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摘要: 薄型抓斗法塑性混凝土防渗墙塑施工技术近年来发展很快,应用较广,已被广泛应用于病险水库防渗加固,并取得较好的防渗效果。本文结合工程的实践,介绍了塑性混凝土防渗墙在黄仁水库坝体防渗加固处理中的应用,介绍了液压抓斗法混凝土防渗墙的施工技术要点及注意事项。
关键词: 塑性混凝土 防渗墙 薄型抓斗
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.026
1前言
采用液压抓斗成槽浇筑塑性砼防渗墙施工技术出现于20世纪90年代,此项技术可以适应复杂的工程地质条件,可在坚硬的土壤与砂砾石中成槽,成槽深度可达60m,并且截渗效果明显。此项技术具有工程造价底、施工速度快、质量可靠、工期短等优点,已在病险水库防渗加固工程中得到了广泛应用,以下对塑性砼防渗墙在黄仁水库加固中的运用进行介绍,本工程的施工经验可对同类工程施工具有一定借鉴作用。
2 工程概况及处理方案
2.1 水库工程概况
黄仁水库位于蒙阴县垛庄镇西山角村村南,系淮河流域沂河水系蒙河支流黄仁河上的一座中型水库,是一座以防洪为主,结合农田灌溉、淡水养殖等综合利用的水利工程。黄仁水库建成于1971年6月,控制流域面积30.4KM2,设计标准为100年一遇,校核标准为1000年一遇,总库容为1332万m3,大坝为均质土坝,坝顶高程为170.8m,最大坝高为18.23m,坝顶宽5m,坝长为536m。水库在多年运行后大坝存在坝坡稳定、坝体渗漏和坝肩绕坝渗漏等问题,严重威胁坝体安全和正常效益的发挥,被水利部列为病险库。
2.2 大坝工程地质条件
大坝填筑质量差,填筑土料以壤土和砂壤土为主,局部为粉土质砾砂,土质较为杂乱,含砂量偏大,压实度为0.71～0.93,全部小于0.96,渗透系数为1.72×10–3～3.16×10–4cm/s,具中等透水性。坝基覆盖层自上而下分别为壤土、砾质粗砂、中细砂,覆盖层最大厚度约为4.2m,下伏为寒武系砂质页岩及元古代傲徕山超单元二长花岗岩,强风化层厚2.8-9.0m,透水率为0.22-44Lu,一般具微透水性。大坝安全鉴定结论意见要求对坝体进行防渗加固处理。
2.3 处理方案
大坝坝体防渗加固处理方案有水平防渗和垂直防渗两个大方案可进行比选,经分析论证选用了垂直防渗这个方案,根据这个方案,又对高压喷射灌浆、多头小直径深层搅拌桩和塑性混凝土防渗墙等子方案作了进一步技术、经济比较,认为混凝土防渗墙与高压喷射灌浆和多头小直径深层搅拌桩相比,塑性混凝土防渗墙较为可靠,且混凝土防渗墙经过几十年的发展,施工技术较为成熟,质量较易保证。
根据水库地质地形条件及水库防渗要求,经多次论证和研究,拟对大坝桩号0+027～0+522坝段坝体进行防渗处理,截渗墙轴线与坝顶防浪墙中心线重合,墙体嵌入基岩的深度主要根据地质条件、渗透稳定及结构要求,按墙体深入弱风化基岩1.0m控制。经分析计算比较,确定采用墙厚度为30cm的塑性混凝土防渗墙。混凝土设计指标为:渗透系数k≤1.0×10-7cm/s;抗压强度2.5Mpa≤R28d≤4Mpa;弹性变形模量300Mpa≤E28d≤1000Mpa;允许渗透比降J≥80。
3 混凝土防渗墙成墙技术要点
3.1 施工准备
根据施工现场、防渗墙顶高程及施工机械设备施工要求,在防渗墙轴线下游侧设置抓斗施工平台,平台总宽10m,上游台宽1.5m,坝顶高程降低至169.8m(防浪墙基础底高程),另外将降坝的土料填筑到坝体下游侧,以保证抓斗施工平台的宽度。下游侧设置平行坝轴线的排渣排水沟,断面尺寸30×50cm,再按50m间距修建垂直防渗墙轴线的排渣排水沟,将废渣﹑废水排至下游坝脚,所有废渣运至弃渣场。
导墙是在地层表面沿防渗墙轴线方向设置的临时构筑物,起着标定防渗墙位置、成槽导向、锁固槽口、保持泥浆液面、槽孔上部孔壁保护、外部荷载支撑的作用。导向槽的稳定是混凝土防渗墙安全施工的关键。本工程采用L形断面少筋混凝土施工导墙,导墙混凝土强度等级为C20,断面尺寸为0.3m×0.8m(宽×高),两导墙间距0.4m,墙顶高于施工场地10cm以阻止地表水流入。导墙建在坚实的基础上,导墙外侧填土夯实,夯实填土时,导墙间采用内支撑以防导墙倾覆或位移。
3.2 抓斗造槽
本工程防渗墙成槽采用“抓取法”施工工艺,抓斗张开2.8m宽,每槽段划分3抓,按照施工顺序分别一次施工至设计深度,底部强风化岩基部分施工也采用抓斗成槽施工。
槽段划分时,应综合考虑地基的工程地质及水文地质条件、施工部位、成槽方法、机具性能、成槽历时、混凝土供应强度、墙体预留孔的位置、浇筑导管布置原则及墙体平面形状等因素。本工程防渗墙划分为Ⅰ、Ⅱ序槽段,间隔布置,根据设备及地质条件确定Ⅰ、Ⅱ序槽段开挖长度同为7.5m,先施工Ⅰ序槽段,后施工Ⅱ序槽段。每个槽段分为两个主孔及一个副孔,即每槽段划分为3抓,先抓两端主孔,后抓中间副孔,至终孔成槽。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。施工槽段从左到右抓取,施工槽段成槽完工后,经监理确定岩层岩性,并最终确定该施工槽段成槽深度。槽段划分示意图见图1。
图1 槽段划分示意图
3.3 护壁泥浆
护壁泥浆在施工中不仅直接影响施工进度和槽壁稳定,并且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,根据本工程地质特点,选用优质膨润土泥浆固壁,设计为二级膨润土指标,新制泥浆的性能指标见表1。分散剂采用Na2CO3,增粘剂为CMC,根据性能指标要求,通过试验确定的泥浆配合比见表2。
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。
3.4 防渗墙体浇筑
3.4.1 浇筑方法
混凝土防渗墙是在泥浆下浇筑混凝土,本工程是采用刚性导管法进行墙壁体浇注,混凝土竖向顺导管下落,利用导管隔离泥浆,使其不与混凝土接觸,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。
3.4.2 浇筑材料
本工程防渗墙的墙体材料采用掺入膨润土的普通混凝土,水泥选用“沂州”牌325号普通硅酸盐水泥;骨料采用河砂及人工碎石,最大粒径不大于20mm;膨润土选用厂家生产的2级钠基膨润土,200目筛余小于4%;水取自水库;外加剂为YHN-1型减水剂。根据设计要求的性能指标,采用当地原材料进行试验后确定的混凝土配合比见表3。
表3 每立方米混凝土原材料用量(kg/m3)
3.4.3 清孔换浆
槽段终孔验收合格后进行清孔,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: ①孔底淤积厚度不大于10cm; ② 泥浆参数为:槽内泥浆比重不大于1.15g/cm3,粘度不大于30s,含砂量不大于6%。清孔换浆工作可以结束。
槽段清孔换浆结束前将钢丝刷子安装在抓斗斗体上,紧贴Ⅰ、Ⅱ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。
3.4.4 槽段混凝土浇注
防渗墙采用直长升式导管法进行泥浆下的混凝土浇注,导管内径为200mm,导管间距不大于3.5m,Ⅰ期槽两侧导管距槽端1～1.5m,Ⅱ期槽段由于套抓接头,两侧导管距孔端1.0m。该工程下设三套导管,接头处和管壁严禁漏浆,导管底部距槽底距离控制在15～25cm范围内,当槽底高差大于25cm时将导管置于控制范围的最低处。
在浇筑过程中,供料要连续,不得间断,浇注过程中每30min测量一次槽孔内混凝土面深度,每2h测量一次导管内混凝土面深度,导管在混凝土内的埋深最小不得小于1.0m,最大不宜大于6.0m。槽内混凝土面上升速度不得小于2m/h,混凝土面应均匀上升,各處高差控制在0.5m以内;浇筑混凝土时,槽孔口上设盖板,以防杂物落入槽孔内。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。
槽孔浇筑严格按先深后浅的顺序,即从最深的导管开始,由深到浅连续浇筑。浇注前导管内置入可浮起的隔离塞球,浇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。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,并将顶部导管拆除。
3.5 墙段连接
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Ⅰ期槽孔浇筑前,于槽两端下设Φ250mm钢管,待混凝土初凝后,按一定速度将其拔起,形成接头孔。Ⅱ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。
3.6 质量检查
本工程共划分为66个槽段,检验结果表明,各槽段的孔位、孔深、入岩深度、孔斜率、墙体的厚度、清孔泥浆性能指标、孔底淤积厚度等检查项目均满足设计要求。防渗墙工程的墙段连接全部采用“接头管法”施工,接头孔拔管的成功率为了100%。经检验,接头孔的孔径、孔深及垂直度全部合格,质量符合规范要求。
本工程完工后,在槽段连接处进行了现场开挖,检查结果表明,露出的墙体接缝密实,接缝无夹泥、脱开现象,墙面平整光滑,墙厚满足要求,墙体整体性强,满足设计要求。为了检查墙体混凝土质量,每隔10个槽段进行了钻孔取芯检查,检查结果表明,所取混凝土芯样表面光滑完整,混凝土均匀密实,无蜂窝、麻面、混浆等现象。
4结 语
黄仁水库防渗墙工程采用薄型抓斗成槽和接头管法墙段连接工艺进行施工,该工程于2009年4月3日开工,于2009年6月15日全部完成,成墙面积9117.6m2。工程竣工后,大坝下游的地下水位大幅下降,沼泽完全消失,良好的防渗效果,说明防渗墙的设计、施工方案的选择和实施是成功。其成墙具有以下特点:
a、塑性混凝土防渗墙施工速度快,一台液压抓斗成槽平均工效为127m2/天;无须放空水库施工、施工时水泥浆不会造成环境和地下水污染。
b、塑性混凝土防渗墙适应复杂的工程地质条件,墙厚和墙深的适用范围大,防渗效果和耐久性好,工程质量可靠,因而更适合对低水头条件下的坝基和坝身的防渗加固处理。
c、塑性混凝土防渗墙造价是经济的,经测算,此次采用的厚30cm薄型混凝土防渗墙单价为260元/ m2,而采用常规施工工艺,成墙厚度80cm,则防渗墙的单价近420元/ m2,仅此项在黄仁水库除险加固工程中可降低投资145.9万元。
d、墙段连接采用接头管法施工,在施工质量、施工进度、材料消耗、防渗效果等方面均优于其他施工技术墙段连接方法。
作者简介:张锋 (1975- ),男,汉族,山东临沂人,工程师,学士,从事水工结构设计
关键词: 塑性混凝土 防渗墙 薄型抓斗
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.026
1前言
采用液压抓斗成槽浇筑塑性砼防渗墙施工技术出现于20世纪90年代,此项技术可以适应复杂的工程地质条件,可在坚硬的土壤与砂砾石中成槽,成槽深度可达60m,并且截渗效果明显。此项技术具有工程造价底、施工速度快、质量可靠、工期短等优点,已在病险水库防渗加固工程中得到了广泛应用,以下对塑性砼防渗墙在黄仁水库加固中的运用进行介绍,本工程的施工经验可对同类工程施工具有一定借鉴作用。
2 工程概况及处理方案
2.1 水库工程概况
黄仁水库位于蒙阴县垛庄镇西山角村村南,系淮河流域沂河水系蒙河支流黄仁河上的一座中型水库,是一座以防洪为主,结合农田灌溉、淡水养殖等综合利用的水利工程。黄仁水库建成于1971年6月,控制流域面积30.4KM2,设计标准为100年一遇,校核标准为1000年一遇,总库容为1332万m3,大坝为均质土坝,坝顶高程为170.8m,最大坝高为18.23m,坝顶宽5m,坝长为536m。水库在多年运行后大坝存在坝坡稳定、坝体渗漏和坝肩绕坝渗漏等问题,严重威胁坝体安全和正常效益的发挥,被水利部列为病险库。
2.2 大坝工程地质条件
大坝填筑质量差,填筑土料以壤土和砂壤土为主,局部为粉土质砾砂,土质较为杂乱,含砂量偏大,压实度为0.71～0.93,全部小于0.96,渗透系数为1.72×10–3～3.16×10–4cm/s,具中等透水性。坝基覆盖层自上而下分别为壤土、砾质粗砂、中细砂,覆盖层最大厚度约为4.2m,下伏为寒武系砂质页岩及元古代傲徕山超单元二长花岗岩,强风化层厚2.8-9.0m,透水率为0.22-44Lu,一般具微透水性。大坝安全鉴定结论意见要求对坝体进行防渗加固处理。
2.3 处理方案
大坝坝体防渗加固处理方案有水平防渗和垂直防渗两个大方案可进行比选,经分析论证选用了垂直防渗这个方案,根据这个方案,又对高压喷射灌浆、多头小直径深层搅拌桩和塑性混凝土防渗墙等子方案作了进一步技术、经济比较,认为混凝土防渗墙与高压喷射灌浆和多头小直径深层搅拌桩相比,塑性混凝土防渗墙较为可靠,且混凝土防渗墙经过几十年的发展,施工技术较为成熟,质量较易保证。
根据水库地质地形条件及水库防渗要求,经多次论证和研究,拟对大坝桩号0+027～0+522坝段坝体进行防渗处理,截渗墙轴线与坝顶防浪墙中心线重合,墙体嵌入基岩的深度主要根据地质条件、渗透稳定及结构要求,按墙体深入弱风化基岩1.0m控制。经分析计算比较,确定采用墙厚度为30cm的塑性混凝土防渗墙。混凝土设计指标为:渗透系数k≤1.0×10-7cm/s;抗压强度2.5Mpa≤R28d≤4Mpa;弹性变形模量300Mpa≤E28d≤1000Mpa;允许渗透比降J≥80。
3 混凝土防渗墙成墙技术要点
3.1 施工准备
根据施工现场、防渗墙顶高程及施工机械设备施工要求,在防渗墙轴线下游侧设置抓斗施工平台,平台总宽10m,上游台宽1.5m,坝顶高程降低至169.8m(防浪墙基础底高程),另外将降坝的土料填筑到坝体下游侧,以保证抓斗施工平台的宽度。下游侧设置平行坝轴线的排渣排水沟,断面尺寸30×50cm,再按50m间距修建垂直防渗墙轴线的排渣排水沟,将废渣﹑废水排至下游坝脚,所有废渣运至弃渣场。
导墙是在地层表面沿防渗墙轴线方向设置的临时构筑物,起着标定防渗墙位置、成槽导向、锁固槽口、保持泥浆液面、槽孔上部孔壁保护、外部荷载支撑的作用。导向槽的稳定是混凝土防渗墙安全施工的关键。本工程采用L形断面少筋混凝土施工导墙,导墙混凝土强度等级为C20,断面尺寸为0.3m×0.8m(宽×高),两导墙间距0.4m,墙顶高于施工场地10cm以阻止地表水流入。导墙建在坚实的基础上,导墙外侧填土夯实,夯实填土时,导墙间采用内支撑以防导墙倾覆或位移。
3.2 抓斗造槽
本工程防渗墙成槽采用“抓取法”施工工艺,抓斗张开2.8m宽,每槽段划分3抓,按照施工顺序分别一次施工至设计深度,底部强风化岩基部分施工也采用抓斗成槽施工。
槽段划分时,应综合考虑地基的工程地质及水文地质条件、施工部位、成槽方法、机具性能、成槽历时、混凝土供应强度、墙体预留孔的位置、浇筑导管布置原则及墙体平面形状等因素。本工程防渗墙划分为Ⅰ、Ⅱ序槽段,间隔布置,根据设备及地质条件确定Ⅰ、Ⅱ序槽段开挖长度同为7.5m,先施工Ⅰ序槽段,后施工Ⅱ序槽段。每个槽段分为两个主孔及一个副孔,即每槽段划分为3抓,先抓两端主孔,后抓中间副孔,至终孔成槽。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。施工槽段从左到右抓取,施工槽段成槽完工后,经监理确定岩层岩性,并最终确定该施工槽段成槽深度。槽段划分示意图见图1。
图1 槽段划分示意图
3.3 护壁泥浆
护壁泥浆在施工中不仅直接影响施工进度和槽壁稳定,并且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,根据本工程地质特点,选用优质膨润土泥浆固壁,设计为二级膨润土指标,新制泥浆的性能指标见表1。分散剂采用Na2CO3,增粘剂为CMC,根据性能指标要求,通过试验确定的泥浆配合比见表2。
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。
3.4 防渗墙体浇筑
3.4.1 浇筑方法
混凝土防渗墙是在泥浆下浇筑混凝土,本工程是采用刚性导管法进行墙壁体浇注,混凝土竖向顺导管下落,利用导管隔离泥浆,使其不与混凝土接觸,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。
3.4.2 浇筑材料
本工程防渗墙的墙体材料采用掺入膨润土的普通混凝土,水泥选用“沂州”牌325号普通硅酸盐水泥;骨料采用河砂及人工碎石,最大粒径不大于20mm;膨润土选用厂家生产的2级钠基膨润土,200目筛余小于4%;水取自水库;外加剂为YHN-1型减水剂。根据设计要求的性能指标,采用当地原材料进行试验后确定的混凝土配合比见表3。
表3 每立方米混凝土原材料用量(kg/m3)
3.4.3 清孔换浆
槽段终孔验收合格后进行清孔,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: ①孔底淤积厚度不大于10cm; ② 泥浆参数为:槽内泥浆比重不大于1.15g/cm3,粘度不大于30s,含砂量不大于6%。清孔换浆工作可以结束。
槽段清孔换浆结束前将钢丝刷子安装在抓斗斗体上,紧贴Ⅰ、Ⅱ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。
3.4.4 槽段混凝土浇注
防渗墙采用直长升式导管法进行泥浆下的混凝土浇注,导管内径为200mm,导管间距不大于3.5m,Ⅰ期槽两侧导管距槽端1～1.5m,Ⅱ期槽段由于套抓接头,两侧导管距孔端1.0m。该工程下设三套导管,接头处和管壁严禁漏浆,导管底部距槽底距离控制在15～25cm范围内,当槽底高差大于25cm时将导管置于控制范围的最低处。
在浇筑过程中,供料要连续,不得间断,浇注过程中每30min测量一次槽孔内混凝土面深度,每2h测量一次导管内混凝土面深度,导管在混凝土内的埋深最小不得小于1.0m,最大不宜大于6.0m。槽内混凝土面上升速度不得小于2m/h,混凝土面应均匀上升,各處高差控制在0.5m以内;浇筑混凝土时,槽孔口上设盖板,以防杂物落入槽孔内。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。
槽孔浇筑严格按先深后浅的顺序,即从最深的导管开始,由深到浅连续浇筑。浇注前导管内置入可浮起的隔离塞球,浇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。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,并将顶部导管拆除。
3.5 墙段连接
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Ⅰ期槽孔浇筑前,于槽两端下设Φ250mm钢管,待混凝土初凝后,按一定速度将其拔起,形成接头孔。Ⅱ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。
3.6 质量检查
本工程共划分为66个槽段,检验结果表明,各槽段的孔位、孔深、入岩深度、孔斜率、墙体的厚度、清孔泥浆性能指标、孔底淤积厚度等检查项目均满足设计要求。防渗墙工程的墙段连接全部采用“接头管法”施工,接头孔拔管的成功率为了100%。经检验,接头孔的孔径、孔深及垂直度全部合格,质量符合规范要求。
本工程完工后,在槽段连接处进行了现场开挖,检查结果表明,露出的墙体接缝密实,接缝无夹泥、脱开现象,墙面平整光滑,墙厚满足要求,墙体整体性强,满足设计要求。为了检查墙体混凝土质量,每隔10个槽段进行了钻孔取芯检查,检查结果表明,所取混凝土芯样表面光滑完整,混凝土均匀密实,无蜂窝、麻面、混浆等现象。
4结 语
黄仁水库防渗墙工程采用薄型抓斗成槽和接头管法墙段连接工艺进行施工,该工程于2009年4月3日开工,于2009年6月15日全部完成,成墙面积9117.6m2。工程竣工后,大坝下游的地下水位大幅下降,沼泽完全消失,良好的防渗效果,说明防渗墙的设计、施工方案的选择和实施是成功。其成墙具有以下特点:
a、塑性混凝土防渗墙施工速度快,一台液压抓斗成槽平均工效为127m2/天;无须放空水库施工、施工时水泥浆不会造成环境和地下水污染。
b、塑性混凝土防渗墙适应复杂的工程地质条件,墙厚和墙深的适用范围大,防渗效果和耐久性好,工程质量可靠,因而更适合对低水头条件下的坝基和坝身的防渗加固处理。
c、塑性混凝土防渗墙造价是经济的,经测算,此次采用的厚30cm薄型混凝土防渗墙单价为260元/ m2,而采用常规施工工艺,成墙厚度80cm,则防渗墙的单价近420元/ m2,仅此项在黄仁水库除险加固工程中可降低投资145.9万元。
d、墙段连接采用接头管法施工,在施工质量、施工进度、材料消耗、防渗效果等方面均优于其他施工技术墙段连接方法。
作者简介:张锋 (1975- ),男,汉族,山东临沂人,工程师,学士,从事水工结构设计