塑性混凝土防渗墙在深厚覆盖层中的应用.pdf

水利水电技术第4 6卷2 0 1 5年第7期 塑性混凝土防渗墙在深厚覆盖层 中的应用 付于堂，郭敏敏 ( 中国人民武装警察部队 水电第一总队，广西 南宁5 3 0 0 2 8 ) 关键词：塑性混凝土；防渗墙 ；深厚覆盖层 d o i ：1 0 1 3 9 2 8 j e n k i w r a h e 2 0 1 5 0 7 0 0 9 中图分类号：T V 5 4 3 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 5 ) 0 7 0 0 3 2 0 4 1 研究背景 大渡河为长江上游岷江水系最大支流 ，发源于青 海省果洛山东南麓 ，流经四川省阿坝 、甘孜 、雅安等 州( 市 ) ，在乐 山市 汇入岷江。干流 全长 1 0 6 2 k m， 天然落差 4 1 7 5 m，全河流域面积 7 7 4 0 0 k m ( 不包括 青衣江) ，年径流量 4 7 0亿 m 。干流水能资源丰富， 是国家规划的十二大水电基地之一。龚嘴、铜街子水 电站已运行 多年，近几年 建成投 产的水电站有瀑布 沟 、双江 口、猴子 岩、枕头 坝一级 水 电站等 ( 见 图 1 ) ，在建 的大 型水 电站 工程项 目有 黄金坪 水 电站 、 沙坪二级水电站等 。随着大渡河流域水电开发的快速 发展，水电站建设也向着地质条件更为复杂的区域延 伸，对存在深厚覆盖层现象的河谷地段进行开发和利 用 ，就成为现阶段水电开发的重要方向。但是 ，深厚 覆盖层河谷的基础处理 ，又面临众多的难题 ，特别是 在河谷砂卵砾石覆盖层越来越厚 ，地质构造也越来越 复杂的情况下 ，基础处理 的难度进一步加大，因此 ， 深入探讨塑性混凝土防渗墙在深厚砂卵砾石覆盖层 中 的施工技术显得尤为重要。 2 工程概况 枕头坝一级水电站坝址位于泸定 一铜街子段的大 渡河中游金 口河镇 附近，流域面积 7 3 0 5 7 k m ，主汛 期为 6 9月 ，年最大流量多 出现在 6 、7月份 ，以 7 月份 出现的频率最大。坝址河谷形态为一相对较宽缓 的“ V” 形谷 ，河流流 向由 $ 5 5 。 E渐变为 $ 8 4 。 E。坝址 河床段覆盖层深厚 ，最厚处达 5 0 m，河床覆盖层物 质组成较为复杂 ，自上 而下总体分 为 2 4层 ，均以 卵砾石或碎块石为主，局部段分布有砂夹细砾层 ，偶 尔见有草绿色、灰色中粗砂或细砂层。覆盖层中以砂 粒为主夹少量细砾石的较连续延伸的“ 砂层” 从上至 下可初步分为 3 层，其余砂层均呈透镜状零星分布。 河床覆盖层透水性较强。 枕头坝一级水 电站纵 向土石子 围堰体型结构 简 单 ，堰体填筑料可就地取材 ，能够充分利用坝肩开挖 的弃渣，后期易于拆除，对围堰基础要求不高，不用 开挖河床覆盖层 ，施工时可使用大型机械设备 ，便于 快速施工，不需要另外修筑子围堰 ，投资较省。 3 纵向土石子围堰防渗形式的确定 当前水利工 程防渗 工法 主要 有高喷 ( 定 喷、摆 喷 、旋喷) 、劈裂灌 浆 、套孔 冲抓 回填防渗 、混凝 土防渗墙 、深层 搅拌截 渗墙 、振动沉模 防渗 板墙 、 复合土工膜 防渗 、钢板桩 、化学灌浆等。2 0 0 7年我 国大坝岩石地基处理广泛地使用水泥灌浆 ，其 主要 优点是效果好、适用性广、施工简便、比较经济。 大坝砂砾石地基处理，根据其颗粒级配和厚度等实 际情况 ，可以采用灌浆 、建造截水墙或防渗墙 ，也 可采用高压喷射灌浆。枕头坝一级水电站纵向土石 子 围堰 的防 渗措施 主要考 虑 以下两 种方 案 进行 比 选：灌浆( 高压喷射灌浆、控制性灌浆) 及混凝土防 渗墙。 3 1 灌 浆 3 1 1 高压喷射灌浆 高压喷射灌浆最早是 2 0 世纪7 0 年代初 日 本首先 提出的。当时定名为 c c P ( C h e mi c a l C u r i n g P i l e ) 工法 收稿 日期 ：2 0 1 5 - 0 5 - 0 4 作者简 介：付于堂( 1 9 7 7 一 ) ，男 ，工程师 。 Wa te rRe s o u r c e s a n dHy d r o p o we r En g in e e r i n g Vo 1 46No 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 付于堂， 等塑性混凝土防渗墙在深厚覆盖层中的应用 圃 m 行 政 区 名 称 囚河 流 大金川 I 县 泸定( 9 8 7 ) 大渡河 湾 峨 盾 山 市 冷 竹 关 ( 1 2 2 ) 冷 碡 ( 8 4 ) f 猴 1 - ( 7 0 长扣 坝( 8 7 ) 猴 ) 、 一 一磊 大渡河 大渡河 独 松 (80 八 季 家 河 坝 甘 孜 藏 - 马 奈 。 )巴 底 ( 3 。 ) 丹 巴 铜街子( 7 0 ) 龚 嘴 ( 。 峨边彝族 自治县 金口河区 枕头坝( 4 8 ) 深溪沟( 5 3 ) 、 瀑布沟( 6 3 ) 汉源( 8 1 ) 大 妻 新民( 8 6 ) f 湾 ( 1 、3 1 8 4 ) 冶 勒 水 库 (42 o ) J 大 岗 山 ( 2 0 9 ) 。 一 得妥( 5 0 ) 图 1 水 电站分布情况 即单管法 ，是在静 压灌浆 的基础上 ，引进 了水 力采 煤技术 。高压喷射灌浆 是利用钻机把带有特殊 喷嘴 的注浆管钻进至土层 的预定位置后 ，用 高压 脉冲泵 将水泥浆液或水从喷 嘴中喷射 出来 ，射入土体 ，借 助液体 的冲击力切削土层 ，使喷流射程 内的土体遭 到破坏 ，一部分细小土粒随着浆液 冒出地面，其余 部分 与灌 入 的浆 液混 合 掺搅 ，在 土 体 中形 成凝 结 体 。其基本原理是 利用射流作用切 割搅拌地层 ，改 变原地层结构和组成 ，同时灌入水 泥浆 或混合浆形 成桩柱或板墙状凝结体 ，从 而达 到加 固地基和 防渗 的 目的 。 3 1 2控制性灌浆 控制性水泥灌浆技术及其控制浆液能顶水上行的 水泥灌浆堵漏工艺是立足于从灌浆可控性角度出发 ， 结合流体和固体的受力特征，应用水泥浆液加化学外 加剂后能使水泥浆液迅速失去流动而变成凝固体的特 性 ，而形成的新 的灌浆工艺构思和施工措施 。通过控 制水泥浆液 的凝胶时间，使水泥浆液在扩散过程中迅 速失去流动性 ，其渗透压力会迅速消失 ，但水泥结石 体还不会 产生骨架作用 ，即软塑体 ，仍能被挤 压滑 水利水电技术第4 6卷2 0 1 5年第7期 动 ，从而有效地控制灌浆升压 问题 ，且不会导致产生 浆液流失 。 3 1 3 纵向土石子围堰生产性灌浆试验 对于砂砾石地基可灌性问题的认识 ，目前多还停 留在半经验的阶段 ，实际工程中，最终确定砂砾石层 是否可灌 ，用什么样的材料灌浆效果较好 ，应该采用 多大 的灌浆压力来配合才能进行有效地灌浆 ，是否需 要通过灌浆试验来确定 。根据以往围堰类似灌浆效果 分析 ，结合枕头坝子围堰 的最大水头值 、抗渗能力 、 河床漏水地层的可灌性等因素，枕头坝导流明渠纵向 土石子围堰复杂地质防渗处理技术参数确定如表 1所 列 。 ( 1 ) 灌浆试验完成情况。控制性灌浆生产性试验 于 2 0 1 0年 2月 2 5日开始施工 ，2 0 1 0年 6月 2 0日完 成 ，至 2 0 1 0年 6月 2 5日检查孔施工完成 ，施工总历 时 1 2 1 d 。试验孔共施工 2 4个灌浆孔 ，1个检查 孔。 完成造孔 1 1 5 8 0 I l l ，灌浆 9 5 2 0 m，耗灰量 7 9 6 2 0 t ，平均单位注入量 8 3 6 3 5 k g m。试 验区 ( 桩号 0+ 6 4 6 5 6 0+6 5 2 5 6 ) 覆盖层 厚度 3 3 5 4 9 5 I n ，基 本为砂卵石层 ，漂石含量较多 ， 2 2 2 6 8 m孔段粉细 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 付干堂， 等塑性混凝土防渗墙在深厚覆盖层中的应用 沙层普遍存在 ，厚度 1 53 m，孔深 l 61 7 5 m、 3 1 4 1 m都不同程度地 出现 了粉细砂层。为了确保 地勘资料具有普遍适用性 ，灌浆试验具有代表 j生，又 完成 补充 地质 勘探 孔钻 孔 Z Y Y 2 1号 孔 ，桩 号 0+ 6 7 2 5 6，孔口高程 5 9 9 7 m，孔深 2 3 m( 9 0 2 3 0 m 以粉细砂为主) ；Z YB 2 9号孔桩号 0+6 8 5 3 1 ，孔 口 高程 5 9 9 7 m，孔深 1 0 5 m( 6 47 5 m 为粉细砂 层 ，7 5 m人基岩 ，基岩为花 岗岩 ) 。根据补充勘探 孔钻孔情况 ，岸边( 桩号 0+ 6 5 2 5 6 0+ 7 0 0 ) 仍存在 粉细砂层 ，厚度 1 13 5 m。纵 向土石子 围堰灌浆 试验区岩层特性如表 2所列 。 表 1 纵向土石子围堰灌浆试验参数 序号 项目 灌浆参数 1 孔深 深入基岩 1 0 m，局部风化严重则深入 1 5 m 2 灌浆孔距 1 0 m 3 排数 单排 4 孔径 1 0 8 mm 5 施工次序 分 三序施工 I 序孑 L 01 0 MP a ，1 I 序孑 L 01 5 MP a ，I U 序孑 L 0 2 0 MP a ；根据各孔段 的可灌性进行 调整 ，在 6 灌浆压力 确保浆液的扩散半径满 足要求的 同时，控制浆 液 的流失量 使用复合浆液( 掺加砂、水玻璃等) 进行灌注，将 灌浆材料及 主要 空隙充填 ，然后再用 纯水泥浆对小 的渗水点 7 水灰 比 进行 封堵灌注 ；水灰 比采用 2： 1 、1 ： 1 、O 5 ： 1三 个比级 ，根据注浆量情况逐级加浓 孔深误差小于3 0 c m，孔位误差小于1 0 e m ，孔斜 8 钻孔误差 误差小于孔深 的2 9 灌浆分段 分段 拔管、分段灌浆 ，段长为 1 5 3 0 m 表 2 纵 向土石子 围堰灌浆试验区岩层特性 钻孔深 各部分含量 孔号 桩号 基 岩 说 明 度 m 卵砾 石 漂石 沙 2 3 5 5 5 3 0 1 5 3 0 3 9 5 0 0 4 m 为 S J 0+6 4 9 5 6 1 0 5 6 0 1 5 2 5 盖重混凝土 3 O 玄武岩 8 5 5 5 2 5 2 0 0 0 5 m 为 Z Y Y 2 l O+6 7 2 5 6 1 4 0 5 9 5 盖重混凝土 6 1 6 5 2 0 1 5 00 3 m 为 Z YB 2 9 O+6 8 5 3 l l _ 1 1 0 0 盖重混凝 土 3 O 花 岗岩 ( 2 ) 灌浆试验结论。经统计 ，采用 D F 4 0 0 0 B型潜 孔钻 ，自下而上孔底循环灌浆( 粉细沙层采用高喷灌 浆) 方法 ，孔深在 3 5 m左右时机组钻灌速度约为 8 m d 。由于钻孔 时卡钻 ，跟管在灌浆过程 中易抱死 ， 多孔同时钻灌易埋钻 ，漂石含量多且直径较大 ，导致 钻灌工效很低 。根据本次灌浆试验成果 ，结合贵阳院 岩土工程公 司控制性灌浆试验报告 ，粉细砂层只 吸 水 、不吸浆、无可灌性 ，防渗效果达不到要求。即便 粉细沙层采用了高 喷灌浆处理 ，其灌后透水率仍达 1 2 L u ，渗透系数达 1 4 41 0 一c m s ，未达到规定 的 防渗标准。 3 2塑性混凝土防渗墙 塑性混凝土是用粘土或膨润土和水泥为胶凝材料 的一种柔性混凝土 ，主要用于中等水头坝或基础防渗 墙 ，主要 目的是为了通过适 当降低弹性模量和墙体刚 度，以增加墙体适应变形的能力，改善墙体应力条 件 ，并可改善其和易性 ，节省水泥 、降低工程造价 ， 提高防渗墙的抗渗性和耐久性。塑性混凝土可以通过 控制材料配 比来调整其变形模量和应力 一应变关系 ， 使其力学胜能与周围土体 的力学性能、边界条件相适 应 ，从而改善 防渗墙在荷载 ( 土坝荷 重、水 头作用 、 地震荷载等) 作用下的墙体应力状况 ，同时工程造价 低 ，也具有必要的强度和抗渗性能。因此塑性混凝土 防渗墙非常适合于由于不易渗透地层和易渗透地层交 替出现而难以用灌浆方法改善渗透性能的情况。 由于堰基覆盖层较深，考虑到基坑开挖较浅，对 塑性防渗墙是否需打至基岩进行了渗流分析计算 。渗 流计算采用北京理正软件设计研究 院开发的 理正岩 土工程系列分析软件 ，主要考虑 3 种计算工况，分 别为塑性防渗墙伸人覆盖层 1 3处 、2 3处和全封闭 防渗墙。从渗流量计算结果来看 ，悬挂式塑性防渗墙 伸入覆盖层 1 3时单宽渗流量为 l 8 2 0 m h ，纵向围 堰总渗流量为 1 2 8 4 8 0 m h ；悬挂式 塑性 防渗墙伸 入覆盖层 2 3时单宽渗流量为 1 1 5 6 r n h ，纵向围堰 总渗流量为 8 1 6 1 4 0 I n h ；全封闭塑性防渗墙方案 时单宽渗 流量为 0 4 7 I n h ，纵 向 围堰 总渗流量 为 3 3 1 2 0 i n h 。因此 ，土石子 围堰须采 用全封 闭塑性 防渗墙方案。 3 3 纵向土石子围堰防渗形式投资比较 枕头坝一级水电站纵向土石子围堰防渗灌浆方案 与塑性混凝土防渗墙方案投资比较如表 3 所列。 3 4纵 向土石子 围堰 防渗形 式 的确 定 ( 1 ) 枕头坝水 电站河床覆盖层成 因及结构复杂 ， 砂卵砾石层较厚 ，且漂卵石含量高 ，岩性坚硬 ，钻孔 施工难度较大 ，局部段分布有砂夹细砾层 ，偶尔见有 草绿色、灰色中粗砂或细砂层 ，河床砂卵砾石层 中， 漂石块径 2 0 7 0 c m，卵砾石粒径一般 4 9 c m，卵 水利水电技术第4 6卷2 O l 5年第7期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3纵 向土石子 围堰 防渗方案投资 比较 付于堂， 等塑性混凝土防渗墙在深厚覆盖层中的应用 工程 或费用 名称 数量 m 单fi r 元 合计 万元 说明 2 l 9 0 9 5 o o 1 0 9 5 4 5 三3 5 111 控制性灌 浆 钻灌孔段 1 5 9 0 7 4 0 1 1 7 6 6 局部补强孔 ，按单排孔 总长度 5 考虑 1 3 9 8 2 1 0 0 0 1 3 9 8 2 O 3 5 m 49m 4 3 8 1 8 3 o o 1 31 4 5 4 L 3 5 m 防渗灌浆造孔 仅钻孔 ，不考虑灌浆孔段 6 9 9 1 4 0 0 2 7 9 6 4 3 5 m L 4 9 m 塑性混凝土防渗墙 m 3 1 7 9 6 1 4 5 0 0 4 6 1 0 4 2 厚 0 8 m 注 ：表中均不包含岩埂部分控制性灌浆 ； 为钻孔长度。 砾石约 占 7 0 一9 0 ，砂粒约 占 3 0 1 0 。高喷 灌浆试验采用潜孔钻机套管跟进的钻孔工艺 ，孑 L 深在 3 0 r n以后钻进工效显著下降 ，孔深在 3 5 m以后进度 极为缓慢 ，容易造成套管疲劳断裂。现场进行的 3个 钻进工艺试验孔 ，在 3 5 m左右均 出现套管断裂现象 ， 其中有 1个钻孔套管在中部断裂未及时发现 ，造成埋 钻事故 。在含有大量漂卵砾石的强透水深厚覆盖层进 行高喷灌浆 ，深度达到 4 0 m 以上难度极大 ，在大渡 河流域和国内同类地层中鲜有成功的经验 。 ( 2 ) 在钻孔 深度超过 3 0 m时 ，控制性灌 浆开始 出现成孔困难，塌孔事故频繁，进尺缓慢等症状。加 之在细砂层和粉砂层 中控制性灌浆 时只 吸水不吸浆 ， 可灌性与 防渗效果 均较差 ，不能 满足设计 的防渗要 求。 综上所述 ，根据坝址覆盖层深厚和灌浆施工工艺 等因素制约，确定本工程纵向土石子围堰堰体防渗方 式 5 9 7 0 IT I 高程 以下采用 “ 置换 型” 塑性 混凝 土防渗 墙 ，5 9 7 0 m高程以上采用粘土心墙 防渗 。预留岩埂 根据渗漏部位采用控制性灌浆堵漏。根据防渗墙的最 大高度 、承受 的水 头差及运 行条件等初步确 定采用 0 8 IT I 厚 的塑性混凝土防渗墙最合适 。 4结语 根据枕头坝一级水电站土石子 围堰防渗方案的现 场生产性灌浆试验和计算机模拟计算 ，分析了我国深 厚砂卵砾石覆盖层情况下防渗基础处理的一般形式及 适用范围，分析了经济性 、可靠性 ，得 出了塑性混凝 土防渗墙具有结构适 应性 强、整体 防渗性 和耐久性 好 、施工方便 、速度快 、消耗少的优点 。在后续施工 中，通过枕头坝水电站土石子围堰防渗墙各工序试验 检测数据 、检查孔资料及混凝土试块性能指标等综合 数据分析 ，得出上下游围堰防渗墙工程施工渗透系数 为 2 5 3 X 1 0e m s ，设计要求渗透系数小于 91 0 c m s ，工程质量满 足设计 要求 ，验证 了在深厚砂 卵 砾石覆盖层 中应用塑性混凝土防渗强技术是可行的。 ( 责任编辑郭利娜) ( 上接 第 1 6页 ) 挖时 ，尽量减少对岩石的扰动 ，宜采用先护后挖或边 挖边护方式 ；( 2 ) 在膨胀岩体 中处理塌方体 ，及时进 行锚 喷支护 ，加强观测 ，适 时做好支护；( 3 ) 地下水 活动较严重 的地段 ，宜采用排、堵、截、引的综合治 理措施 ，防止突然暴涌 ；( 4 ) 在塌方抢通行动 中，先 加固未塌方地段 ，防止塌方进一步扩大 ，同时加强排 水工作 ；( 5 ) 在 隧洞塌方 段施 工人 员应 引起 高度 重 视 ，严格按 照抢通方案 的要求组织 实施 ，同时对 洞 内、外进行严密观察量测 ，设置专人值班 ，发现问题 及时将人员安全撤离 ，并快速上报处理。 6结语 自然灾害不仅具有破坏力大 、范围广 、类型多的 水利水电技术第 4 6卷2 0 1 5年第 7期 特点 ，而且还是动态 的、反复的。隧洞抢通是在没有 全面通过探查手段摸清泥石流、山体滑坡 、地震等情 况下进行的，在组织抢 通过程应结合现场进展情况 、 天气情况 、地质条件等因素及时调整抢通方案。 在隧洞抢通过程 中要尊重客观规律 ，讲究科学救 灾 ，尽量多选择 避让或改线绕行 的方式通 过塌方洞 段 ，不可盲 目爆破炸山，以减少对 山体的扰动。 ( 责 任编 辑陈小敏 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m