薄壁抓斗低弹模塑性混凝土防渗墙在新安水库大坝防渗加固工程的应用.pdf

工 程 加 固 水利建设与管 理 2 0 1 0年 第 5期 藩譬瓠 黄 镶 警榛察慷添壤 毒 慝 涤臻鸯 帮安水库太操除渗 固熏穗酶庶展 曾福连 ( 泉州市水利局3 6 2 0 0 0 ) 【 摘要】 抓斗法造混凝土防渗墙， 由于墙体连续， 防渗效果好， 近年来已广泛用于土石坝病险水库的防渗加固， 取 得显著的经济效益和社会效益。从 2 0 0 8 年开始， 在福建省大中型水库除险加固中逐步推广使用。本文通过工程实 践， 介绍薄壁液压抓斗法混凝土防渗墙技术在水库大坝除险加固中的应用， 旨在为类似工程施工有所借鉴。 【 关键词】 薄壁液压抓斗 导墙泥浆护壁 塑性混凝土 1 防渗加固工程概况 1 1 水库工程概况 新 安水 库 位 于 晋江 市 磁灶 镇 新 安村 ， 1 9 6 0年 4 月建成投入使用 ， 总库容 1 7 8 2万 m ， 是一座以灌溉 、 防洪为主 ， 结合供水 、 养殖等综合利用的中型水库。 水库主坝坝长 9 1 0 m， 最大坝高 2 4 m， 为粘土心墙多种 土质坝。水库建成投入运行以来， 一直存在着渗漏问 题 ，虽 然多 次采 取 加 固措 施 ，但 效果 不 是很 理 想 ， 2 0 0 6年汛期主坝右岸坡发现集中渗漏 ， 且量比较大。 根据 晋江市新安水库大坝安全鉴定报告书 结果 ， 新安水库大坝被评为三类坝 ，主要存在着大坝坝基 坝体及右岸绕坝渗漏、 输水涵洞渗漏等问题 ， 急需进 行除险加 固。 1 2 大坝基础地质条件 新安水库库区属于低缓的低山地貌， 库岸岸坡基本 稳定。大坝所处地形平缓，高程 1 5 3 5 m，坝顶高程 3 2 1 4 m， 河床地形平坦 ， 两岸坝坡及坝肩位于残积 的小 山坡上 ， 地貌主要为剥蚀残丘。 大坝岩土体 自上而下依次为素填土、砂质粘土、 粉 砂 、 粗砂、 砂卵砾石 、 坡积粘土和砂质粘性土。素填土最 大厚度为 1 9 8 m， 冲积砂质粘土厚度为 0 4 2 7 m， 粉砂厚 度为 1 8 3 2 m， 粗砂厚度 为 O 7 4 8 m， 砂 卵砾 石厚度为 0 5 4 1 m， 坡积粘土厚度为 0 8 4 0 m， 残积砂质粘性土厚 度为 2 3 5 1 8 4 5 m。 坝体填筑土施工质量不稳定， 密实度 不均匀 ，渗透系数在 1 0 - 4 1 0 m s ，属 中等透水一微透 水 。 河床段坝基主要为砂质粘土 、 粉砂 、 粗砂 、 砂 卵砾石 、 坡积粘土和砂质粘性土 ， 其 中粉砂 、 粗砂 、 砂 卵砾石为中 等透水 ； 左岸坝基主要为坡 积粘 土和砂质粘性土 ， 为弱 透水 中、 下带 ； 右岸坝基主要为砂质粘性土 ， 局部含砂量 较高 ， 为弱透水 中、 上带。 1 - 3 防渗加固处理方案选定 根据新安水库大坝基础地质情况 ， 通过两侧岸坡段 单管高压旋喷灌浆结合河床段液压抓斗开槽造混凝土 防渗墙、 全坝段液压抓斗开槽造混凝土防渗墙和全坝段 射水法造混凝土防渗墙三种防渗加固措施进行经济技 术比较， 选用岸坡段单管高压旋喷灌浆结合河床段液压 抓斗开槽造混凝土防渗墙加固方案， 其主要优点是适用 范 围广 ， 岸坡段旋 喷防渗墙 固结体强度大 ， 成墙整体性 好 ， 施工不需要分段， 质量较可靠； 河床段采用混凝土防 渗墙对基础砂卵石层适应能力好，成墙质量较有保证， 同时两种方法相结合更适合新安水库坝长很长， 适应坝 体、 坝基变形能力强， 避免墙体产生裂缝。 新安水库大坝防渗加 固由福建省汀江水 电工程有 限公 司承建 ，液压抓斗开槽造混凝土防渗墙加固范围 为 0 + 0 6 0 0 + 4 5 0 ， 长 3 9 0 m 。防渗墙轴线位 于坝轴 线上 游 2 m处， 混凝土防渗墙厚 0 6 m， 最大深度 2 7 5 m， 墙体 采用 C 1 5一级配低弹模塑性混凝土。混凝土设计指标 为 ： 抗压强度 R 2 8 i7 5 M P a ， 抗拉 强度 R 2 8 I0 7 5 b l P a ， 弹 性模 量 3 0 0 0 M P a 5 0 0 0 MP a ， 2 8天墙 身渗透 系数 不大于 1 0 m s 。 曾福连 薄壁抓斗低弹模塑性混凝土防渗墙在新安水库大坝防渗加固壬程 旦 2 混凝土防渗墙施工技术 2 1 造孑 L 成槽 2 1 1 布置 防渗墙施工平台 新安水库大坝坝顶高程 3 2 1 4 m， 坝顶宽为4 5 m 。为 满足混凝土防渗墙施工期设备布置要求， 在拆除坝顶防 浪墙后 ，将坝顶开挖至高程 2 9 4 m，用推土机推平并压 实 ， 形成一个总宽度约 9 m的施工平台。 抓斗施工平 台设 置在防渗墙轴线下游侧， 施工平台坚固、 平整， 适合重型 设备和运输车辆行走。 在防渗墙轴线的下游侧设置平行 坝轴线的排水沟， 断面尺寸 4 0 c mx 4 0 c m， 再按 4 0 m间距 修建垂直防渗墙轴线的排渣排浆沟， 将废浆通过排浆沟 至回收泥浆池。 2 1 2 修筑导向墙 本工程采用“ 倒 L ， 形断面钢筋混凝 土施 工导墙 ， 导 墙混凝土强度等级为 C 2 0 ， 断面尺寸如下： 高度 0 7 m， 上 底宽 0 8 m， 下底宽 0 3 m， 两导墙间距 0 6 m 。 2 1 - 3 抓斗成槽 根据本工程地质条件采用液压抓斗法成槽 ， 并制定 了“ 三抓法 ” 的施工方 案 ， 槽 段成槽 采用“ 三抓法 ” ， 在导 向槽上放样标识孔位，将抓斗对正孔位后进行垂直造 孔。 首先施工槽段两端主孔 ， 主孑 L 完成后再抓中部副孑 L 。 主 、 副孔完工即该施工槽段成槽 完工 。开槽槽孔孔壁的 垂直度 由成槽机 自动调整 ，现场成 槽垂直度在 0 2 0 3 3 之间， 孔斜率均小于设计值 0 4 。 成槽次序图 防渗墙分两期施工 ， 先一期槽 ， 后二期槽 。 成槽工艺 采用三抓法 ， 槽段划分根据地层情况 、 墙深度 、 成槽方法 和浇筑强度确定 ， 一 、 二期槽 6 5 m。施工时 ， 将防渗墙划 分 为 I、 期槽段 ， 分两期挖槽 、 浇筑混凝 土 ， 采用跳孔 法进行施工 ，即先进行 I 期槽孑 L 的造孑 L 和混凝土浇筑 ， 然后进行 期槽孔 的造孔和混凝土浇筑( 见上图) 。 2 2 护壁泥浆 泥浆在 造孔成槽 过程 中起 固壁 、 悬 浮 、 携 渣 、 冷却 钻具和润滑的作用 ，成墙后还可增加墙体的抗渗性 能。本工程泥浆采用膨润土拌制 ，新制泥浆经过 2 4 h 膨 化后 ， 利 用供 浆 管输 送至槽 孔 内使 用 ， 成槽 及槽 段 浇 筑过程 中回收 的泥浆 ， 经净化后 可重 复使用 。槽孔 孔 口泥浆面在成槽过程 中保持在导向槽顶面以下 3 O 5 O c m范 围内。 工程采用 优质膨润 土泥浆 固壁 ，泥浆 的性 能指标 如下 ： 浓 度大于 4 5 ， 密度 小于 1 1 g e ra 3 ， 漏 斗粘度 为 3 0 9 0 s ， 塑性粘度 小于 2 0 c P ， 静切力 为 1 4 1 0 N m 2 ， p H 值 9 5 1 2 。 制浆膨润土与拌制混凝土的膨润土相同，分散剂采 用 N a C O ， ， 增粘剂为 C M C 。 根据性能指标要求， 泥浆配合 比如下： 水： 膨润土： N a 2 C O ：C MC = 1 0 0 ： 8 9 ： 0 0 3 5 ：0 0 0 5 。 2 3 防渗墙体灌 注 本工程是采用 刚性导管法进行墙壁体灌 注 ， 混凝 土 竖向顺导管下落， 利用导管隔离泥浆 ， 使其不与混凝土 接触 ，导管内混凝土依靠自重压挤下部管口的混凝土 ， 并在已灌人的混凝土体内流动、 扩散上升， 最终置换出 泥浆 ， 保证混凝土的整体性。 2 3 1 清孔换浆 造孔结束后 ， 对造孔质量进行全面检查。经检查合 格 进行清孔换浆。 清孑 L 采用抓斗抓取淤泥， 利用下设潜 水排污泵抽浆， 并及时用新鲜泥浆补充。 清孔换浆结束 1 h后 ， 达到下列标准可 以结束工作： 孔底淤积厚度 不大于 1 0 e ra；泥浆参数为： 槽 内泥浆 比重不大于 1 3 g ， e m 3 ， 粘 度不大于 3 0 s ， 含砂 量不大 于 1 0 。槽段清 孔换浆结束前将钢丝刷子安装在抓斗斗体上， 紧贴一、 二期混凝土结合面， 分段上下反复提动， 达到刷子上不 带泥屑 ， 孑 L 底淤积不再增 加 ， 即接 头面清洗合格 。 2 3 2 槽段混凝土灌注 低弹模 混凝 土的配合 比由福 建省水利水 电科学研 究 院检测 中心进行设计 ， 通 过六组 试验 ， 选用混凝 土配 合 比如下 ：水： 水泥： 膨润土： 土： 砂： 碎石： 外加剂= 3 2 3 ： 2 7 5 ： 9 6 ： 1 6 3 ： 7 6 2 ： 5 0 2 ： 5 _ 3 4。 1 1 清孔换浆结束后 ， 下设混凝土灌注导管 。一期槽 段长度 为 6 5 m，下设 1 套导 管 ，两侧 导管距 槽端 1 1 5 m； 二期槽段由于接头管接头 ， 槽段长度 为 6 5 m， 下设 1 套导管 ， 两侧导管距孔端 1 0 m； 同时 ， 槽段 内导管 间距 不大于 3 5 m。 导管底部距槽孑 L 底板不大于 2 5 c m， 当槽底 4 2 曾福连 薄壁抓斗低弹模塑性混凝土防渗墙在新安水库大坝防渗加固工程的应用 高差大于 2 5 c m时将导管置于控制范围的最低处 。 b 灌注前导管 内置人可浮起 的隔离塞球 ， 灌注时先 注入水泥砂浆， 随即注入足够的混凝土， 挤出塞球并埋 住导管底端， 避免混凝土与泥浆混合。 c 灌注过程中每 3 0 ra i n 测量一次混凝土面 ，每 2 h 测量一次导管内混凝土面，根据混凝土面上升情况 ， 决 定导管的提升长度 。 导管在混凝土内的埋深最小不得小 于 1 0 m， 最大不得大于 6 0 m， 在保证埋深的前提下， 随 着混凝土面的上升 ， 用 吊车提升导管 ， 并将顶部 的部分 导管拆除。 d 槽孔内混凝土面上升至槽 口时， 采用泥浆泵抽 出 浓浆 ， 并提升导管 ， 减小埋 深 ， 增 加混凝 土的冲击力 ， 直 至混凝土顶面超出设计墙顶标高 0 5 m，即可停止浇筑， 拔 出导管。 2 3 3 槽段连接 为了保证墙段连接质量 ， 本工程采用 “ 接头管法 ” 进 行墙段连接施工。即在一期槽孔浇筑前 ， 于槽两端下设 钢管， 待混凝土初凝后， 按一定速度将其拔起， 形成接头 孔。二期槽孑 L 浇筑混凝土时， 接头孔靠近一期槽孔的侧 壁形成圆弧形接头 ， 墙段形成有效连接。接头管处设有 骑缝孔 ， 孔径 2 1 9 m m， 孔深 8 m， 孔底标 高 2 0 9 m， 待墙身 混凝土浇筑完成后进行。 骑缝孑 L 在回填前 ， 先进行洗孔 ， 后密实回填 C 1 5 细骨料膨胀混凝土 。 “ 接头管法” 是 目前防渗墙施工接头处理的先进技 术 ， 有着其他接头连接技术无可比拟的优势： 提高工效， 节约墙体材料 ， 降低费用 ； 接头形状有利于延长渗径 ， 保 证墙体抗渗要求； 接头具有最大的镶嵌强度， 增加摩阻 力 ， 更好地传递单元墙段之间的应力， 使墙体的上下左 右受力条件好 ， 形成墙体可靠连接 。 3 常见事故处理及应注意事项 3 1 事故处理 3 1 1 塌孔、 漏浆的处理 槽段成槽开挖过程 中 ，有时会 出现塌孔 、漏浆现 象 。出现塌孔现象常采用处理措施主要是根据导致塌 孔 的关键成 因分析 ， 当出现局部塌孔时加大泥浆密度 ， 加大槽 内泥浆粘度和密度 ， 增加槽壁的稳定性 。 当出现 大面积塌孔时用优质粘土回填到坍塌处以上 1 - 2 m， 待 沉积 密实后再进行施工 ，同时在相应地段减小槽段开 挖 长度 。 出现漏浆现象常采用处理措施 ： 平抛粘土， 加大 泥浆比重或抛入锯末进行堵漏 ； 加大泥浆供应强度和 质量， 发现漏浆及时补充； 对漏失严重的地层用速凝 水 泥等特殊材料处理 ， 必要时还应对槽孔进行 回填 。 3 1 2 导管堵塞 成墙灌注混凝土过程中有时会出导管堵塞 ， 针对导 管堵塞可采用捣、 顿方法及时疏通， 如果无效将导管全 部拔 出、 冲洗 、 并重新下设 ， 用泥浆泵抽净导管 内泥浆后 继续浇筑 ，同时还要 核对混凝 土面高程及导管长度 ， 确 认 导管的埋入深度 。 3 1 3 较大孤石 施工中如遇到孤石抓斗无法继续进行时 ， 则用重锤 凿碎后再用抓斗抓取， 循环数次直至达到设计孔深。 新安水库槽段在成槽过中，曾出现小范围坍塌问 题 ， 通过及时采 取加大 泥浆密度 ， 加大槽 内泥浆粘度和 密度 ， 增加槽壁的稳定性 ， 塌孔得到了控制。 在成墙灌注 混凝土过程中曾出现过导管堵塞，通过及时采用捣、 顿 方法疏通导管， 未对工程质量造成影响。 3 2 混凝土防渗墙成墙技术应用应注意 的问题 根据液压抓斗防渗墙技术在 中型水库除险加 固中 的新安水库和坂头水库运用实践体会 ， 成墙技术应用应 注意以下问题。 3 2 1 确定方案前应做好的工作 a 做细地质工作。 液压抓斗防渗墙技术主要适用于 填土层 、 砂层及卵石层等 ， 对坝体材料要求较高。 新安水 库在坝体抓斗挖槽过程中， 地质状况与地质钻探试验成 果基本吻合 ， 施工较为顺利； 而南安市坂头水库除险加 固中， 地质变化大， 坝体中存在大量孤石 ， 同时坝体密实 度较低 ， 施工中存在严重漏浆问题， 给施工带来很大麻 烦 ， 既增加投资， 也耽误了工期。 尤其是当碰到较大石头 时 ， 用重锤凿将难以解决问题 ， 需采用爆破法 ， 这样将加 大施工难度。 b 做好成本核算。 目前液压抓斗防渗墙施工设备主 要在省外 ， 需从外地调入 ， 增加工程费用。 新安水库除险 加固设备进出场就近2 0万元， 数量较大。因此 ， 在确定 水库加固方案， 尤其是对于防渗墙工程量较小的小型水 库时， 要慎重考虑。 曾福连 薄壁抓斗低弹模塑性混凝土防渗墙在新安水库大坝防渗加固工程的应用 c 弄清施 工条件 。由于液压抓 斗防渗墙施工设备 较 庞大 ， 一 方面对 于施 工 交通 条件要 求 较高 ， 南 安市 坂 头水库 位置 偏僻 ， 到水库 的道路 蜿蜒 狭窄 ， 大 型 车 辆难以通行， 施工单位花 了近 1 周时间对道路进行加 宽、 加固改造 ， 投人大量资金 ； 另一方面对电力要求较 高 ， 新 安水库 除险加 固就 因施 工 电力 要求超 过管理 处 原有的变压器容量， 需临时申请 ， 架设变压器 ， 造成工 程投 资增加 ， 又耽误工期 近 2 0天 ， 较 大地影 响到施 工 进度 。 3 2 2 成墙混凝土灌筑应注意的问题 a 提前做好低弹模混凝土配合比试验。 新安水库除 险加固低弹模混凝土根据设计单位提交的配合比， 实验 后发现部分指标难 以达到要求 ， 后委托福建省水利水 电 科学研究 院检测 中心进行设计 ， 通过六组试 验 ， 最后 才 确定了配合比 ， 耽误近 1 5 个月时间。 b 控制好抓接头的时间。 抓接头时间太短混凝土没 有凝 固， 时 间太长混凝土强度太高 ， 抓接头适宜 的时 间 为墙体浇筑后 1 2 h ， 最迟不超过 2 4 h ， 抓斗抓取时斗体一 侧为混凝土另一侧为土 ， 斗体受力分布不均 匀 ， 容易造 成槽孔沿轴线方 向偏移 ， 导致接头质量无法保 证 ， 同时 严重影 响造孔成槽进度 ， 撑握好 抓接头时间是成槽进度 快慢的关键环节 。 g 严格安照相关规定进行施工。 混凝土导管下设过 程 中检验螺丝紧 固程度 ， 确保导管 间连接 可靠 ； 混凝 土 灌筑具有相当高的连续性 ， 因故 中断不得超过 4 0 m i n ， 同 时槽 内混凝 土上升速度不得小 于 2 m h ； 各灌筑导管均匀 放料， 保证混凝土面均匀上升， 使其高差不超过 0 5 m； 每 隔 3 0 m i n测量一次槽孔 内混凝土面深度， 每 隔 2 h 测量 一 次导管 内混凝土 面深度， 并填绘混凝土浇筑指示图， 及 时核对浇筑方量 ； 浇筑时槽 口要设置盖板 ， 防止杂物落 入槽 内。 4 施工质量检查及效果分析 4 1 现场开挖检查 在防渗墙头 、 中 、 尾三处开挖一个 3 m深左右的外 观 检查坑进行检查 ， 经凿大及刀刮 ， 未发现有断裂 、 裂缝及 槽段连接断缝等质量 问题 ， 防渗墙墙体均匀 、 连续 ， 厚度 满足要求。 4 2 钻孔取芯检查 在混凝 土防渗墙 施 工完成 2 8天后 分别 在第 5槽 段 ( 0 + 0 8 6 0 + 9 2 5 ) 、 第 2 1 槽 段 ( 0 + 1 9 0 0 十 1 9 6 5 ) 、 第 3 3槽段 ( 0 + 2 6 8 0 + 2 7 4 5 ) 、第 5 4槽段 ( 0 + 4 0 4 5 0 + 4 1 1 ) 共钻孔 4 处 ， 取芯送福建省水利水电科学研究 院 检测中心检测。检测结果 ：混凝土抗压强度最小值 8 2 MP a ， 最 大值 1 1 6 MP a ； 最小 渗透 系数 0 3 0 x 1 0 c m s ，最大为 1 5 0 x 1 0 一 m s； 弹性模量最小值 3 1 2 0 MP a ， 最 大值 4 0 3 0 M P a 。 4 I 3 施工效果分析 a 质量方 面 。 从混凝土 现场开挖检查 和钻孔 取芯 检查结果分析 ， 混凝土抗压强度 、 弹性模量 、 渗透系数 满足设计要求， 达到了施工 目的， 取得了防渗效果。混 凝 土渗透 系数 最大 值 1 5 0 x l O 一 8 c m s 小 于 同为该水 库 除险加固中岸坡高压旋喷防渗墙最大值6 7 5 x l (f c m s ， 平均值 0 8 0 x 1 0 一 m s 也小于高压旋喷防渗墙平均值 2 6 1 0 8 c m s ， 防渗效果优于高压旋喷防渗墙等防渗加 固措施 。 b 工期方面。 新安水库液压抓斗开槽造混凝土防渗 墙桩号 0 + 0 6 0 0 + 4 5 0 ，总 长 3 9 0 m，防渗墙 总 面积 9 1 6 0 c m 2 。工程于 2 0 0 9 年 4月初开工 ， 5月底完工 ， 施工 进度较快。根据设计单位计算， 新安水库混凝土防渗墙 厚度为0 2 2 5 m， 考虑福建省周边地区液压抓斗施工机械 情况 ， 现成的抓斗斗体厚度规格 只有 0 3 m和 0 6 m， 且福 建省大坝混凝土 防渗墙施 工经验少 ， 为确保 防渗墙施工 质量 ， 此次设计混凝土体厚度取 0 6 m。如按计算 的厚度 或按 0 3 m、 0 4 m进行施工 ， 这将可大大提高防渗墙的施 工进度。 g 造价方面。 因新安水库混凝土防渗墙施工过程中 设计变更较少 ， 工程造价与初设方案 比较时结论基本一 致 ， 即混凝 土防渗墙造价优 于高压旋喷防渗墙 。如按计 算 的厚度或按 0 3 m、 0 4 m进行施工 ， 工程投造价将明显 优于高压旋喷防渗墙等其他防渗加固措施。 5 结 语 低 弹模 塑性 混凝 土 防渗 墙 应用 于 新安 水 库除 险 加 固工程 ， 有效解决 了水库 大坝河 床段渗 漏 问题 。实 践表明， 这种技术具有施工速度快 、 防渗效果好、 可靠 性高、 投资较经济等特点 ， 可推广用于各类土石坝防 渗加固。