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[摘要]:文章以某水库主坝混凝土防渗墙施工加固为例,并对其混凝土防渗墙施工、水库主坝存在的主要问题、工程特点与难点等进行了详细的分析研究。
[关键词]:水库混凝土 防渗墙施工
中图分类号:Q178.51+3 文献标识码:Q 文章编号:1009-914X(2012)32- 0143 -02
1、工程实况
该水库总库容16.21亿m3 ,是一座以防洪、发电为主,兼有灌溉、围垦、水产养殖、灭螺等综合效益的大(Ⅰ)型水库。大坝高程28 m以下为均质土坝,以上为粘土心墙代料组合坝。心墙高程65 m,坝顶高程65.5m,最大坝高46.8 m,坝长941 m,坝顶宽6.5 m。该水库始建于1996年,属“三边”工程,由于大坝清基不彻底,基面上普遍存在2~9 m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。2005年12月,由我公司中标并开始对水库主坝除险加固混凝土防渗墙施工, 2007年6月,主坝加固施工完畢,从根本上解决了坝体渗漏问题。共完成防渗墙面积29023.88 m2 ,混凝土浇筑6079.92 m3 ,特殊混凝土浇筑16892.85 m3。
2、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2×10-6 ~7×10-6 cm / s,均质土坝壤土层渗透系数6×10-5 ~3 ×10-6 cm/s,主要渗漏通道为坝下2~9m的细砂、砂卵石地层,勘探钻孔多不返水。
3、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55 m高程马道上,墙体深入弱风化基岩0.5~1.0 m。由于上部17~39 m为均质土坝,若将混凝土墙体浇至55 m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 m,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。
4、工程特点与难点
4. 1 地质条件
由于大坝底部存在2 ~9 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。
4. 2 工程难度
混凝土防渗墙施工平台布置在大坝上游55 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。
4. 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。
4. 4 施工平台稳定性
防渗轴线位于上游55 m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3~4m,轴线上游回填5~6 m。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台稳定条件。
5、主坝防渗墙施工
针对该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。
5. 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。
实际施工证实,在汛期水位54.5 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。
5. 2 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240~270 mm。以砂浆沉入度为指标进行控制,当坍落度在240~270 mm之间变化时,沉入度的变化范围为80~120 mm之间。成型试件静置48 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 m3材料用量) : 水泥43 kg (水泥含量3.0%) ,壤土717 kg,水450 kg,砂717 kg。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。
5. 3 混凝土防渗墙槽孔建造
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孔补充地质勘探揭示的地质情况,参考设计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20 cm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孔。
2)槽孔稳定分析
混凝土防渗墙轴线位于上游55 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、混凝土浇筑时槽孔稳定性尤为重要。在一定荷载和地下水位下,槽孔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、振动可能引起的槽孔的局部失稳,不影响整个槽孔的稳定,则孔壁稳定满足要求。 3)固壁泥浆与清孔换浆
本工程采用优质膨润土泥浆固壁,配合比为:水∶膨润土∶纯碱= 1000∶80∶3。清孔换浆以气举法为主,槽孔终孔验收合格以后, GB24抓斗和冲击钻直接捞取或采用抽筒直接抽取槽底大颗粒沉渣,然后采用3 m3空压机气举置换法清孔。膨润土泥浆固壁及气举法清孔满足行业规范及招标文件要求。
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決定采用“钻凿法”。上部特殊混凝土凝结以后(约72 h)开始钻凿接头孔,可以保证接头质量,孔口不容易坍塌。且由于下部混凝土墙体深度占整个墙体1 /3~1 /4,其他为低强混凝土墙,“钻凿法”施工接头工效较高。
5) 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。
6、墙体质量检查
6. 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,混凝土28天抗压试件共114 组,抗压强度最大值为6MPa,最小值3.6 MPa,平均值4.0 MPa,标准偏差0.28MPa,离差系数0.069; 混凝土抗渗试件共23组,渗透系数最大值4.26×10-7 cm/s,最小值5.9×10-8m/s,平均值2.88 ×10-7 m/s;混凝土弹性试件共4 组,弹性模量最大值1515 MPa,最小值652MPa,平均值962.9 MPa;砂浆混凝土抗渗试件114组,渗透系数最大值2.9 ×10-5 cm / s,最小值8.06×10-6 cm / s,平均值1.24 ×10-5 cm / s,符合设计要求。
6. 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28天以后,省质检中心站在桩号0 + 162.5、0 +805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15~50 cm的长柱状,连续且结合紧密。混凝土心样多呈5~25 cm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50 cm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。
7、结论
该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。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,应用前景十分广阔。
[关键词]:水库混凝土 防渗墙施工
中图分类号:Q178.51+3 文献标识码:Q 文章编号:1009-914X(2012)32- 0143 -02
1、工程实况
该水库总库容16.21亿m3 ,是一座以防洪、发电为主,兼有灌溉、围垦、水产养殖、灭螺等综合效益的大(Ⅰ)型水库。大坝高程28 m以下为均质土坝,以上为粘土心墙代料组合坝。心墙高程65 m,坝顶高程65.5m,最大坝高46.8 m,坝长941 m,坝顶宽6.5 m。该水库始建于1996年,属“三边”工程,由于大坝清基不彻底,基面上普遍存在2~9 m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。2005年12月,由我公司中标并开始对水库主坝除险加固混凝土防渗墙施工, 2007年6月,主坝加固施工完畢,从根本上解决了坝体渗漏问题。共完成防渗墙面积29023.88 m2 ,混凝土浇筑6079.92 m3 ,特殊混凝土浇筑16892.85 m3。
2、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2×10-6 ~7×10-6 cm / s,均质土坝壤土层渗透系数6×10-5 ~3 ×10-6 cm/s,主要渗漏通道为坝下2~9m的细砂、砂卵石地层,勘探钻孔多不返水。
3、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55 m高程马道上,墙体深入弱风化基岩0.5~1.0 m。由于上部17~39 m为均质土坝,若将混凝土墙体浇至55 m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 m,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。
4、工程特点与难点
4. 1 地质条件
由于大坝底部存在2 ~9 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。
4. 2 工程难度
混凝土防渗墙施工平台布置在大坝上游55 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。
4. 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。
4. 4 施工平台稳定性
防渗轴线位于上游55 m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3~4m,轴线上游回填5~6 m。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台稳定条件。
5、主坝防渗墙施工
针对该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。
5. 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。
实际施工证实,在汛期水位54.5 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。
5. 2 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240~270 mm。以砂浆沉入度为指标进行控制,当坍落度在240~270 mm之间变化时,沉入度的变化范围为80~120 mm之间。成型试件静置48 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 m3材料用量) : 水泥43 kg (水泥含量3.0%) ,壤土717 kg,水450 kg,砂717 kg。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。
5. 3 混凝土防渗墙槽孔建造
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孔补充地质勘探揭示的地质情况,参考设计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20 cm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孔。
2)槽孔稳定分析
混凝土防渗墙轴线位于上游55 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、混凝土浇筑时槽孔稳定性尤为重要。在一定荷载和地下水位下,槽孔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、振动可能引起的槽孔的局部失稳,不影响整个槽孔的稳定,则孔壁稳定满足要求。 3)固壁泥浆与清孔换浆
本工程采用优质膨润土泥浆固壁,配合比为:水∶膨润土∶纯碱= 1000∶80∶3。清孔换浆以气举法为主,槽孔终孔验收合格以后, GB24抓斗和冲击钻直接捞取或采用抽筒直接抽取槽底大颗粒沉渣,然后采用3 m3空压机气举置换法清孔。膨润土泥浆固壁及气举法清孔满足行业规范及招标文件要求。
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決定采用“钻凿法”。上部特殊混凝土凝结以后(约72 h)开始钻凿接头孔,可以保证接头质量,孔口不容易坍塌。且由于下部混凝土墙体深度占整个墙体1 /3~1 /4,其他为低强混凝土墙,“钻凿法”施工接头工效较高。
5) 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。
6、墙体质量检查
6. 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,混凝土28天抗压试件共114 组,抗压强度最大值为6MPa,最小值3.6 MPa,平均值4.0 MPa,标准偏差0.28MPa,离差系数0.069; 混凝土抗渗试件共23组,渗透系数最大值4.26×10-7 cm/s,最小值5.9×10-8m/s,平均值2.88 ×10-7 m/s;混凝土弹性试件共4 组,弹性模量最大值1515 MPa,最小值652MPa,平均值962.9 MPa;砂浆混凝土抗渗试件114组,渗透系数最大值2.9 ×10-5 cm / s,最小值8.06×10-6 cm / s,平均值1.24 ×10-5 cm / s,符合设计要求。
6. 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28天以后,省质检中心站在桩号0 + 162.5、0 +805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15~50 cm的长柱状,连续且结合紧密。混凝土心样多呈5~25 cm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50 cm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。
7、结论
该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。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,应用前景十分广阔。