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

2010-04-28曾福连

水利建设与管理 2010年5期

曾福连

（泉州市水利局 362000）

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，1960年4月建成投入使用，总库容1782万m3，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910m，最大坝高24m，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，2006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15～35m，坝顶高程32.14m，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19.8m，冲积砂质粘土厚度为0.4～2.7m，粉砂厚度为1.8～3.2m，粗砂厚度为0.7～4.8m，砂卵砾石厚度为0.5～4.1m，坡积粘土厚度为0.8～4.0m，残积砂质粘性土厚度为2.35～18.45m。坝体填筑土施工质量不稳定，密实度不均匀，渗透系数在10-4～10-6cm/s，属中等透水—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+060～0+450，长390m。防渗墙轴线位于坝轴线上游2m处，混凝土防渗墙厚0.6m，最大深度27.5m，墙体采用C15一级配低弹模塑性混凝土。混凝土设计指标为：抗压强度 R28≥7.5MPa，抗拉强度 R28≥0.75MPa，弹性模量3000MPa≤E28d≤5000MPa，28天墙身渗透系数不大于10-6cm/s。

2 混凝土防渗墙施工技术

2.1 造孔成槽

2.1.1 布置防渗墙施工平台

新安水库大坝坝顶高程32.14m，坝顶宽为4.5m。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29.4m，用推土机推平并压实，形成一个总宽度约9m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40cm×40cm，再按40m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C20，断面尺寸如下：高度0.7m，上底宽0.8m，下底宽0.3m，两导墙间距0.6m。

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，主孔完成后再抓中部副孔。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%～0.33%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6.5m。施工时，将防渗墙划分为Ⅰ、Ⅱ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期槽孔的造孔和混凝土浇筑，然后进行Ⅱ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24h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30～50cm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1.1g/cm3，漏斗粘度为30～90s，塑性粘度小于 20cP，静切力为 1.4～10N/m2，pH值 9.5～12。

制浆膨润土与拌制混凝土的膨润土相同，分散剂采用Na2CO3，增粘剂为CMC。根据性能指标要求，泥浆配合比如下∶水∶膨润土∶Na2CO3∶CMC=100∶8～9∶0～0.35∶0～0.05。

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，并在已灌入的混凝土体内流动、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。清孔采用抓斗抓取淤泥，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1h后，达到下列标准可以结束工作∶ⓐ孔底淤积厚度不大于10cm；ⓑ泥浆参数为∶槽内泥浆比重不大于1.3g/cm3，粘度不大于30s，含砂量不大于10%。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，孔底淤积不再增加，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=323∶275∶96∶163∶762∶502∶5.34。

a.清孔换浆结束后，下设混凝土灌注导管。一期槽段长度为6.5m，下设1套导管，两侧导管距槽端1～1.5m；二期槽段由于接头管接头，槽段长度为6.5m，下设1套导管，两侧导管距孔端1.0m；同时，槽段内导管间距不大于3.5m。导管底部距槽孔底板不大于25cm，当槽底高差大于25cm时将导管置于控制范围的最低处。

b.灌注前导管内置入可浮起的隔离塞球，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30min测量一次混凝土面，每2h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1.0m，最大不得大于6.0m，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0.5m，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。二期槽孔浇筑混凝土时，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219mm，孔深8m，孔底标高20.9m，待墙身混凝土浇筑完成后进行。骑缝孔在回填前，先进行洗孔，后密实回填C15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1～2m，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20万元，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。

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，投入大量资金；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20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12h，最迟不超过24h，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。

c.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40min，同时槽内混凝土上升速度不得小于2m/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0.5m；每隔30min测量一次槽孔内混凝土面深度,每隔2h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3m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28天后分别在第5槽段（0+086～0+92.5）、第 21槽段（0+190～0+196.5）、第33槽段（0+268～0+274.5）、第54槽段（0+404.5～0+411）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8.2MPa，最大值 11.6MPa；最小渗透系数 0.30×10-8cm/s，最大为 1.50×10-8cm/s；弹性模量最小值 3120MPa，最大值4030 MPa。

4.3 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1.50×10-8cm/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6.75×10-8cm/s，平均值0.80×10-8cm/s也小于高压旋喷防渗墙平均值2.6×10-8cm/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+060～0+450，总长 390m，防渗墙总面积9160cm2。工程于2009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0.225m，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0.3m和0.6m，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0.6m。如按计算的厚度或按0.3m、0.4m进行施工，这将可大大提高防渗墙的施工进度。

c.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0.3m、0.4m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。