松散砂卵石层中砼防渗墙超前支护试验研究.doc

松散砂卵石层中砼防渗墙
超前支护实验研究

摘要： 介绍了西藏直孔水电站CII标在松散砂卵石地层中采用超前支护工艺进行砼防渗墙成槽的实验目的、工艺及成果,对超长、超深、大断面开挖的三维应力及渗漏进行了模拟研究。
关键词： 松散砂卵石地层 三维应力模拟 砼防渗墙 超前支护

1 实验目的
西藏拉萨河直孔水电站坝基覆盖层深50-150m，地层松散，坝基渗透系数大，为防止水库漏水，设计在坝基下建造深18-79m、厚0.8m、长1010.5m的砼防渗墙。在砂卵石颗分曲线中，细颗粒含量偏少，粉、粘粒含量小于8%;砼防渗墙采用常规的钻劈法、反循环、抓斗法施工存在槽孔易垮塌、漏浆严重、工效低的难题。因此，为了满足工程质量和进度规定，我部结合砼防渗墙设计和地质地层实际情况，在通过充足探讨和论证的基础上，提出“松散砂卵石层中砼防渗墙超前支护方案”，以解决松散砂卵石层中砼防渗墙成槽的难题，由于该方案属于技术创新，为充足验证方案的可行性，业主、监理、设计、施工四方通过多次讨论，为稳定起见，决定在桩号1+022-1+046段进行松散砂卵石层中砼防渗墙超前支护实验，根据实验研究成果，决定该施工方案是否可行。该项实验目的如下：
1.1 实验施工方案中提出的分段、分层、钢筋结构、钢支撑等参数及工艺是否可行;
1.2 研究超长、超深、大断面垂直挖槽方案的应力分布状况及对渗漏影响；
1.3 与常规的冲击钻成槽进行技术比较。
2 三维应力及渗漏模拟研究
2.1 模型介质参数及边界条件
(1) 模型介质参数
根据成勘院对西藏直孔水电站地质的勘测及水电七局直孔项目部的施工方案等技术资料并参考已有的研究经验,选取模型中各类介质的物理力学参数及指标( 表1 ),作为应力─形变反演模拟的计算依据。其中，钢支撑材料各项参数的选择以建模的相似原理为准则作相应的调整。
表1 模型介质物理力学参数取值
物理力学 参数

地层介质
弹性 模量E(MPa)
泊松比μ
初始内聚力C0(MPa)
初始内摩擦角φ0(°)
残余内聚力C’ (MPa)
残余内摩擦角φ(°)
密度
ρ。(g/cm3)
抗拉 强度(MPa)
fglQ2
60
0.34
0.0
35
0
35
2.24
0
alQ3
50
0.35
0.0
33
0
33
2.23
0
alQ4
50
0.37
0
31
0
31
2.23
0
支撑
2400 (换算)
0.15
80
40
50
30
3.00
200
(2) 模型边界条件
考虑到模型非自由边界远离重点研究部位,边界条件可适当简化为:坝基应力─形变计算模型底部设立垂向约束的连杆支座,左、右侧作为积极边界施加水平构造力(σ=5.0 MPa )；槽孔垂向挖掘应力─形变计算模型底部设立垂向约束连杆支座,两侧施加水平侧压力； 槽孔轴向挖掘应力─形变计算模型两侧施加水平侧压力,两端设立为水平约束的位移边界条件。
2.2 模拟研究成果
(1) 三维数值计算成果表白,坝基岩土体天然应力状态的现今特性表现为重力场模式。最大主应力(σ1)及最小主应力(σ3)随深度逐渐平稳增大,无张应力分布; 最大剪应力(τmax)分布在不同的地貌单元内差异较大: 河床段坝基土体中,出现量值相对较低(τmax =0.04—0.19MPa)的剪应力集中现象; 阶地段最大剪应力(τmax)分布极为平稳，量值仅为0.007─0.01Mpa 。显然,在地壳表层岩体的天然应力状态下,坝基岩土体的应力—形变环境处在较平稳的重力作用状态。
(2) 槽体横剖面的二维数值计算成果清楚地显示，槽壁土体应力─应变作用品有明显的分段性: 上段0—23m为一呈倒三角形分布的应力松弛变形区，主应力及剪应力均出现明显的低异常分布；下段23—45m为向下逐渐增大的侧向应力压缩区，主应力及剪应力均呈逐渐增高之势。导致土体应力─应变特性分段性的基本因素在于，槽壁内支撑间距设立的差异。
(3) 数值计算成果表白，垂向挖掘施工对槽壁土体应力—形变特性的影响重要表现为: 在拟定的槽壁内支撑前提下,主应力（σ）及剪应力（τmax）随挖掘深度逐渐增长,单壁位移变形在挖掘至20--25m深时可接近最大值。
(4) 进一步的三维数值模拟分析表白，沿槽体轴向连续贯通挖掘与间隔挖掘施工方案的不同，对槽壁土体的应力—形变问题有较大的影响。 在槽壁上段的应力松弛变形区内,连续贯通挖掘时的单壁最大位移变形可达180mm左右,间隔15m挖掘时,仅有18mm; 在下段侧向应力压缩区内,连续贯通挖掘时将产生 63mm的位移变形,而间隔挖掘时的最大位移变形仅有34mm。
(5) 槽内钢支撑应力与变形问题的三维模拟数值计算结果显示,轴向间隔挖掘施工时，槽内水平支撑钢材的应力及变形均明显低于连续贯通挖掘时的应力及变形情况。轴向连续贯通挖掘时，支撑体系较大的应力及变形难以满足其自身的受力平衡与稳定。
(6) 槽内钢支撑的应力—形变计算成果见表2
表2 槽内钢支撑的应力—形变计算成果
项目

开挖深度
开挖 形式
X向位移最大值 (m)
Y向位移
最大值
(m)
Z向位移最大值(轴向) (m)
X向应力最大值σx
(Mpa)
Y向应力最大值σy
(Mpa)
Z向应力最大值σz(轴向) (Mpa)
最大主应力σ1(Mpa)
最小主应力σ3(Mpa)
最大剪应力τ(Mpa)
10m
分段
0.001534
0.014367
0.003553
0.378
1.132
10.080
10.202
-0.897
1.086
贯通
0.002574
0.015700
0.003695
0.387
1.209
10.561
10.668
-0.912
0.991
20m
分段
0.002930
0.005250
0.003125
0.537
0.706
17.649
17.890
-0.498
1.924
贯通
0.002279
0.017337
0.004681
0.715
0.769
20.616
20.844
-0.419
2.119
30m
分段
0.001494
0.006038
0.005158
0.741
0.813
12.172
12.679
-0.209
2.391
贯通
0.003965
0.012880
0.011401
1.198
1.395
19.676
20.532
-0.319
3.944
35m
分段
0.001337
0.006913
0.005594
0.805
0.876
13.189
13.739
-0.219
2.496
贯通
0.003248
0.013150
0.012202
1.253
1.216
21.625
22.602
-0.324
4.008
40m
分段
0.002207
0.007679
0.006108
0.807
0.969
14.123
14.708
-0.233
2.688
贯通
0.003830
0.014513
0.008439
1.348
1.466
21.643
22.531
-0.347
4.262
44m
分段
0.002557
0.008043
0.006531
0.927
1.038
15.275
15.907
- 0.250
2.899
贯通
0.004449
0.016372
0.008786
1.488
1.603
23.775
24.753
-0.374
4.836
3 实验工艺
3.1 实验段参数
实验段长24m，槽深26-27.6m，单元开挖深度1.1～1.7m，长度2～6 m，开挖净宽为120cm；钢筋砼衬砌墙厚度15cm，内部挂网纵横筋ø8@150；采用角钢与工字钢呈梅花形布置进行水平支撑，沿防渗墙轴向间距2.0m，垂直间距1.0～2.0m，根据地层条件，垂直间距可作适当调整。
3.2 实验工艺
3.2.1 实验前期临建
实验前期做好实验段的地表排水、槽口防护栏、安设安全警示牌及上下槽孔的爬梯等临建设施。
3.2.2实验工艺
a浇筑导向槽和施工平台。
b衬砌墙开挖 采用人工分层分段间隔开挖,槽孔两边同时开挖,同时衬砌,同时对称支护。
c挂网及预埋 挂网的水平筋ø8@150， 竖向筋ø8@150，与四周的预留锚筋牢固焊接；预埋钢板固定在钢筋网上,钢板平面紧靠模板内侧。
d 立模 保证模板的垂直度，控制槽孔净宽度,并用木板封堵立模的两端，以免砼流出,同时模板的上下部立斜模,保证砼衬砌墙的搭接质量。
e 衬砌墙浇筑及拆模 衬砌墙混凝土浇筑完后3天拆模。
f 衬砌墙支撑 角钢桁架支撑体系见图1。
G 成墙浇筑 开挖成槽后, 采用导管法完毕防渗墙的砼浇筑。

图1 角钢桁架支撑体系图
3.2.3 特殊情况解决
a 对砂层的解决 当衬砌墙开挖过程中碰到砂层时,立即减小单元衬砌槽开挖尺寸,深度0.5～1m,长度0.5～1m,开挖厚度可加宽至0.5m左右,并及时对内部回填浆砌石,然后再浇筑衬砌墙。
b 对架空层的解决 当衬砌墙开挖过程中遇大的架空层时,解决方式同砂层,必要时可回填流动性好的水泥砂浆。
c 当变形观测中发现衬砌墙有变形时,及时加密支撑。
d 当开挖过程中碰到暴雨时,人员所有撤离，在槽内采用挖集水坑,用潜水泵排水,待周边排水孔不再排水后12小时再进行作业。
e 当下层开挖过程中发现上部衬砌墙移位时,立即增长垂直向支撑,并缩小开挖单元尺寸,减小变形。
f 如遇有大探头石,挖出时也许危及更大范围内的开挖时,可把它浇入衬砌里,如有大孤石,直径超过80cm时,可根据石头纹理进行解决，必要时用风钻施工，严禁放炮。
4 实验结论
4.1 该方案可行性
“松散砂卵石层中砼防渗墙超前支护工艺”具有独创性，研究中提出的超前支护工艺、衬砌支护、砼防渗墙浇筑、超长、超深断面人工垂直开挖均属首创，所施工的防渗墙能满足设计提出的施工技术规定。
4.2 三维应力模拟结果 为保证槽壁及支护体系的稳定性,建议对施工工艺作如下适当调整:
a. 为有效防止槽孔上段因过大的变形而导致土体失稳破坏,应及时调整并补强上段支撑体系;
b. 考虑到施工过程中,槽内水平钢支撑将产生较大的垂向变形,为保证支撑体系的整体受力平衡,应重视剪力支撑的施工质量;
c. 在施工条件许可的前提下,应优先考虑轴向间隔挖掘施工方案,或者也可采用由浅向深逐段挖掘—浇筑的施工方案。
4.3三维渗透模拟结果
防渗墙结构分析的目的是拟定墙体的厚度及其与地基连接的形式。墙体厚度重要由防渗规定、抗渗耐久性、墙体应力和变形以及施工设备等因素拟定，其中最重要的是抗渗耐久性和结构强度两个因素。三维渗透模拟结果表白：超前支护砼防渗墙具有足够的耐久性和足够的强度，与常规方法施工的砼防渗墙相比，砼防渗墙浇筑过程中高流态的砼对两侧衬砌墙及土体具有较大的挤密压缩作用，可明显减小砼防渗墙两边土体的松弛，不致于改变砼防渗墙渗透的边界条件。
4.4 质量、技术评价
采用超前支护工艺的砼防渗墙工程质量看得见、摸得着、有保证，能满足设计规定，解决了松散砂卵石层易塌孔、塌槽的难题，保证了砼墙体接头质量。