第十一节混凝土防渗墙工程实例.docx

第十一节 工程实例

1 小浪底水利枢纽主坝防渗墙
1.1工程概况
黄河小浪底工程拦河坝为内铺盖壤土斜心墙堆石坝，最大坝高154m（图7-11-1）。为解决坝基河床覆盖层的渗漏问题，在心墙下设混凝土防渗墙。防渗墙轴线长464.03m防渗面积约21174m2，其中桩号DGD＋246.4m～DGD＋653.8m为水下浇筑的槽孔式防渗墙，防渗面积15950m2，两岸为开挖至基岩露天浇筑的混凝土防渗墙。小浪底水利枢纽主坝防渗墙是我国目前最深的防渗墙。
图7-11-1 小浪底主坝混凝土防渗墙
上：主坝剖面；下：防渗墙纵剖面；1-第二期工程；2-第一期工程
防渗墙轴线处地址情况复杂，覆盖层深厚，最深处达80多m。自上而下大致可分成4层：表砂层、上部砂卵石层、底砂层和底部砂卵石层。在上部砂卵石层中分布有厚约lm～4m的夹砂层透镜体；底砂层位于高程80～10Om之间，厚度10～20m。河床基岩为二迭系的粘土岩和三迭系的砂岩。河床深槽右侧有高约45m的基岩陡坎，岩坎坡度约1∶0.60。
防渗墙设计厚度1.2m，墙体嵌入基岩l～4m，墙顶设计高程分别为126m、130m和138m，在126m高程以上的墙内设置钢筋笼。墙段之间采用钻凿法连接。接头孔孔斜率要求不大于0.2%，其余部位孔斜率不大于0.4%。墙体混凝土设计标号R90=35MPa(保证率85%)，变形模量E=30000MPa，抗渗标号不小于W8，混凝土坍落度18～22cm，扩散度34～38cm。
小浪底工程系部分利用世界银行贷款兴建，主体工程采用国际招标。为争取工期，在国际招标完成前利用内资进行了主坝混凝土防渗墙右岸部分墙体的施工。即第一期工程。余下的左岸部分，于截流后开始施工。
1.2防渗墙的施工
1.2.1第一期工程
右岸部分防渗墙轴线长259.60m，总计完成造孔进尺15183.70m，截水面积10540.63m2，浇筑混凝土21526.90m3，最大墙深81.90m，是我国已建成的防渗墙中最深的。
本期防渗墙分为43个槽孔，单数号槽孔为一期槽，双数号槽孔为二期槽。槽孔长度为6.60～8.70m，主孔长均为1.20m，副孔长1.30～1.95m，其中大部分槽孔长7.20m，副孔长1.80m。
采用CZ30型和CZ22型钢绳冲击钻机造主孔，液压导板抓斗抓部分副孔，另一部分副孔采用钻劈法施工。总计投入冲击钻机20台，液压导板抓斗1台，2m3卧式泥浆搅拌机10台。为避免相互干扰，冲击钻和液压导板抓斗分别布置在槽孔两侧，抓斗抓出的砂卵石由装载机装自卸卡车运走。施工高峰时抓斗抓取副孔的工效达到48.0m2／台日，冲击钻钻凿主孔的工效达到l.8m2／台日，钻劈副孔的工效达到3.0m2／台日，钻凿粉煤灰混凝土接头孔的工效为2.3m2／台日。
防渗墙混凝土由JS500型卧轴强制式混凝土搅拌机拌和，由自动称量系统称量骨料，人工加水泥和掺合料。搅拌站生产能力为53m3／h。搅拌好的混凝土由6m3搅拌运输车运至槽孔口卸至接料漏斗。
造孔泥浆由设在右岸滩地上的10台2m3泥浆搅拌机生产，备有6个储浆池，总容积900m3，日制浆能力548m3。
当地粘土质量较差，粘粒含量仅为35%，为拌制合格的泥浆，在制粘土浆时加入了少量的膨润土和碱粉(表7-11-1)。
表7-11-1 加入膨润土对当地粘土泥浆性能改善的情况
产地
膨润土加量(%)
加碱量(%)
密度
(g/cm3)
粘度
(s)
含砂量
(%)
失水量
(mL/30min)
稳定性
胶体率
(%)
泥皮厚
(mm)
pH值
静切力(Pa)
1min
10min
规程
要求

1.15～
1.25
20～
25
＜5
＜10
≤0.03
≥96
2～4
7～9
2～3
5～10
梁村土
—
0.40
1.25
18.0
6.2
21.1
0.031
97
5.0

0.59
1.35
10
1.40
1.25
24.5
0.9
12.0
0
100
2.0
8～9
3.07
3.43
工程开始使用的混凝土早期强度太高（R5＝30.7MPa，R28＝44.1MPa），给钻凿接头孔带来很大的困难。前期所造的15个接头孔中有8个因孔斜过大而报废，其中有的孔只钻凿了5.2m就因孔斜过大而无法继续钻进，最后只有向孔内回填质地坚硬的卵石以重新修孔钻进。修孔和钻凿接头孔工作量总计385m，其工效为1.15m2／台日。为此，后期研究并采用了早期强度较低，而后期强度较高的掺粉煤灰混凝土，该种混凝土的物理力学指标如表7-11-2。
表7-11-2 粉煤灰混凝土强度指标
指标
R7
R14
R28
R60
R90
R360
E90
W
(MPa)
(MPa)
90d
试验室
7.8
16.7
24.7
34.2
37.8
46.5
23300
≥S8
机口取样
15.8
19.4
28.7
31.4
38.7
47.8
30800
＞S12
为了监测混凝土质量，对39个槽孔的混凝土均进行了机口取样，求得28d和90d的抗压强度。对部分槽孔取样还求得7d、14d、60d和360d的抗压强度、抗渗指标以及弹性模量。对90d抗压强度试验结果进行了数理统计分析得到，R90=38.7MPa，标准差σ=3.8MPa，离差系数Cv=0.098，强度保证率P=93.5%，合格率100%。抗渗标号均在W12以上，弹性模量E=30000MPa左右。从统计结果看，混凝土质量控制均匀，按《水利水电基本建设单元工程质量等级评定标准》(SDJ249-88)评定，混凝土质量应属于优良之列。
经验收的43个接头孔中，测斜总计1974点，孔斜率小于2‰的1938点，占98.2%，大于2‰的测点亦可满足墙厚1.2m的要求。槽孔其它部位的测斜点总数为2944个，小于4‰的测点占99.9%，还有2个点也能满足墙厚的要求。
混凝土浇筑面的平均上升速度为2.50～5.22m／h，浇筑的最高速度为55.00m3/h。
防渗墙体内埋设了应变计、无应力计、土压力计、倾角计等共20支，墙外和墙底基岩中埋设了渗压计5支，埋设仪器的成活率为100%。
1.2.2第二期工程
左岸部分墙长15lm，最大深度70.3m，由国外承包商施工。自1997年10月28日截流开始进行施工准备，1997年12月8日开始造孔，1998年3月10日完成，历时93天。采用本章第九节所述图7-9-7的墙段接头方式，共分23个主槽孔和22个横向接头槽孔。总计完成1.2m厚的混凝土防渗墙5101m2，浇筑混凝土7399m3。
施工中采用了4台钢绳抓斗和1台液压铣槽机，并配以11t的重锤。对河床砂砾石层用抓斗挖槽，对大漂石、基岩用双缆吊车吊重锤击碎，对混凝土接头和风化岩用液压铣槽机铣削。孔斜通过液压铣槽机上装备的槽孔垂直度自动测定装置进行测控。最后由铣槽机进行清孔换浆。这些机械的组合和应用大大加快了施工进度。经测定1台抓斗的平均挖槽工效为1.95m2/h，扩孔系数为约1.18。
泥浆制备和循环系统包括1台2m3泥浆搅拌机、1台450m3/h的振动除砂机和1台100m3/h的除砂过滤机，对液压铣槽机从槽孔中抽出泥浆回收除渣，循环再用。系统有3个300m3的贮浆池。造孔泥浆由法国产膨润土制成，主要指标为，密度≤1.1g/cm3；马氏漏斗粘度35～45s，含砂量＜3%，pH值8～12。
混凝土系统为一座60m3/h的自动拌合楼，用4台容量7m3的混凝土拌和车运输，浇筑采用直升导管法，混凝土面的平均上升速度为4m/h。
该工程采用的用横向接头孔浇筑低标号混凝土包裹接缝的方法，22个接头孔用去低标号混凝土(R28=3.8MPa，大于W6)4210m3。
墙体混凝土的配合比为水泥400kg/m3，砂452kg/m3，石子1358kg/m3，水180kg/m3。机口取样的试验结果，混凝土28d的抗压强度最大值为49.3MPa，平均值为45.0MPa，抗渗标号均大于W8。
对墙体布设的13个直径110mm的检查孔取芯结果表明：3个骑缝孔取芯率98%，进行5段压水试验透水率为0～2.42Lu。9个垂直孔和斜孔取芯率为100%，进行17段压水试验透水率为0～1.97Lu，透水率较大值出现在墙体顶部5～10m处或墙体与基岩接触处。
小浪底水利枢纽主坝防渗墙由于深度较大，地层复杂，墙体较厚，混凝上标号较高，因而被视为枢纽工程的四大难题之一。它的建成标志着我国的防渗墙施工技术又上了一个新台阶。
2 长江三峡水利枢纽二期上游围堰混凝土防渗墙
2.1工程概况
长江三峡水利枢纽拦河坝最大坝高183m，水电站总装机容量18200MW，是世界上最大的水利水电工程。三峡二期围堰由上、下游土石围堰和右岸混凝土纵向围堰组成(图7-11-2)，共同保护二期主体工程溢流大坝和电站大坝的施工，使用年限7年，是三峡工程最重要的临时建筑物之一。土石围堰断面采用两侧石渣夹风化砂堰体垂直防渗的结构型式。其中上游围堰全长1439.60m，堰顶高程88.50m，最大高度82.50m，防渗墙4.22万m2，墙顶高程86.20m，帷幕灌浆7789.00m，土工膜3.72万m2，振冲4.39m2。

图7-11-2 长江三峡水利枢纽二期围堰平面布置(上)及上游围堰剖面图
围堰地基地质条件复杂，表层为厚5～10m的粉细砂层，影响围堰地基的渗透稳定性。原河漫滩残积冲积层内有花岗岩石质的块球体，基岩全强风化层中也有包裹着的块球体，块径一般1～3m,最大5～7m，石质坚硬完整，饱和抗压强度达100MPa。基岩为闪云斜长花岗岩，弱风化岩体坚硬。河床左侧基岩面有倾向河心和下游、倾角大于70°的双向陡坡陡坎，上下高差近30m。这些条件对防渗墙施工极为不利。
堰体防渗结构为塑性混凝土防渗墙上接土工合成材料，墙下透水岩体采取帷幕灌浆处理。上游围堰深槽段162.0m采用双排防渗墙，两墙中心间距6.0m，最大深度73.5m，墙厚1.0m、0.8m，嵌入岩石深度0.5～1.0m。墙体材料抗压强度R28=4～5MPa，抗折强度T28≥1.5MPa，初始切线弹模E0=700～1000MPa，渗透系数K=1×10-7cm/s，允许渗透坡降J＞80。
2.2防渗墙的施工
2.2.1施工过程
第一阶段：1996年9月23日～1997年4月26日，在墙体轴线右端头140.465m的范围进行液压铣槽机试验，主要完成了BC30铣槽机性能和生产性试验。试验设备除1台BC30铣槽机外尚有GSD机械式抓斗、SM400全液压工程钻机、CZF-1500冲击反循环钻机各1台。进行了固壁泥浆、硬岩钻爆、灌浆管埋设、槽孔倾斜度检测、预灌浓浆等5项专题工艺试验，总计完成工程量3740m2，成墙效率1200m2/台月。收集了大量试验数据，为下一阶段大施工积累了经验，选定了施工方案。
第二阶段：1997年5月5日～1997年9月20日，左、右岸预进占段共227.9m长的防渗墙施工，其目的是为了争取工期，降低高峰期的施工强度。
本阶段主要成槽设备为BC30铣槽机1台，GSD机械式抓斗1台，SM400液压工程钻机1台，CZF-1500冲击反循环钻机9台，CZF-1200冲击反循环钻机6台。
左段采用了“两钻一抓”法成槽，墙段连接采用“双反弧接头槽”法。完成工程量2997m2。右段采用铣槽机与冲击钻配合的“铣钻结合”法成槽，墙段连接采用钻凿法和铣削法，完成工程量4737m2，施工工效达到1068m2/台月。两段共完成工程量7506m2，最高月成槽孔3166m2，最高月成墙2345m2。
第三阶段：1997年11月15日～1998年8月，左右漫滩和河床部位共676.98m长的主要墙段施工，在大江截流、施工平台形成及对堰体风化砂振冲加密后进行。主要施工设备为BC30铣槽机1台，GSD机械式抓斗1台，BH12液压抓斗1台，SM400全液压工程钻机3台，CZF-1200、CZF-1500冲击反循环钻机共25台，CZ-22、CZ-30钢绳冲击钻机20台。左右漫滩采用“两钻一抓”法成槽，槽段连接采用双反弧接头法和钻凿法。深槽段采用“铣抓钻结合”法成槽，墙段连接采用钻凿法。对块球体采用各种爆破措施。该阶段完成工程量30769.12m2。最高月成槽孔6070.86m2，最高月成墙6440.39m2。
三个阶段总计完成墙轴线长992.35m，截水面积42244.26m2，浇筑混凝土59652.84m3，墙下帷幕钻孔灌浆7789.22m。最大墙深73.50m，平均墙深42.91m。根据不同的墙深确定三种不同的墙厚0.8m、1.0m和1.1m。
整道墙体被分成245个槽段，槽段长一般为5.9～7.5m。墙体材料根据不同的槽深分为两种，孔深小于40m者采用柔性材料，孔深大于40m者采用塑性混凝土。
2.2.2成槽方法
(1)“两钻一抓”法，见本章第六节。
(2)“铣砸爆”法，其工艺要点是对风化砂、粉细砂、砂卵石和全风化岩用铣槽机铣削，对块石、块球体和强、弱风化岩采用钻爆法爆破，或用6t重锤冲击砸碎后进行铣削。
(3)“铣钻抓结合”法，其工艺要点是对上部风化砂用铣槽机铣削；对风化砂中所夹之块石、平抛石及覆盖层中的砂卵石由抓斗(配10t重锤)抓取；下部基岩、混凝土接头及部分砂卵石由冲击反循环钻机钻凿。该法三种设备互相配合充分发挥各自的优势，实现了12.3m2/d的较高工效。
2.2.3墙段连接方法
本道防渗墙除了采用传统的钻凿法接头外，还采用了43个铣削法接头和31个双反弧接头。
2.2.4陡坡、块球体及硬岩处理
强度大于100MPa的坚硬花岗岩、块球体以及左侧大于70°陡坡段的钻凿是本工程的最大难题。施工中除采用了传统的槽孔内聚能爆破外，还大量采用了地面钻孔预爆和槽内钻孔爆破。地面钻孔预爆采用全液压工程钻机和偏心扩孔跟管钻具，大大提高了钻孔工效，经钻爆后铣槽机在花岗岩中之工效提高2～3倍，冲击反循环钻机提高工效1～2倍。陡坡段钻进采用了一种专门设计的槽内定位爆破工艺效果良好。
2.2.5平抛垫底层及其它漏失层的处理
根据截流要求，二期围堰填筑深槽段采用平抛砂卵石垫底，最厚达20余m。此外在防渗墙轴线其它部位也存在块石架空或砂卵石漏失区。对于这些造孔时严重漏浆的部位，一般可用先导孔查明漏失范围和估计漏失量的大小，然后采用偏心扩孔跟管钻具钻孔并灌注浓浆。灌浆孔距1.0～1.5m；灌浆段长0.75m，灌浆压力0.15～0.20MPa。所使用的浆液有膨润土浆、水泥膨润土浆、水泥水玻璃膨润土浆、水泥砂浆等。
2.2.6固壁泥浆
由于地质情况复杂，又采用冲击反循环钻机、抓斗和液压铣槽机施工，这就对固壁泥浆提出了很高的要求，因此采用了密度较小的低固相膨润土泥浆。膨润土为湖南澧县产钙基膨润土，泥浆的配合比(%)为：水100，膨润土6、碳酸钠0.4。泥浆的性能为：密度1.043g/cm3，粘度33s，失水量19.8mL/30min，泥皮厚1.4mm，动切力5.6Pa，1min静切力4.2Pa，10min静切力11.2Pa。
泥浆的制备采用NJ1500型泥浆搅拌机，该机的生产能力为15m3/h，搅拌时间不小于5min，浆液搅拌后经24h膨化，粘度提高10%。使用后的泥浆经与铣槽机配套的BE500型泥浆净化系统及与反循环钻机配合的JHB型泥浆净化机，进行筛分和旋流净化处理，除去0.076mm以上的颗粒，重新回到贮浆池中。清孔换浆后的泥浆指标为密度不大于1.1g/cm3，粘度20～35s，含砂量小于3%。
2.2.7混凝土材料和搅拌运输系统
上游围堰左右两端各设混凝土搅拌站1座，均由4台JS500型强制式混凝土拌和机及其配料系统组成，另配4～5辆6m3混凝土搅拌运输车，负责供应混凝土浇筑。
墙体混凝土材料有两类，槽孔深度小于40m者采用柔性材料，槽孔深度大于40m者采用塑性混凝土，两种混凝土材料的配合比见表7-11-3。
表7-11-3 每m3混凝土材料用量表(kg)
材料种类
水泥
卵石
风化砂
天然砂
膨润土
水
粉煤灰
分散剂
外加剂
柔性材料
260
—
1370
—
70
370
—

1.3
塑 性
混凝土
180
72
—
1341
100
282
80
0.027
0.9
260

石渣粉1385
80
330

0.27
1.7
墙体材料施工特性：入槽坍落度20～24cm，坍落度保持15cm以上的时间不小于1h，扩散度35～40cm，初凝时间＞6h，终凝时间≤24h。
墙体材料检验成果：抗压强度R28≥4MPa，深槽段R28≥5MPa；抗折强度T28≥1.5MPa；初始弹性模量Ei＜1500MPa，Ei/R28＜250；渗透系数K28＜i×10-7cm/s；允许渗透比降J＞80。
2.3墙内仪器埋设和原型观测
为了监测防渗墙的运行情况，确保工程安全，二期上游围堰共布设了6个观测断面，埋设了141支仪器。河床深槽部位典型断面埋设的仪器有：测压管3支、渗压计16支、测斜管3支、应变计16支、无应力计4支、压应力计2支、土压力计16支、其它14支。自第一道墙完成，基坑开始抽水(此时第二道墙尚在施工)以来连续进行观测。
根据对观测资料的分析，认为：
(l)根据测斜仪资料显示，防渗墙变形虽大，最大达570mm，但墙体未出现明显位错现象，即变形分布曲线比较平滑，没有明显拐点出现。
(2)堰体水位随基坑水位下降而下降，两道防渗墙间渗压水位虽有些偏高，但目前呈下降趋势。
(3)防渗墙实测最大压应力为1.392MPa，拉应力为0.043MPa，拉压应力均在材料允许强度范围内。
(4)对堰体巡视检查，未发现坍滑及严重渗漏现象。
因此得出结论，上游围堰的工作性态基本正常。
2.4工程质量的检查与评价
防渗墙工程质量检查按规范及设计要求进行，包括原材料检测、混凝土现场及机口取样检测、槽孔地质鉴定及孔形验收、成墙后钻检查孔取芯、注水试验等诸多项目。在上游围堰深墙段孔形验收中，采用了先进的日本KODEN公司制造的超声测井仪。检查结果表明，防渗墙施工质量满足设计要求，单元工程合格率100%，优良率大于80%，属优良工程。与此同时下游围堰防渗墙也圆满完成任务，基坑在1998年汛期完成了抽水，并经历长江八次洪峰的考验，承受水头近50m，围堰漏水量远远低于设计要求。
三峡二期上游围堰在安全地运行了5年后，于2002年拆除。
三峡二期上游围堰防渗墙，工程规模大、施工强度高、技术难点多，其综合技术难度在国内外都是少见的，其成功实践，是我国混凝土防渗墙建设史上的里程碑，标志着我国的混凝土防渗墙施工技术已经跃入国际领先水平。

参 考 文 献

1 高钟璞等.大坝基础防渗墙.北京：中国电力出版社，2000
2 水利电力部水利水电建设总局.水利水电工程施工组织设计手册(第三卷 施工技术).北京：水利电力出版社，1987
3 水利部.SL174-96.水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范.北京：1997
4 国家经济贸易委员会.DL/T5144-2001.水工混凝土施工规范.北京：2002
5 国家计划委员会.GBJ107-87.混凝土强度检验评定标准.北京：1988
6 丛蔼森.地下连续墙的设计施工与应用.北京：中国水利水电出版社，2001
7 《中国水力发电工程》编审委员会.中国水力发电工程（施工卷）.北京：中国电力出版社，2000
8 肖恩尚，潘三行.混凝土防渗墙接头拔管技术取得关键性突破.见：中国水利学会地基与基础工程专业委员会.水利水电地基与基础工程新技术.天津：天津科学技术出版社，2002