深厚覆蓋層懸掛式超深混凝土防滲墻C形接頭工藝研究

【摘要】深厚覆蓋層建設(shè)高壩的技術(shù)難點(diǎn)之一是壩基滲漏及滲流控制措施，混凝土防滲墻工藝作為普遍應(yīng)用于大壩垂直防滲的技術(shù)措施之一，槽段之間通常采用接頭管工藝接頭，此工藝需準(zhǔn)確把握拔管的時(shí)機(jī)，而拔管受多種因素影響，接頭質(zhì)量控制難度較大。文章通過(guò)分析深厚覆蓋層懸掛式超深混凝土防滲墻的施工案例，總結(jié)了超深混凝土防滲墻工程的施工技術(shù)要點(diǎn)，提出了一種新型C形接頭工藝，該工藝可延長(zhǎng)滲流途徑，有效提高防滲效果，接頭質(zhì)量控制難度小。

【關(guān)鍵詞】深厚覆蓋層；懸掛式混凝土防滲墻；C形接頭施工工藝

【中圖分類號(hào)】TU74 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）11-0124-03

0 引言

隨著我國(guó)西部大開發(fā)和“西電東送”戰(zhàn)略的實(shí)施，水利水電工程的開發(fā)逐步向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移。由于西南地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件相對(duì)落后，這些工程多位于高原地帶，面臨山高谷深、氣候惡劣、覆蓋層深厚（500 m級(jí)）等自然挑戰(zhàn)，在建設(shè)過(guò)程中會(huì)遇到眾多技術(shù)難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，滲流原因?qū)е碌膰?guó)內(nèi)外大壩失事高達(dá)30%～40%。我國(guó)241座大型水庫(kù)土石壩的千次事故中，滲透破壞占31.9%。滲漏及滲流控制的措施主要有截水墻、防滲墻、帷幕灌漿等垂直防滲措施和上游黏土鋪蓋等水平防滲措施。特別是針對(duì)一批高壩工程，在覆蓋層厚度超過(guò)500 m的復(fù)雜地質(zhì)條件下，需要建設(shè)懸掛式混凝土防滲墻。本文通過(guò)分析深厚覆蓋層懸掛式超深（百米以上）混凝土防滲墻的施工案例，總結(jié)了西部地區(qū)該類工程的施工技術(shù)工藝選擇，旨在為類似項(xiàng)目提供技術(shù)支持和參考依據(jù)[1]。

1 防滲墻作用機(jī)理及接頭形式

混凝土防滲墻（以下簡(jiǎn)稱“防滲墻”）是在水工建筑物地基或土石壩（圍堰、堤）體中，利用鉆孔、挖槽機(jī)械，以泥漿固壁造孔挖槽，在泥漿下澆筑混凝土筑成的地下連續(xù)構(gòu)筑物。防滲墻包含若干單元槽段，相鄰槽段采用特定的接頭技術(shù)進(jìn)行連接，接頭的選型及施工質(zhì)量決定防滲墻的防滲質(zhì)量。防滲墻主要起防滲作用和提高土基的滲透穩(wěn)定性，在水利水電工程之外的其他基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)，統(tǒng)稱為地下連續(xù)墻。

2 防滲墻接頭形式選擇

目前用作防滲墻的接頭形式有3種，包括傳統(tǒng)的銑接頭、接頭管接頭及新型C形接頭。

2.1 銑接頭

銑接頭施工工藝是采用雙輪銑槽機(jī)銑削2幅完成的一期地下連續(xù)墻混凝土至一定厚度，可在一期槽上形成凹凸?fàn)畹凝X痕，起到類似新拌混凝土施工縫中的鑿毛作用。二期槽混凝土澆筑后與一期混凝土連成整體，地下連續(xù)墻接縫類似混凝土結(jié)構(gòu)中的施工縫。

2.2 接頭管接頭

接頭管施工工藝是指在一期槽段清孔換漿后，在其兩側(cè)下放圓形的接頭管，之后澆筑一期槽段混凝土。根據(jù)一期槽段混凝土的凝固情況起拔接頭管，原下放接頭管的地方構(gòu)成二期槽段主體，待二期槽段施工完成后，一期二期槽段形成圓弧接頭。

2.3 C形接頭

C形接頭施工工藝是指先在接頭位置施工與防滲墻方向垂直的單刀槽段，深度與防滲墻相同，采用塑性混凝土澆筑成型。之后通過(guò)銑削一半塑性墻形成一期槽段，銑削另一半塑性墻形成二期槽段，一期二期槽段接縫始終在塑性墻包裹范圍內(nèi)，形成C形的接頭，如圖1所示。

3 施工工藝選擇

3.1 槽壁加固體系選擇

針對(duì)上部存在軟弱地層的地區(qū)，往往采用高壓旋噴樁、三軸攪拌樁等水泥土加固樁的形式進(jìn)行槽壁加固，頂部1～2 m范圍內(nèi)常采用導(dǎo)墻的形式進(jìn)行加固，導(dǎo)墻與槽壁加固形成整體，避免漏漿。

3.2 成槽工藝選擇

成槽的主要設(shè)備有沖擊鉆機(jī)、沖擊反循環(huán)鉆機(jī)、鋼絲繩抓斗、液壓抓斗、液壓銑槽機(jī)。

目前主流的施工工法有鉆劈法、純抓法、純銑法、鉆抓法、抓銑結(jié)合法、鉆抓銑結(jié)合法[2-3]。以上工藝適應(yīng)于各種覆蓋層地層，通常在高精度要求下，都會(huì)使用抓斗及雙輪銑。針對(duì)滲透性強(qiáng)的地層采用“平打法”與“分段鉆劈法”。

對(duì)于陡坡硬巖地層，當(dāng)陡坡傾角大于70°時(shí)，特別是超深防滲墻工程，墻體嵌巖施工十分困難。陡坡硬巖段槽孔施工是制約工期的關(guān)鍵，若嵌巖深度不能保證，會(huì)嚴(yán)重影響工程質(zhì)量，其施工技術(shù)要點(diǎn)如下。

1）沿防滲墻軸線設(shè)置先導(dǎo)孔補(bǔ)充勘探，摸清巖石陡坡平面位置和坡面形狀。

2）先施工一期槽孔陡坡主孔。采用沖擊鉆機(jī)鉆進(jìn)，鉆至基巖陡坡最高點(diǎn)時(shí)，采用十字鉆頭鉆進(jìn)，手動(dòng)操作間斷沖擊，在鉆進(jìn)過(guò)程中加強(qiáng)檢查，發(fā)現(xiàn)孔歪時(shí)，回填塊石和碎石，及時(shí)修正，使陡坡斜面沖砸出臺(tái)階。當(dāng)采用鉆機(jī)沖砸臺(tái)階困難時(shí)，可在孔內(nèi)實(shí)施槽內(nèi)聚能爆破，通過(guò)爆破使陡坡斜面產(chǎn)生臺(tái)階或凹坑。在孔內(nèi)臺(tái)階位置放置專有定位器或套筒鉆頭，采用全液壓鉆機(jī)或地質(zhì)鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)爆破孔。鉆孔成功后，在定位管或定位器內(nèi)放置爆破筒，提升定位器進(jìn)行爆破。爆破后用沖擊鉆頭進(jìn)行沖擊破碎，直至終孔。

3）一期槽孔主孔終孔后，進(jìn)行相鄰副孔施工，利用主孔形成的臨空面，自上而下，一鉆壓一鉆向下施工，必要時(shí)輔以槽內(nèi)聚能爆破，直至槽孔施工完成。

4）由于陡坡段巖石堅(jiān)硬，鉆孔極易順坡溜鉆偏斜，除采用回填塊石修孔外，可采用定向聚能爆破糾偏。針對(duì)大孤石地層，采用槽內(nèi)聚能爆破方法破碎大孤石。槽內(nèi)聚能爆破方法的核心技術(shù)是保證定向彈的嚴(yán)格密封，使泥漿或水的壓力無(wú)法傳遞到定向彈內(nèi)部，經(jīng)旁多水利樞紐等工程應(yīng)用，可以成功完成200 m級(jí)深孔泥漿下的爆破，解決超深防滲墻深孔爆破的技術(shù)難題。

3.3 清孔裝備及技術(shù)

清孔的主要目的是清除底部沉渣及孔內(nèi)泥漿懸浮的砂。目前主流的清孔工藝包括：泵吸反循環(huán)、氣舉反循環(huán)、泵吸正循環(huán)。針對(duì)百米級(jí)防滲墻可采用泵吸反循環(huán)及氣舉反循環(huán)。泵吸正循環(huán)清孔是利用泵壓將底部泥漿通過(guò)管道抽至地面進(jìn)行凈化，凈化后再通過(guò)漿管從孔口補(bǔ)漿，由于所需的抽力極大，目前僅能借助雙輪銑設(shè)備進(jìn)行。氣舉反循環(huán)清孔是利用空壓機(jī)的壓縮空氣，通過(guò)安裝風(fēng)管將其送至槽孔內(nèi)，高壓空氣與泥漿混合，在導(dǎo)管內(nèi)形成一種密度小于泥漿的漿氣混合物，因其密度小而上升，在導(dǎo)管內(nèi)混合器底端形成負(fù)壓，槽孔底部的泥漿在負(fù)壓作用下上升，通過(guò)導(dǎo)管經(jīng)過(guò)凈化器將大顆粒砂石篩分出來(lái)，凈化后的漿液通過(guò)管道在孔口補(bǔ)漿，形成孔底抽漿、孔口凈化補(bǔ)漿的內(nèi)循環(huán)。

3.4 接頭技術(shù)

接頭管一般采用卡鍵直接頂升管體方式，保證了拔管機(jī)卡鍵與接頭管的牢固結(jié)合[4]。液壓站的設(shè)計(jì)采用大、小兩個(gè)雙油泵系統(tǒng)。大油泵主要用于正常的起拔，小油泵用于拔管初期，可以連續(xù)地微動(dòng)起拔，控制混凝土與管壁黏結(jié)力的過(guò)度增長(zhǎng)。在拔管過(guò)程中，尤其是超深防滲墻等深度較大的防滲墻工程，由于澆筑的混凝土性能欠佳、接頭管下設(shè)垂直度偏差、起拔時(shí)間掌握不準(zhǔn)確、起拔速度不合理等問(wèn)題極易造成接頭管鑄管事件，致使終凝的混凝土將接頭管牢牢固定在槽段中，導(dǎo)致拔管失敗，被迫中斷該槽段的施工作業(yè)，影響整體防滲墻的工程質(zhì)量和工期進(jìn)度。C形接頭與之相比有多個(gè)突出優(yōu)勢(shì)，首先，前期不需要耗費(fèi)大量時(shí)間設(shè)計(jì)、制造、加工接頭管，節(jié)省鋼材成本和加工時(shí)間；其次，對(duì)于超深混凝土防滲墻工程，C形接頭工藝消除了接頭管拔管失敗等風(fēng)險(xiǎn)，降低了工程整體的安全隱患；再次，C形接頭擁有較長(zhǎng)的滲流路徑，能極大提高接頭處的防滲性能，提升防滲墻工程的整體質(zhì)量；此外，C形接頭還具有施工工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量控制方便、工程質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此，相較于接頭管技術(shù)，C形接頭技術(shù)更適用于超深混凝土防滲墻工程。

3.5 接頭處理技術(shù)

接頭一般采用鋼絲刷，由牽引設(shè)備（鉆機(jī)）掛著鋼絲刷，對(duì)側(cè)壁泥皮進(jìn)行清理，待刷子無(wú)泥后，即視為刷壁干凈。防滲關(guān)鍵在于接頭的刷壁質(zhì)量。針對(duì)C形接頭，利用雙輪銑設(shè)備搭載自研的沖刷一體裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)槽壁的無(wú)死角沖刷。

3.6 混凝土澆筑技術(shù)

混凝土澆筑都采用水下導(dǎo)管直升法[5]。接頭管法施工對(duì)混凝土的澆筑速度有較高要求，澆筑速度過(guò)快會(huì)直接影響接頭管在混凝土中的受力，壓力會(huì)因握裹力的增加而突然上升，影響接頭管的起拔，甚至造成鑄管。

4 施工技術(shù)應(yīng)用

4.1 工程簡(jiǎn)介

項(xiàng)目采用C形接頭的防滲墻，施工深度百米級(jí)。先采用高壓旋噴樁對(duì)上部20～30 m進(jìn)行槽壁加固，導(dǎo)墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4.2 工藝選擇

1）槽壁加固體系選擇。針對(duì)本工程地質(zhì)條件，上部砂卵石層適合采用高壓旋噴樁為槽壁加固，頂部采用倒L形導(dǎo)墻作為平臺(tái)及頂部蓄漿結(jié)構(gòu)。本工程采用“倒L導(dǎo)墻+高壓旋噴樁”槽壁加固體系較為合適。導(dǎo)墻施工前須挖至高壓旋噴樁頂部，并作鑿毛處理，使導(dǎo)墻與高壓旋噴樁連成整體。

2）成槽工法選擇。針對(duì)本工程精度要求及地質(zhì)條件，主要成槽設(shè)備選用雙輪銑，輔助成槽設(shè)備選用抓斗（主要針對(duì)局部粉質(zhì)黏土層）、沖擊鉆（主要針對(duì)大孤石），通過(guò)抓斗、沖擊鉆彌補(bǔ)雙輪銑設(shè)備粉質(zhì)黏土層糊輪、降低泥漿性能、無(wú)法處理大孤石地層的缺點(diǎn)，形成高精度施工深厚覆蓋層超深防滲墻的成槽工法。此工法安全可靠、質(zhì)量可控、綜合成本最優(yōu)。

3）支撐液技術(shù)。支撐液是保持超深槽段槽壁穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，根據(jù)工程深度及地質(zhì)條件（220 m深，主要以砂層為主），選用鈉基膨潤(rùn)土作為支撐液的原料。

4）接頭刷壁技術(shù)。本工程存在2種接頭形式的接縫，為了解決傳統(tǒng)鋼絲刷工藝無(wú)法徹底清理接縫的問(wèn)題，利用雙輪銑自帶的泵或外接泥漿泵，研制了沖刷一體裝置。裝置含沖洗系統(tǒng)及鋼絲刷系統(tǒng)，沖洗系統(tǒng)利用雙輪銑自帶的泵從孔內(nèi)抽泥漿，通過(guò)泥漿泵加壓傳至沖洗系統(tǒng)，沖洗系統(tǒng)形成高速射流體沖刷接縫，可實(shí)現(xiàn)接縫無(wú)死角沖刷[6]。

5）超深槽段清孔技術(shù)。針對(duì)接頭管接頭，一次清孔完成后，由于中間安裝接頭管、定位架等時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，需進(jìn)行二次清孔，單純正循環(huán)往往清孔效率低，達(dá)不到超深槽段清孔要求。本工程采用“脈沖正循環(huán)+氣舉反循環(huán)”結(jié)合清孔工藝。氣舉法反循環(huán)清底原理是通過(guò)澆筑導(dǎo)管將空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮氣體輸入地連墻槽底部，高壓氣體與泥漿混合在導(dǎo)管內(nèi)形成大量比重較小的泥漿氣泡。泥漿氣泡因其比重小而上升，在導(dǎo)管內(nèi)混合器底端形成負(fù)壓，導(dǎo)管下方的槽底泥漿在負(fù)壓作用下攜帶沉渣從導(dǎo)管排出，槽段外持續(xù)補(bǔ)漿，形成泥漿反循環(huán)，從而達(dá)到清底作用。脈沖正循環(huán)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在于將補(bǔ)充漿液由原本的液面注入調(diào)整為槽底回流，并疊加脈沖作用力，對(duì)槽底沉渣起到定向擾動(dòng)起懸的作用，而對(duì)槽身附著的泥皮無(wú)渦流干擾。在槽體幾何尺寸限制和氣舉循環(huán)連續(xù)泵吸的條件下，槽底沉渣能快速地被靶向清理。

6）超深槽段澆筑技術(shù)。為了確保超深槽段澆筑順利，需從泥漿指標(biāo)、混凝土指標(biāo)、導(dǎo)管選型、導(dǎo)管埋深等方面綜合研究控制。①清孔后的泥漿指標(biāo)含砂率＜1%；②導(dǎo)管內(nèi)徑300 mm，壁厚8 mm，導(dǎo)管埋深控制2～4 m；③混凝土坍落度180～220 mm，擴(kuò)展度＞500 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

1）超深覆蓋層下，超深懸掛式防滲墻可采用“鉆抓銑”工藝進(jìn)行成槽施工：①針對(duì)高精度要求防滲墻，建議采用抓銑接頭成槽，黏土層采用抓斗施工；②針對(duì)強(qiáng)滲透地層，采用“平打法”與“分段鉆劈法”；③遇到陡坡硬巖地層時(shí)，采用“鉆爆法”；④針對(duì)深層孤石，采用“槽內(nèi)聚能爆破方法”。

2）深厚覆蓋層泥漿宜選用鈉基膨潤(rùn)土作為原材料，并需要進(jìn)行原位試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證泥漿的可行性，固化泥漿配比。

3）一次清孔宜采用雙輪銑進(jìn)行泵吸反循環(huán)清孔，二次清孔采用氣舉反循環(huán)清孔工藝，配合高性能除砂機(jī)，快速將孔內(nèi)懸浮砂降至1%及以下。

4）針對(duì)百米級(jí)防滲墻，建議采用C形接頭工藝施工，成槽過(guò)程勤換泥漿。

5）接頭清理工藝建議采用雙輪銑+沖刷一體裝置，可實(shí)現(xiàn)無(wú)死角沖刷。

參考文獻(xiàn)

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