薄型抓斗防渗墙.doc

薄型抓斗防渗墙在百丈岗水库溢洪道地基防渗加固中的应用吴劭辉1，夏梦河2，黄奇林3（1,2,余姚市水利局，浙江余姚 315400；3.余姚市梁弄镇水利管理站，浙江余姚 315430）摘要本文结合工程的实践，介绍了薄型混凝土防渗墙在百丈岗水库溢洪道地基防渗加固处理中的应用，主要内容包括造孔、泥浆、墙体材料及其泥浆下混凝土浇筑、墙段连接、施工质量等。关键词地基；防渗处理；混凝土防渗墙；薄型抓斗1、前言防渗墙厚度主要由防渗要求、抗渗耐久性、墙体应力和变形以及施工设备等因素确定，其中最重要的是抗渗耐久性和结构强度两个因素。低水头条件下防渗墙厚度若采用高、中水头条件下的厚度，在技术上是没有必要的，在经济上是不合理的。特别是在目前，防渗墙施工技术和混凝土制备技术都有了长足的发展，先进、高效机械装备的广泛应用，特别是薄型、超薄型成槽机的应运而生，更使薄型防渗墙技术对于低水头防渗处理效果好、成本低、经济、实用，具有广阔的发展应用前景。抓斗法是建造防渗墙的一种先进工艺，国外早在70年代初就开始应用了。1980年国内开始引进，并用于葛洲坝水利枢纽大江围堰防渗墙的施工，目前已广泛应用。余姚百丈岗水库溢洪道地基防渗处理中采用了薄型抓斗成槽施工工艺，防渗墙厚度为30cm，这在我省水库除险加固工程中尚属首次应用。这种方法是用先进的抓斗主机配薄型抓斗开挖槽孔。在百丈岗水库溢洪道地基防渗加固中，我们体会到其优点是对地层的适应性强，可在卵石及硬岩中成槽，遭到块石、漂卵石时可以辅以重锤冲击破碎。由于抓斗不需要对土渣进行充分破碎，所以在一般情况下工效较高。目前国内外生产的各种抓斗挖掘宽度为30150cm，最大深度可达130m，墙体连续性好（采用接头管法），很适宜在低水头条件下地基防渗处理中的应用。2、防渗处理工程概况及处理方案2.1 水库工程概况百丈岗水库位于余姚市梁弄镇境内，主流为姚江上游。坝址以上集水面积16.64km2，总库容204.7万m3，正常水位64.60m（1985国家高程基准，下同），相应库容为133.2万m3，坝高为14.96m，坝顶高程为69.0m。水库设计标准为50年一遭，校核标准为100年一遭，设计洪水位为66.65m，校核洪水位为67.51m。该水库是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、养鱼等综合利用的小型水库。灌溉面积0.25万亩，直接保护下游梁弄镇以及浒溪公路等重要基础设施，保护人口1.5万人。水库始建于1958年10月，1960年9月大坝工程建成。 水库枢纽工程由拦河坝、溢洪道、输水隧洞及电站等组成。溢洪道位于右坝头，进口底高程为61.6m，由两部份组成：左部份设置泄洪闸，泄洪闸4孔，每孔净宽5.0m；右部份是开敞式溢流堰，进口宽度为28.5m。溢洪道坐落在强透水的砂砾石上，因溢洪道基础无防渗设施，经过多年的运行，渗漏水严重，影响水库的安全运行和效益的正常发挥，需进行溢洪道基础的防渗处理。2.2 溢洪道地基的工程地质条件根据宁波市水利水电规划设计研究院提供的地质勘察报告，拟建防渗墙处的地质条件：地基填筑土（rQ）主要为壤土，局部夹少量的砂壤土，砂含量较高，可达4050%，灰黄色为主，含灰白色砾石，软塑状态为主，层厚2.18.7m。该层由于长期位于库水位以下，受水浸泡，土体饱和、松软，透水性好。做注水试验时07.15m水泵以最大泵量（110L/min）注水仍无法将水注满，水从钻孔周围的壤土中冒出，为强-极强透水。孔深7.15m以下为中等透水。其下卧即为含泥砂砾石层和风化基岩。溢洪道地基处填筑壤土层土主要物理力学指标：粘粒含量约占14.122.69%；W=23.926.8% , =18.819.7 kN/m3 ，Es=5.157.82MPa , e=0.6810.796，av=0.220.33，Kv=1.7110-75.2810-5cm/s，Kh=6.2510-65.7510-5cm/s；快剪： Cq=6.035.0kPa 、q=6.213.4； 固快：Ccq=12.025.0 kPa 、cq=16.724.4。下卧含泥砂砾石层注水试验成果为：K=1.2910-41.9510-3cm/s，为中等透水层。下伏基岩为燕山晚期侵入岩（o53a）石英闪长岩，全风化基岩的现场注水试验成果得K=1.8910-44.1910-4cm/s，属中等透水层;下部弱微风化岩石注水试验成果：q=2.944.30lu，属弱-中等透水层。由于，在溢洪道地基处填筑土土体松软，性质差，为强透水层。其下卧的含泥砂砾（卵）石层和全风化基岩也均为中等透水层，因此，溢洪道修建以后长期存在渗漏问题，不仅浪费了宝贵的水资源，而且也直接威胁着水库的安全。大坝安全鉴定结论意见要进行地基防渗加固处理。2.3 处理方案对溢洪道基础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，最后选用了垂直防渗这个大方案，根据这个大方案，又对高压喷射灌浆、帷幕灌浆和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帷幕灌浆相比，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。由于该工程的运行水头属于低水头，经分析计算比较，确定采用厚度为30cm的薄型混凝土防渗墙。混凝土设计指标为：抗压强度R285.0MPa，抗拉强度R280.5MPa，弹性模量Ec12500MPa，抗渗标号为W4。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确定。该工程设计墙体深入弱风化基岩深度为1.0m。3、薄型抓斗混凝土防渗墙施工墙技术抓斗建造地下连续墙在国外开始于五、六十年代，但在国内普遍应用还是近几年的事，利用抓斗建造薄防渗墙则是从大亚湾核电站防渗墙开始。抓斗成墙法可广泛适用于填土层、砂层、砾石层等，如果在施工中辅以重锤，基本可以满足嵌入基岩（强风化）1.0m的要求。相比其它成墙设备，抓斗在含有小块石、砾石、砂等土层中更能快速成槽，且设备投入少、泥浆损耗少、成槽质量高等许多优点。3.1、施工准备本工程防渗墙施工平台布置于溢洪道进口之前，高程为61.0m，宽度不小于10.0m，采用填方的方法形成，即挖除原库区旁淤积的砂卵石填于溢洪道进口前，然后用推土机推平并碾压密实。本工程采用矩形断面少筋混凝土施工导墙，导墙混凝土强度等级为C10，断面尺寸：宽高=0.3m0.5m，其下各放置2根10mm的钢筋，两导墙间距0.4m。由于本工程墙深较小，孔口处地层较稳定，且抓斗施工的振动力较小，故可以采用高度较小的导墙。3.2、造孔抓斗设备由主机和斗体组成（见示意图1），抓斗是以斗齿、斗刃切削土层，将土渣收容在斗体内，从槽孔内提出，开斗弃掉，反复挖掘，完成造孔作业。抓斗的挖掘动作有斗齿铲挖和斗刃切削，但这两种动作都是先把斗齿和斗刃切入地基之后开始挖土，切入地基土时所需的压力由斗体的自重产生。根据操作方式不同，抓斗分为钢绳抓斗、液压导板抓斗和液压导杆抓斗，抓斗的起吊设备都是覆带式起重机。本工程中使用的是液压导板抓斗（见图2）。采用“薄型抓斗成槽法”施工时，将防渗墙划分为、期槽段，分两期挖槽、浇筑混凝土，采用跳孔法进行施工，即先进行期槽孔的造孔和混凝土浇筑，然后进行期槽孔的造孔和混凝土浇筑。本工程的防渗墙厚度为30cm，而成墙的最大深度近15m，施工采用了薄型抓斗成槽工艺，见图3。混凝土拌和站修筑施工平台膨润土制浆站修筑施工平台浇筑导向槽口板安装制输浆设备槽段划分、放样制备泥浆原材料准备抓斗造孔施工泥浆储存及输送泥浆处理终孔验收弃废浆原材料质量检 验混凝土拌制清孔验收下设混凝土浇筑导管及安装浇筑系统泥浆净化泥浆回收废弃防渗墙混凝土浇筑排渣防渗墙质量检查运走拔接头管图3 薄型墙施工工艺流程图槽孔长度关系到混凝土墙接头的多少和对土体稳定的影响。根据地质条件、挖槽机械性能（主要是抓斗张开斗宽），结合混凝土的供应强度，以及土体的施工安全等因素，本工程采用三抓成槽，、期槽段长度都为6.5m（见槽段划分示意图图4），但在施工过程中，根据工程实际地质情况进行了调整。接头管 接头管 一期槽孔二期槽孔 6.5m 6.5m图4 槽段划分示意图根据墙厚要求和地质条件，本工程采用WY300型液压抓斗与凿岩重锤配合进行造孔施工，覆盖层和较软的基岩用抓斗直接抓取，较硬的基岩用重锤凿碎后再用抓斗抓取。本工程采用“三抓法”成槽，即先抓两端主孔，后抓中间副孔，至终孔成槽。抓斗抓挖作业时，采用膨润土泥浆护壁。抓斗抓挖的弃料直接装入自卸汽车运至监理工程师指定弃渣场。实践证明，在中粗砂、碎石层中，使用液压抓斗直接挖槽造孔的效率很高，是其它设备不能比拟的。基岩中成槽的方法是：先使用凿岩重锤冲击破碎，然后用抓斗把破碎的岩块抓出，再进行下一次的冲击破碎，循环次数直至达到设计孔深。重锤提升高度控制在530次不等。对不同岩层须采用不同的冲击方法：硬度较大的岩石，须采用3t重的全齿重锤冲击，每点须冲击2030次；硬度较小且有层状结构的岩石，较易破碎，可采用2t重的边齿重锤冲击，每点须冲击510次。抓斗配套主机采用KH125履带起重机，最大挖掘深度可达40m。WY300型液压抓斗挖掘机，抓斗斗重6.8t，斗容0.32m3，斗厚300mm，开斗高度6000mm，开斗宽度2500mm，闭斗高度6800mm，闭斗力19t。凿岩重锤有两种：硬岩重锤，厚度为400mm，长度为1200mm，高度为3200mm，重3t；软岩重锤，厚度为400mm，长度为600mm，高度为2000mm，重2t。重锤材料为铸钢，与重锤配套的主机为16t履带式起重机。3.3 泥浆泥浆性能本工程采用优质膨润土泥浆固壁，新制泥浆的性能指标见表1。表1 新制膨润土泥浆性能指标项目浓度（%）密度（g/cm3）漏斗粘度（s）塑性粘度（cp）静切力（N/ m2）PH值性能指标4.51.13090201.4109.512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，通过试验确定的泥浆配合比见表2。表2 泥浆配合比表（kg）材料水膨润土Na2CO3CMC用量1008900.3500.05在溢洪道中部靠近导墙处建造一座固定式泥浆搅拌站集中制浆，制浆站设置2台ZJ400型高速搅拌机和容积为7.0m4.0m1.2m的储浆池；储浆池内的泥浆通过3台2PN、2台3PN泥浆泵送至施工槽内。浇筑混凝土时，用插入式泥浆泵回收孔内泥浆。3.4 墙体材料及其施工本工程防渗墙的墙体材料采用掺入膨润土的普通混凝土。搭设的临时搅拌站安装1台JS500型混凝土拌和机，装载机上料。水泥选用宁波舜江牌P.O32.5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；粘土选用浙江临安江南膨润土化工有限公司生产的2级钠基膨润土200目筛余小于4%；水取自水库；外加剂为木钙减水剂。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）材料名称水泥粘土水砂石外加剂材料用量219731908449140.876本工程各槽孔的混凝土浇筑全部在泥浆下进行，采用直升导管法浇筑混凝土，浇筑过程和浇筑高程全部符合设计和规范要求。其中，浇筑导管间距最大为最小为；混凝土面上升速度最大为4.09m/h，最小为2.91m/h，平均为3.57m/h；导管埋深最大为5.95m，最小为2.5m；混凝土面高差均小于0.5m。浇筑过程中对混凝土凝土进行孔口取样，最终试验结果统计分析如下： 拌合物流动性：坍落度1821cm，扩散度3439cm。 抗压强度：共取抗压强度试块12组，其中最小值为4.1Mpa，最大值为7.1Mpa，平均值为4.85Mpa，合格率为100%。 抗渗标号：共取抗渗试块12组，抗渗标号均达到W4。 弹性模量：共取弹性模量试块6组，其中最小值为6085Mpa，最大值为9207Mpa，平均值为7410Mpa。试验结果表明，本工程混凝土性能指标符合设计要求。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。即在一期槽孔浇筑前，于槽两端下设300mm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。“接头管法”是目前防渗墙施工接头处理的先进技术，尤其适用于工期紧、墙体材料强度高的工程。“接头管法”施工有一定的技术难度，但有着其它接头连接技术无可比拟的优势：首先由于接头管的下设，节约了套打接头混凝土的时间，提高了工效，同时也节约了墙体材料，降低了费用；同时“接头管法”连接接头的形状有利于延长渗径，保证了墙体抗渗要求；再者，这种接头连接由于具有最大的镶嵌强度，增加了摩阻力，更好地传递单元墙段之间的应力，使墙体的上下和左右受力条件好，形成了墙体可靠连接。3.6 质量检查本工程共划分为12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。本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，刷洗质量符合规范要求。本本工程于2004年11月3日开工，于2004年12月1日全部完成，防渗渗轴线长度为73.85m，成墙面积817.28m2。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，在1#槽段和10#槽段分别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 薄型混凝土防渗墙对地层变化的适应能力强