)應力，相比較剛性混凝土而言，有著較大的優(yōu)勢，因此在同類項目和工程中要廣泛應用。