塑性混凝土防渗墙的设计及施工工艺.pdf

第 4 O卷第 5期 2 0 1 3年 5月 建筑技术开发 Bui l d i ng Tec hn i qu e De v e l o pme n t Vo 1 4 0， No 5 M a v 2 01 3 塑性混凝 土 防渗墙 的设计及施工工 艺 王家柱 ( 来安县 水利局 ， 安徽 来 安2 3 9 2 0 0 ) 摘要 混凝土防渗墙作为一种有效的防渗设施 ， 在水利水 电工程 中得到广泛应用 。塑性混凝 土具有 弹性 模量低 、 柔 性好 、 适应变形能力强等优点 。结合塑性混凝土的材料组成及其性能特点 ， 给 出了塑性混凝 土的配合 比设 计 要求及墙体结构设计 要求 ， 并详细描述了塑性混凝土防渗墙的施工工艺及质量控制方 法 ， 以期 对实际工 程的 施工具有一定的启示作用 。 关键 词】 塑性混凝土 ； 防渗墙 ； 性 能特点； 设计 ； 施工工艺 中圈分类号 T U 5 2 8 3 2 文献标志码 A 文章编 号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 3 ) 0 5 - 0 0 3 7 0 3 随 着 我 国水 电事 业 的不 断 发展 ， 塑性 混 凝 土 防 渗墙被广泛应用于不同的水工建筑物中， 如坝体 、 坝 基垂 直 防渗 、 病 险 水库 加 固处 理 、 坝后 挡 土 、 防堤 及 围堰 防渗 等工 程 。近年来 也逐 步应用 于海 港 、 码 头 、 地铁 及 城 市 高层 建 筑 的 基 础 工 程 中 。 由于 混 凝 土防渗墙的弹性模量远远高于周围土体和堆石坝等 坝体材料的弹性模量 ， 刚性 混凝土防渗墙存在允许 变形小 、 应 力集 中于墙 体 、 墙 顶与 周 围土体 的沉 陷差 大等缺 点 ， 容易 产生墙 体破 坏 、 墙 顶与 坝体底 部连 接 困难 等 问题 。 而 塑性 混凝 土 的 水 泥 用 量 相 对 较 少 ， 具 有较 低 的强 度 和 弹性 模 量 ， 能 承 受 较 大 的 变 形 ， 抗 裂性 能好 ， 是一种 新 型柔性 工程材 料 。与普通 混 凝土 相 比 ， 它具 有 弹 性模 量 低 、 极 限应 变 大 、 能适 应 较大 变形 、 抗渗 性能好 等特 点 ， 同时还 具有 节约水 泥 、 降 低造价 、 施 工方便 等优点 ， 因此 ， 在 国 内外 被广 泛用作防渗墙墙体材料 - 4 。由此可见 ， 进一步研 究 和推 广应用 塑性 混凝 土有着 极 为现实 的意义 。 1 塑性 混凝 土的材 料组 成及性 能 1 1 塑性混凝 土 的材料 组成 塑性 混凝 土是 一种 由水泥 、 水 、 粘 土 、 膨润 土 、 石 子 、 砂 等 原材料 经 搅拌 、 浆 体 浇 筑 、 凝 结 而 成 的混 合 材料 。塑 性混 凝土 与普通 混凝 土 的最 大差 异是胶 凝 材料 组成 的不 同 ， 塑 性 混 凝 土 的胶 凝 材 料 除 了水 泥 之外还有膨润土、 粘土 等， 也可 以同时掺人 两种材 料 。有 时 ， 为 了改善 塑性 混凝 土 的性 能并 节 约 水 泥 ， 有 时还要 掺加 粉煤 灰 、 外 加剂 。在组 成材 料 的选 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 21 5 作者简介 ： 王家柱( 1 9 6 2 一 ) ， 男 ， 安徽省 来安县人 ， 毕业于武汉 水利 电 力学院 ， 本科学历， 工程师 ， 主要从事水 利工程设 计、 施工 及建设管理工作 。 择 上 ， 一 般应 满 足 如下 要 求 ： 水 泥宜 选 用 3 2 5级 的 复 合硅 酸盐 水泥 或矿 渣 硅 酸 盐 水 泥 、 也 可选 用 粉 煤 灰 硅酸 盐 水 泥 ； 细 骨 料 ( 砂 ) 尽 量 选 用 石 英 含 量 较 高 、 颗粒 浑 圆 、 具 有平 滑 筛 分 曲线 的河 砂 ， 也 可 选 用 人 工砂 ， 其 细 度模 数 宜 为 2 42 8 ； 粗 骨料 ( 石 子 ) 的粒 径 由大 到小应 连续 ， 最大 粒径 不应超 过 4 0 m m。 条件允许时 ， 采用最大粒径为 2 0 3 1 5 mm的一级 骨料 更好 ， 采 用二 级配 骨料 时 ， 小石 与 中石 的 比例 不 宜小 于 4 ： 6 ； 粉煤 灰应根 据 需要 掺 用 ， 且 宜选 用 级 及以上的粉煤灰 ； 当水泥强度等级与混凝土强度等 级比值较大 ， 以及用于临时建筑物时， 可用级粉煤 灰 ； 膨润 土宜 选用 级及 以上 的膨 润土 ； 粘土 的粘 粒 含量 应在 5 O 以上 。 1 2塑 性 混 凝 土 的性 能 1 ) 工作 性较 好 由于水 泥用 量 的减少 ， 及粘 土 和膨 润 土 的掺 入 ， 这 使 得塑性 混凝 土 的拌 和物 具 备 了和 易性 能 好 、 流 动性及 粘 聚性 能优 良 、 不易 离析 不泌水 ， 易 于泵送 且 能 自流平、 自密实等优越性能。良好 的工作性能使 硬 化后 的塑 性混 凝 土获 得 质 量 均 匀 、 物 理力 学 性 能 良好 的前提 ， 否则 就 会 造 成 混凝 土 分 层 、 不 密 实 ， 流 动 性或 填充 性不 足时还 可能 造成 混凝 土 内出现大 气 泡 、 蜂 窝等严 重缺 陷 ， 甚 至产 生离 析和 泌水还 会造 成 混 凝土 表面 出现 麻 面 、 流 砂 等 现象 。塑性 混 凝 土 的 工作性能直接影响着其使用性 ， 因此为满足防渗墙 施 工及 易于泵 送等 要 求 ， 必 须 保 证 塑性 混 凝 土 拌 和 物具 有 良好 的工作 性 。 2 ) 较 低 的弹性模 量 弹 性模 量 是 塑性 混 凝 土 的一 个 重要 力 学参 数 ， 它决 定着 防 渗墙在 实 际受力情 况 下 的变 形能 力 。而 3 7 第 5期 王 家柱 ： 塑性混凝土 防渗墙的设计及施工工 艺 第 4 O卷 由于粘 土及 膨润 土 的加 入 ， 使 得 塑性 混 凝 土 的弹性 模 量得 到 降低 ， 与 周 围土体 的弹性 模量 很接 近 ， 因此 具 有很 好 的变形 性 能 ， 能适 应 较 大 变 形 而不 至 于 在 墙体 内部 产生很 大 的应力 。这 也是 塑性混 凝土 防渗 墙优 于 刚性混凝 土 防渗墙 最重要 的方面 。 3 ) 具 有一定 的抗 压强度 塑性 混凝 土 的强度 较低 ， 根据 相关文 献 ， 其抗压 强 度能一 般在 1 4 M P a ， 基 本能 满 足某 些 工程 所必 须 得强度 ， 如 水利 工 程 中的 防渗 墙 工 程 ， 另 外 ， 由于 粉煤灰 的加 入 ， 塑性 混 凝 土 的后 期 强 度也 有 一 定 的 增长 。影 响塑性 混 凝 土 的强 度 的 因 素一 般 有 ： 水 胶 比 、 水 泥 品种及用 量 ， 膨润土 及粘 土掺 量等 ， 另外 ， 在 有些情况 下需 要 考虑 粉煤 灰掺 量 和外 加剂 等 因素 的 影响 。提 高 塑性 混 凝 土 的 强度 ， 应 控 制 好 骨 料 的级 配 、 最大粒径 、 含 泥量 、 水灰 比、 水泥材料用量等指标 。 4 ) 良好 的抗渗性 虽然 塑性 混凝土 的水 泥用 量减少 了 ， 但 是 由于粘 土及膨润土的加入 ， 水泥的水化产物仍能够连接成完 整的骨架， 并粘结绝大部分的土料颗粒 ， 使之不被渗 水 带走 ， 足 以抵抗 一 定 的渗 水压 力 ， 使 其具 有 良好 的 抗渗性能。塑性混凝土的相对渗透系数很低 ， 一般在 1 0 一 1 0 c m s 之问， 和刚性混凝土的抗渗性能相 接 近 ， 甚至优 于刚性混凝 土的抗 渗性 能。从 防渗 的角 度来讲能够满足各种规模土石坝工程基础防渗墙的 要求。另外， 随着水泥和膨润土水化过程 的发展 ， 水 化 产 物 的密 度 和强 度 不 断增 加 ， 自由水 分 子不 断 减 少 ， 混凝土的密实性和抗渗性随龄期发展而增强。 2 塑 性混凝 土 防渗墙 的设计 2 1配合 比设计 塑性 混 凝 土 配合 比设 计 的主要 参 数 为水 胶 比 ， 水泥掺量 、 膨润土掺量和粘土掺量 ， 砂率 ， 一般应满 足以下三个方面的技术要求 ： 1 ) 塑 性混 凝 土 的 水 泥 用 量 为 8 02 0 0 k g m ， 膨润 土用 量 不 宜 小 于 4 0 k g m ， 胶 凝 材 料 总 量 ( 包 括 土料 、 粉煤 灰等 ) 不宜 小于 2 4 0 k g m ； 2 ) 塑性 混 凝 土 的水 胶 比与 粘 土 和膨 润 土掺 量 有关 ， 一 般水 胶 比为 0 6 01 3 ， 粘土 和 膨 润土 掺 量 少 、 强度和弹强 比高用较小的水胶比， 反之用较大的 水 胶 比 。 3 ) 砂率不宜小于4 5 ， 宜采用一级配骨料 ， 当采 用 二级配骨 料时 ， 小石与 中石的用量 比不宜 小于 1 。 另外 ， 在进 行塑性 混凝 土 的配合 此设计 时 ， 应 尽 量避免使用粘土， 粘土的分散性较差 ， 如果 以粉状或 块 状 掺入 ， 不能 获得 均匀 的拌 和物 ； 如果 以泥浆 方式 3 8 加入 ， 则很 难控 制用 粘土 的掺量 和用 水量 、 以致 影响 水胶 比等指标 ， 使塑性混凝土的质量难以控制 。 2 2防渗 墙设 计 塑 性 昆 凝 土 防渗墙 墙体结 构设 计 的主要 内容 是 确定墙体的厚度 ， 设计要求包括 ： 强度、 抗渗性 、 变形 及 施工设 备要 求 。设 计 时 应遵 循 以下 原 则 ： 1 ) 平 面 布置 上 ， 对 于坝 基 可 布置 在上 游 坝 趾下 或 坝 轴线 附 近 ， 闸基一般布置 在闸基上游侧 ； 2 ) 立 面布置 上 ， 一般 将防渗墙插 入稳 定 性较 好 的地 基 中 3 5 m， 墙厚 根 据水力 比降及施工设备情况确定 ， 一般不小于0 6 m。 塑性 混凝 土 防渗墙 的结构计 算 分析包 括静 力计 算、 动力计算以及静动应力组合计算 ， 其 目的是为选 用设 计 方案 、 进行 混凝 土 配 比试 验 和埋 设 原 型 观 测 设备提供科学依据。由于墙体材料强度降低 ， 塑性 混 凝土 防渗墙 一 般设 计 成 非 承重 墙 ， 塑 性 混 凝 土 使 墙体材 料 的弹性 模 量 与周 围土 体 的 弹性 模 量 相 近 ， 两者的相对沉陷差及墙体承受的外荷载减少 ， 这使 得墙体产生的拉应力大幅降低 J 。 3塑性 混凝 土防渗 墙的施 工 工艺 3 1 施 工 工 艺 塑性 混凝 土防 渗墙 的施工 一般 由以下 6个过 程 组 成 ： 导 槽施 工一 泥 浆制 作 一 造 孔 成槽 一 泥 浆 护 壁 一 清槽一 混凝 土浇 筑 。 1 ) 导槽施 工 在 深槽 开挖 前 ， 沿 防渗 墙纵 轴线 位开挖 导 沟 ， 在 两侧浇筑混凝土导墙。导墙深度为 1 21 5 m， 底 部落 在原 土层上 ， 顶 部高 于施 工 场 地 1 0 c m， 以 阻 止 地表水流入槽内。导墙厚度 0 1 5 m， 两墙 间净距 比 抓 斗宽 3 5( 3 1 1 1 。为 防止 导 墙 位 移 ， 应 在 导 墙 内侧 每隔 2 m处设木支撑 。导墙基底和土面应 紧密接 触 ， 导墙 内侧 回填应采用粘性土夯实， 不得使槽内泥 浆 渗入 导墙 外 。导 墙 和 防渗 墙 中 心线 应 平 行 ， 竖 向 面必须 保持 垂直 ， 这 是 保证 防渗 墙 垂 直 精度 的重 要 环节 。导 墙 与纵 轴 线允 许 偏 差 为 1 0 m m， 内外 导墙 净距 离允许 偏 差为 5 mm， 导 墙 上 表 面 应水 平 ， 全 长 范 围 内高 差应 小于 1 0 m m， 单 幅高差 应小 于 5 m m。 2 ) 泥浆制作 为保证冲一抓导槽 的安全与质量 ， 护壁泥浆生 产 循环 系统 的质量 控 制 是 关 系 到槽 壁 稳 定 、 冲孔 速 度 、 混凝 土施 工质量 等 的必备 条件 。施 工过 程 中 ， 应 采用优质膨润土为主、 少量粘性土为辅的泥浆制备 材 料 ， 造 孔用 的泥 浆材 料必须 经 过现场 检验 合格 后 ， 方可使用。制备泥浆 的时间及方法 由试验确定 ， 并 按标准配合 比配置泥浆 ， 计 量误差不超过 5 。泥 第 4 0卷 王 家柱 ： 塑 性 混 凝 土 防 渗 墙 的 设 计 及 施 工 工 艺 第 5期 浆必须经过制浆池、 沉淀池及储存池三级处理 ， 泥浆 制备 场地 以利 于施工 方便 为 主要 原则 。 3) 造孔 成槽 造 孔 成 槽是 防渗 墙施 工 的关 键 工 序之 一 ， 即控 制工期 又影 响质 量 ， 必 须 做好 各 项 准 备 工作 。造 孔 工序 应按 照预先 划 分 的槽 孔 进行 ， 槽 孔 划 分 应 根 据 地质 条件 、 抓头 尺寸 、 墙壁 结构 以及混 凝土 的供应 条 件进行 ， 遵 循 的原则是 尽量 做到墙 段接 头少 ， 有利 于快 速 、 均衡 和安 全 施 工 。造 孔 机械 的选 择 也是 施 工质 量 的重要 保证 ， 塑性 混 凝 土 防渗 墙 的 造 孔机 械 通 常选用 冲击 钻机 ， 目前 我 国使用 的钢 绳 冲击 钻 机 主要 型号 有 C Z一 2 O 、 C Z一 2 2 、 C Z一 3 0等 。 4 ) 泥 浆护壁 施工中为了防止槽孑 L 坍塌 ， 保持孔壁稳定 ， 应采 取护壁 措施 。常 用 的 护壁 措 施 是 泥浆 护 壁 ， 泥 浆 材 料 通 常为粘 土或 膨润 土 ， 要 求泥浆 有适 宜 的密度 、 良 好 的流 变性 和稳 定性 。 5 ) 清槽 在成槽过程中， 为把沉积槽底的沉渣清除， 需对 槽底 进 行清槽 ， 以提 高塑 性 混 凝 土 防渗 墙 的 承载 力 和抗 渗 能力 。冲击 钻 修槽 完 毕 后 ， 用 液 压 抓 斗清 除 槽底 沉渣 ， 并检 查成槽 情 况 ， 再用 洗刷 锤清 刷一序 槽 段接 头 ， 直至不 带泥 屑为 止 ， 清槽 采用 泵吸 法发循 环 排渣 ， 将沉 渣吸 入泵管 内 ， 从 管 口排 出。在 清槽过 程 中， 应不断向槽内泵送优质泥浆 ， 以保持液面高度 ， 防止塌 孔 ， 清槽 工作直 至达标 为止 。 6 ) 混凝 土浇筑 混凝 土浇筑是保证 防渗 墙施工质量 的关 键工 序 ， 防渗墙 混凝土采用泵送 混凝 土水下 导管浇筑 法 ， 浇筑 必须连续进 行 ， 不 允许 中断 ， 还 必须 有 特定 的浇筑 速 度。混凝 土浇筑分为开浇、 正常浇筑 和终浇 3个阶段 。 3 2质 量控制 1 ) 施 工前质 量控 制 施 工 准 备是 为 施工 阶段 提供 有 效 的 、 正 常施 工 的物质 条件 和技 术保 障 ， 作 为质 量 控 制人 员 的监 理 工 程师 应加 强这 方 面 的控 制 ， 严 格控 制 并 落 实 承 包 商 的施 工设备 、 材料 和技 术力 量 。在施工 准备 阶段 ， 除应做普通混凝土 防渗墙的准备工作外 ， 承包商应 重点 为施 工作 好 以下 方 面 的工 作 ， 而 监 理 工 程师 也 应对 此进 行重 点控制 ： 施 工组织 及施 工计 划 的制 定 、 施 工 机械 、 人员 及材料 的质 量控 制 、 配 合 比设计 按规 范严格 进行 、 选 择典 型部位 进行 生产性 试 验 。 2 ) 施工 过程 中质量 控制 在施工准备充分的条件下 ， 承包商就可以进行 防渗墙施工 。施工过程中， 承包商应严格按监 理工 程 师批 准 的施 工 组 织设 计 进 行 施 工 ， 监 理 工 程师 应 派 出在 施工 准备 充 分 的条 件 下 ， 承 包 商 就 可 以进 行 防渗墙施 工 。施 工过 程 中 ， 承 包 商 应严 格 按 监 理 工 程 师批 准 的施 工组 织 设 计 进 行施 工 ， 监 理 工 程 师 应 派 出经验 丰 富的现 场 监 理人 员进 行 现 场 监 理 ， 并 按 重要 隐蔽 工程 的要 求实行 旁站 监理 。 3 ) 施 工后质 量检 查 塑性 混凝土 防渗 墙与 常规 混凝 土 防渗 墙 一样都 需 进行 混凝 土质 量 检 查 和墙 体 质 量 检测 ， 但 在具 体 的检查 方法 上存 在差 异 。 由于 塑性混 凝土 的强 度较 低 ， 不 宜采用 钻孔 取 芯 的方 法对 成 墙 混 凝 土进 行 取 芯 ， 只 能在混 凝 土浇 筑 时 ， 现 场 取样 成 型 试 件 ， 用 试 件的试验结果代替防渗墙的实际性能指标。对混凝 土 防渗墙 成墙 质量 的检 查 ， 采 用 的 方法 有 钻 孔 取 芯 法 、 超 声 波法 和地震 透射 层析 成像 ( C T) 法 。对 于 塑 性混 凝土 最好 采用 无 损 检 测 方法 ， 如 超 声 波 和 地震 透射层析成像( C T ) 法 ， 检测防渗墙的连续性和接头 孔 的连接质 量 。 4 结 语 塑性混 凝土 具有 弱性模 量低 、 极 限应 变大 、 对周 围土体 的适应 性 强 、 和 易 性 能好 、 成本 低 、 成墙 质 量 高 、 整体性好、 厚度 均匀连续、 质量 可靠 、 防渗效果 好 、 耐久 性好 等优 点 ， 能 够满 足工 程对 混凝 土变形 能 力和抗渗性的要求。从水库的长期运行情况来看， 防渗 墙是 病 险水库 防渗 处 理 的 比较 理 想 的措施 ， 在 水利 水 电工程 中具 有推 广应用 的价值 。 参 考 文 献 1 刘纪昌 塑性混凝 土 防渗 墙的开发 与应用技 术 J 水利 水电施 工 ， 1 9 9 6 ( 3 ) ： 2 83 O 2 尚夏 ， 姚雷生 ， 王宁 塑性混凝 土防渗墙 在某水 库大 坝中 的应用 J 平顶 山工学 院学报 ， 2 0 0 6 ， 1 5 ( 4) ： 5 5 5 6， 5 9 3 冯 霞芳 防渗 墙新 型墙体 材料 塑性混 凝土 J 水利水 电技 术 ， 1 9 9 3 ( 8 )： 1 5 2 0 4 谭小通 塑性混凝 土防渗墙 技术在水库 施工 中的应用 J 建筑 工程 ， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ：1 5 21 5 3 5 李清富 ， 张鹏 ， 张保雷 塑性混凝 土弹性模量 的试验 研究 J 水 力发 电， 2 0 0 5， 3 1 ( 3 ) ： 3 03 2 6 金婉香 ， 章 晓桦 掺膨润 士塑 性混 凝土用 于 防渗墙 的试 验研究 J 浙江水利科 技， 2 0 0 3 ( 1 ) ： 6 7 6 9 7 李家正 ， 王迪友 ， 杨华全 塑性混凝 土配合 比设计及 试验 方法探 讨 J 长江科学 院院报 ， 2 0 0 2， 1 9 ( 4 ) ： 5 86 l 8 李文林 ， 塑性混凝 土 防渗墙技 术综 述 J ， 水 利水 电工程 设计 ， 1 9 9 5 ( 3 ) ： 5 4 5 9 9 周晖 ， 韩新华 塑牲 混凝 土舫渗墙施工技术的探讨 J 浙江水利 科技 ， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 5 4 5 5 3 9