混凝土防渗墙在富水水库主坝除险加固中的应用.pdf

5 4 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 2 0 0 8年第 2期 混凝土防渗墙在富水水库主坝除险加固中的应用 刘才高，夏洪华 ( 中国水电基础局有限公司， 天津3 0 1 7 0 0 ) 摘要： 富水水库主坝混凝土防渗墙建于大坝上游坝坡马道上 ， 其墙体材料下部为混凝土， 上部为特殊混凝土。介 绍了该工程的施工难点、 采取的技术措施 、 技术创新及施工平台稳定计算。 关键词 ： 富水水库； 混凝土防渗墙； 除险加固； 平台稳定分析 ； 特殊混凝土 中图分类号 ： T V 6 9 8 2 3 文献标识码： B 文章编号： 1 6 7 2 7 4 2 8 ( 2 0 0 8 ) 0 2 0 0 5 4 0 4 富水水库位于湖北省阳新县龙港镇， 总库容 1 6 2 1 亿 IT I ， 是一座以防洪、 发电为主， 兼有灌溉、 航运、 围垦、 水产养殖、 灭螺等综合效益的大(I) 型 水库 。大坝高程 2 8 IT I 以下为均质土坝， 以上为粘土 心墙代料组合 坝。心墙 高程 6 5 IT I ， 坝顶 高程 6 5 5 IT I ， 最大坝高 4 6 8 IT I ， 坝长 9 4 1 m， 坝顶宽 6 5 m。该 水库始建于 1 9 5 8年 ， 属 “ 三边” 工程 ， 由于大坝清基 不彻底 ， 基面上普遍存在 29 I T I 的细砂 、 砂卵石地 层， 坝体渗漏严重， 坝后出现管涌， 减压井内水位较 高。建成后又经历过几次扩建和加固， 但病险没有 得到妥善处理。2 0 0 3年 1 2月 ， 由我公 司中标并开 始水库主坝除险加 固混凝土 防渗墙施工 ， 2 0 0 5年 1 月， 主坝加固施工完毕， 从根本上解决了坝体渗漏问 题 。共完成 防渗墙 面积 2 9 0 2 3 8 8 IT I ， 混凝土 浇筑 6 0 7 9 9 2 IT I ， 特殊混凝土浇筑 1 6 8 9 2 8 5 IT I 。 1 主坝存在 的主要问题 坝体内粘土心墙填筑质量较好， 渗透系数为 2 X 1 0 7 X 1 0 c m s ， 均质土坝壤土层渗透系数 6 X 1 0 一 3 X 1 0 c m s ， 主要渗漏通道为坝下2 9 IT I 的细砂、 砂卵石地层 ， 勘探钻孔多不返水。 2除险加 固设计 主坝 除险加固设计方案为垂直混凝土防渗墙 ， 为节约工程投资， 防渗墙轴线布置于大坝上游 5 5 IT I 高程马道上， 墙体深入弱风化基岩0 5 1 0 IT I 。由 于上部 1 7 3 9 IT I 为均质土坝， 若将混凝土墙体浇至 5 5 IT I 高程， 则混凝土防渗墙轴线与粘土心墙之间的 壤土层含水量在库水位降低的情况下排水不畅， 会 给大坝带来新的安全隐患。为此设计混凝土墙体深 入坝体壤土层内4 IT I ， 混凝土以上部分采用回填粘 土球， 要求回填粘土球应保持与原坝体壤土层基本 一 致 的渗透性。 3 工程特点与难点 3 1 地质条件 由于大坝底部存在 29 m厚砂层 、 砂卵石地 层 ， 勘探孔钻孔时多不返水 ， 此类地层对 防渗墙施工 时易产生塌孔、 漏浆 ， 造成槽孔稳定问题 。坝肩部位 基岩 面较陡， 嵌岩施工难度大。 3 2 工程难度 混凝土防渗墙施工平台布置在大坝上游 5 5 m 高层马道上 ， 施工场地狭窄 ， 设备调度不便 ， 防渗墙 要浇筑混凝土和回填粘土球两种材料难度大。 3 3 粘土球回填 招标文件要求混凝土上部进行泥浆下 回填粘土 球 ， 由于粘土球无法夯实， 所 以很难达到设计要求的 密实度 ， 且一期槽接头部位回填体不稳定， 一、 二期 槽易贯通， 很容易造成槽孔大面积坍塌。需要进行 特殊回填材料配 比试验 ， 使之既能满 足设计性能要 求 ， 又能满足施工工艺要求。 3 4 施工平 台稳定性 防渗轴线位于上游5 5 IT I 高层马道上， 施工平台 采用“ 上填下挖” 的办法， 即轴线下游坝体开挖3 4 IT I ， 轴线上游 回填 5 6 IT I 。由于需跨汛期施工， 对施 工期大坝上游边坡及施工平台的稳定性提出了较高 的要求 。施工前需对施工荷载、 施工期及汛期坝坡、 平 台稳定性进行分析 ， 设备选型必须考虑坝坡和平 收稿 日期 ： 2 0 0 70 70 3 作者简介 ： 刘 才高( 1 9 5 6一) ， 男 ( 汉族 ) ， 湖北仙桃人 ， 中国水电基础局有限公司副总工程师 、 高级工程师 ， 水工专业 ， 从事水利 水电工程 、 基础 处理工程技术及工程管理工作， 天津市武清区雍阳西道 8 6号， l i u c a i g a o s i n a c o rn； 夏洪华( 1 9 7 7一) ， 男( 汉族) ， 湖北恩施人， 中国水电基础局 有限公司二公司市场开发部主任、 工程师， 水工专业， 从事水利水电工程、 基础处理工程技术及工程管理工作， c h i n a x h h 9 6 2 1 2 6 c o rn。 维普资讯 http:/ 2 0 0 8 年第 2 期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 5 5 台稳定条件 。 4 主坝防渗墙施工 针对富水水库主坝防渗墙施工中的各种技术难 题 ， 我们进行 了大量的试验研究和技术创新 ， 制定 了 详细的施工方案 。 4 1 施工期上游施工平台边坡稳定性分析 、 验证 为确保施 工期大坝上游施工平 台边坡稳定 ， 对 大坝上游边坡施工期稳定性进行 了分析计算 。采用 简化毕肖普法， 计算结果见表 l ， 典型的安全系数最 小的滑面位置见 图 1 、 图 2 、 图 3 、 图 4 。表 l可 以看 出： 平台上 、 下游边坡及坝体整体抗滑安全 系数满足 规范要求 ， 同时汛期应进行开挖边坡的 回填和安全 防护。 衷 1 各工况的边坡安全系数 图 1 平台上侧边 坡在 加载工 况下稳定分析成果 图 2 加载 1 0 k P a工况下平 台下侧边坡稳定分析 成果 图 3 4 8 m水位下开挖平 台后整体边坡稳定分析成果 图 4 水位骤降 ( 从 6 2 1 m降至 5 5 m) 后整体边坡稳定分析成 果 实际施工证实 ， 在汛期水位 5 4 5 m及枯水期水 位变化过程 中， 施工平 台上下游边坡及平 台整体是 稳定 的。但在施工过程中， 必须做好以下工作 ： ( 1 ) 严格控制平 台荷载 ， 避 免 回填边坡边缘地 带出现集 中荷载 ； ( 2 ) 开挖边坡和回填边坡必须采取措施进行有 效的防护； ( 3 ) 为确保大坝安全， 汛期前应将开挖边坡回 填 。 4 2 设备选型 根据本工程地层情况 ， 结合坝坡稳定分析成果 ， 我们选用 了冲击钻配合液压抓斗成槽法 ， 投入的成 槽设备为 ： G B 2 4型、 B H一1 2型液压抓斗各 l台 ， C Z 一 3 O型冲击钻 机 6台。冲击钻主要施工靠 近坝肩 基岩面较陡峭部分及接头施工。 实际施工证明 ： 采用抓斗进行施工 ， 利用图 5所 示 的施工平台， 上下游边坡和坝体是安全的， 未发生 塌方等事故。 4 3 特殊混凝土材料配合比试验 招标文件要求大坝壤土层中防渗墙墙体采用泥 浆下 回填粘土球 ， 由于粘土球无法夯实 ， 很难达到设 计要求的密实度 ， 由于粘土球 回填体 的不稳定 ， 一 、 二期槽上部极易贯通 ， 很容易造成槽孔大面积坍塌 ， 造成更大的安全隐患 ， 为此我们进行 了新 型墙体材 料的配比试验。力求 既满足设计要求 ， 使 回填材料 的渗透性等物理性 能接 近原 坝体填土 ， 又能满足泥 浆下浇筑要求。经多方论证 ， 决定使用含粘土成分 较多的特殊混凝土。 试验时 由于材料 中的粘土成分较多， 拌和物粘 性较大 ， 扩散性能不好 ， 不利 于防渗墙 的浇注施工。 因此将坍落度控制在 2 4 0 2 7 0 m m 。以砂浆沉人度 为指标进行控制， 当坍落度在 2 4 0 2 7 0 m m之间变 化时 ， 沉人度 的变 化范 围为 8 01 2 0 m m 之间。成 型试件静置 4 8 h后拆模 ， 并移入标准养护室养护至 试验龄期 ， 进行硬化性能试验。 在大量室内试验基础上 ， 选定 了特殊 混凝土的 配合 比为 ( 1 m。 材料 用量 ) ： 水泥 4 3 k g ( 水 泥含量 3 O ) ， 壤土 7 1 7 k g ， 水 4 5 0 k g ， 砂 7 1 7 k g 。 经试验 ， 上述特殊混凝土各项指标均 和坝体心 墙填料指标基本一致 ， 满足设计要求 ， 做到了施工中 可行 、 技术上可靠 、 经济上节约 ， 经监理工程师批 准 实施 。 4 4 混凝土防渗墙槽孔建造 4 4 1 嵌岩深度 为确保嵌岩深度满足设计要求 ， 防渗墙基岩鉴 定以抓斗实际抓 出或冲击钻机抽筒抽 出的岩样并结 合先导孑 L 补充地质勘探揭示的地质情况， 参考设计 维普资讯 http:/ 5 6 探矿工程 ( 岩土钻掘工程) 2 0 0 8年第 2期 蓝图给定的地质资料综合确定。实际操作时 ， 从 进 入设计基岩面开始每 2 0 a m左右取样一次 ， 直到所 取岩样及入岩深度满足设计要求时终孑 L 。 4 4 2 槽孑 L 稳定分析 混凝土防渗墙轴线位于上游 5 5 m高程马道上 ， 坝体处于库水浸泡过 ， 加之轴线上游侧施工平 台为 回填体 ， 防渗墙成槽机械施工 、 混凝土浇筑时槽孑 L 稳 定性尤为重要。在一定荷载和地下水位下 ， 槽孑 L 内 壁泥皮能承受槽壁土体和地下水 的侧 向应力之和 ， 并具有一定 的安全系数 ， 成槽过程对土体的冲击 、 切 削、 振动可能引起 的槽孑 L 的局部失稳 ， 不影响整个槽 孑 L 的稳定， 则孑 L 壁稳定满足要求。计算表明： 在本工 程 中， 当孑 L 壁处于最不利工况时 ， 即地下水位与孑 L 口 平齐 ， 荷载最大时 ， 槽孑 L 稳定安全系数为 2 6 5， 满足 规范要求 。同时施工 过程 中， 也未发生槽孑 L 坍塌事 故。 4 4 3 固壁泥浆与清孑 L 换浆 本工程采用优质膨润土泥浆 固壁 ， 配合比为 ： 水 ：膨润土：纯碱 =1 0 0 0 ：8 0 ：3 。清孑 L 换浆 以气举 法为主 ， 槽孑 L 终孔验收合格以后 ， G B 2 4抓斗和冲击 钻直接捞取或采用抽简直接抽取槽底大颗粒沉渣 ， 然后采用 3 m 。 空压机气举置换法清孑 L 。膨润土泥 浆 固壁及气举法 清孑 L 满足行业规 范及 招标文件要 求 。 4 4 4 墙段连接 混凝土防渗墙墙段连接关系到成墙质量 ， 常规 方法有“ 接头管法” 、 “ 钻凿法” 、 “ 双反弧法” 等， 经 过对施工场地、 地质条件 、 墙体材料等进行对 比分析 后决定采用 “ 钻凿法 ” 。上部特殊混凝 土凝 结以后 ( 约 7 2 h ) 开始钻凿接头孑 L ， 可以保证接 头质量 ， 孑 L 口不容易坍塌。且 由于下部混凝土墙体深度 占整个 墙体 1 31 4， 其他为低强混凝土墙 ， “ 钻凿法” 施 工接头工效较高。 4 5 抓斗成槽 、 混凝 土浇筑时大坝基础稳定性监测 为了解液压抓斗成槽及混凝土浇筑施工对大坝 基础稳定的影响 ， 监视建筑物的安全运行 ， 我们对边 坡深部水平位移及地表位移进行 了监测。 开工前 ， 选定一个断面 ， 在防渗轴线上下游侧适 当距离用 X Y一 1 型地质钻机施工测斜孑 L ， 埋设测斜 管 ， 在抓斗抓挖过程 中每开挖 1 0 m 观测一次 ， 槽孑 L 浇注混凝土及回填材料时分 2次观测 ， 浇注到 1 5 m 时观测一次 ， 浇注完成 后观测一次 。观测孑 L 布置示 意图见图 5 。 滤层 厚O 、 V 5 2 6 5 V 5 5 O O m工平 台 2 o Q 兰 塞 一 一 = = = _ 特 殊 砼 墙 、 垂 庄 0+ 砼墙 一 1 _ J 砂 卵石 + 1 5 U 一 一 页岩一，锸o m 一 图 5测斜观测孔断面布置示意图 地表位移主要利用设置在坝坡的地表观测点进 行监测 ， 每个槽孑 L 设一观测断面， 每一断面设 2个观 测点 ， 防渗墙轴线前后各设 1个观测点。观测点安 装在干砌石下部的坝体土上， 用水泥砂浆固结保护 好 ， 每天进行 1 2次观测。 观测资料证明 ： 成槽及浇筑过程中土体的相对 位移 0 2 m m， 最大累计位移为4 3 1 m m， 土体变 形都向坡外 ( 水库 内) 方 向。因此成槽 及浇筑过程 中坝体内部的变形极为微小 ， 对大坝基础稳定基本 没有影响。 4 6 特殊混凝土浇筑工艺 为确保上部特殊混凝土施工质量 ， 拟用混凝土 浇筑导管直接浇筑特殊混凝土。为此进行 了特殊混 凝土浇筑工艺研究。 ( 1 ) 浇筑导管的布置方式不变， 混凝土浇筑完 毕随后利用导管浇筑特殊混凝土。因为特殊混凝土 维普资讯 http:/ 2 0 0 8年第 2期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 5 7 浇筑较深 ， 未拆卸 的导管还很 长 ， 若 拆卸后 重新下 管 ， 时间较长 ， 这对槽孔稳定不利 。 ( 2 ) 混凝土墙体深入坝体壤土层 内4 m， 当混凝 土浇筑终浇高程高于设计高程 1 m左右后 ， 起拔导 管 ， 使导管底部高于设计墙顶线 0 5 m， 换 用特殊混 凝土浇筑 ， 普通混凝土和特殊混凝土在搭 接部位形 成混合体。这样既确保了混凝土和特殊混凝土的有 效搭接 ， 又保证 了混凝土中无夹泥 ， 墙体连续 。 5 墙体质量检查 5 ， 1 墙体材料取样检测 每个槽孔浇筑过程 中， 机 口随即取样检测 ， 昆 凝 土 2 8天抗压试件共 1 1 4组 ， 抗 压强 度最 大值 为 6 MP a ， 最小值 3 6 MP a ， 平 均值 4 0 MP a ， 标 准偏 差 0 2 8 M P a ， 离差系数 0 0 6 9 ； 混凝土抗渗试件共 2 3 组 ， 渗透系数 最大值 4 2 61 0 c m s ， 最小值 5 9 1 0 一m s ， 平均值 2 8 81 0一m s ； 混凝土弹性试 件共 4组 ， 弹性模量最 大值 1 5 1 5 MP a ， 最小值 6 5 2 MP a ， 平均值 9 6 2 9 MP a ； 砂浆混凝土抗渗试件 1 1 4 组 ， 渗透系数最大值 2 91 0 c r n s ， 最小值 8 0 6 1 0 c m s ， 平均值 1 2 41 0 一c m s ， 符合设计要 求。 5 2 墙体钻孔取心检测 为进一步检测防渗墙墙体质量 ， 混凝土浇筑 2 8 天以后 ， 湖北省 质检 中心 站在桩 号 0+1 6 2 5 、 0+ 8 0 5等 5个部位进行了钻孔取心检查。取 出的特殊 混凝土心样呈浅 白至淡黄色 ， 多呈 1 55 0 c m的长 柱状 ， 连续且结合紧密。混凝土心样多呈 52 5 c m 的中短柱状 ， 少量 比较破碎 ， 表面较光滑 ， 胶结密实。 混凝土和特殊混凝 土之间有一 层混合层 ， 厚 5 0 c m 左右 ， 颜色 至青 灰色 ， 胶结 良好 ， 心样 为 中长柱状。 混凝土底部 与页岩胶结 良好 ， 未 见泥质 、 碎屑等杂 物。从取 出的心样看 ， 墙体浇注质量好 ， 质地 均匀 ， 无空洞窝裹现象 。心样性能参数如表 2 。 表 2 防渗墙检查子 L 心样抗压 、 抗渗性能统计表 5 3 探坑开挖 混凝土防渗墙完工后 ， 在上部特殊混凝土一 、 二 期搭接处进行了开挖检查 ， 检查发现 ： 特殊混凝土墙 体表面平整 ， 一 、 二期接头处特殊混凝土连续 ， 未见 接缝。墙体与原坝体填土分界面处可见一层 由泥浆 形成的泥皮 ， 泥皮与原坝体土、 墙体结合紧密。 6结 语 湖北省富水水库 大坝混凝土防渗墙竣工 后 ， 防 渗效果明显 ， 经观测墙后减压井水位明显降低， 坝后 沼泽现象消失 ， 排水沟干枯无水 。 湖北省富水水库主坝混凝土防渗墙的施工， 通 过计算水库 内马道上施工平 台是稳定 的 ， 节约 了投 资 ， 为其他工程提供 了借鉴 ； 一道防渗墙采用 2种墙 体材料进行 浇筑 ， 取 得成功 ， 从材料 试验到工 艺试 验 ， 凝结 了国内众多知名专家的心血 ， 这种新型墙体 的形式为今后的防渗设计提供了新的经验， 其上部 特殊混凝土成本较低 ， 应用前景十分广阔。 长 4 3 0 0多米 ， 哈大客运专线第一隧道开挖 全长 4 3 0 0多米的九里庄隧道是哈大铁路客运专线施工 难度最大的隧道， 为双向隧道， 也是我国铁路建设历史上技 术含量最高的隧道， 隧道的支护、 路基和弯度设计达到国际 先进水平， 将满足设计时速3 5 0 k m的技术要求。 据悉， 哈大铁路客运专线一共有 8条隧道 ， 在大连金州 区有 6条 ， 全长 4 3 0 0多米 的九 里庄 隧道 是全 线最 长 的一 条 隧道。 哈大铁路客运专线黑龙江段、 吉林段建设工程于 2 0 0 7 年已全面铺开。哈大铁路客运专线全长 1 1 0 0 k m， 辽宁境 内 为5 5 0 k m， 在大连境 内运行 1 4 0 k m， 计划 2 0 1 1年通车。届 时， 从大连市区到瓦房店不到半个小时。毛茔子至金州友谊 街道龙王庙一线的建设用地基本上是海滩和闲地所 以率先 开工。哈大铁路客运专线大连段工程以架桥为主， 正在施工 的毛茔子至金州友谊街道龙王庙约5 k m路段 ， 包括大连湾 1 号、 大连湾 2号等 4座桥梁。 哈大铁路客运专线在大连境内设大连站( 现火车站) 、 新 大连站( 南关岭站) 和瓦房店站( 新站) 。从大连火车站到新 大连站 1 3 1 k m段， 为老路线， 改造后由客货运输变为高速 客运专线 ； 南关岭新火车站设计全长 8 0 0 m， 4站台8道。哈 大铁路客运专线新建部分为双线对开， 与哈大高速公路沈阳 方向一侧平行修建， 途经大连老城区、 金州( 九里) 区、 瓦房店 市等地， 设计时速为3 5 0 k m。 维普资讯 http:/