土石坝基础处理设计与施工技术

PAGE土石坝基础处理设计与施工技术分析1、工程慨述近几年兴建的公明供水调蓄工程，位于xx市xx新区楼村境内，工程总投资约10亿元，总库容1.5亿立方米，水库平面布置呈椭圆形，东半椭圆“天然坝”系利用东莞黄江几座大屏障山延绵而成；西半椭圆是由深圳市近几年正在施工的六座大坝连成，六座大坝总长4337米，大坝总开挖量约300万方，总填方量约1550万方。4号粘土心墙土石坝为本工程的主坝，最大坝高51米，最大宽坝底宽280米，填筑量约500万方。2号分区坝为本工程最长的坝段，全长1170米。大坝基础处理采用了帷幕灌浆、砼防渗墙、截水槽等。下面就其有代表性的2号坝帷幕灌浆及截水槽、4号坝砼防渗墙的设计与施工进行技术分析。2.设计条件2.1.坝型的选择经过这几年的工程实施，4号坝型选择的合理性在于：一是坝轴线筛选在两个荔枝山“单薄分水岭”之间，且距原横江水库下游100多米，增加了蓄水资源；二是库区内有数千万方天然土石资源可被利用，以便布置均质坝、分区坝、心墙土石坝，有利于环保，三是经国内知名专家论证，选碾压土石坝，易于加快工程进度和保证安全质量，且与堆石面板坝和砼重力坝相比，就地取材，工艺简短，减少政府投资等。2.2地质条件地形地貌：坝址地形呈“W”形，连接左、右坝肩的孤丘荔枝山，高程在70-77米；中间丘顶高程在63.7米。地层岩性：从上至下为，冲积层（可塑态）厚在1.5-3.0米，残坡积土分布于地表、厚在0.7-6.7米，全风化土在10.5-3.27米，强风化岩厚在5-13.2米，弱风化岩厚大于18.5米、且一般裂隙发育。地质构造：通过物探揭示坝址区有小断裂构造，靠近横江水库下分布于北冲沟附近。水文地质条件：坝址中部低丘厚5米，属于中等透水层（4.5E-04CM/S），全风化带渗透系数多在2.2E-06~6.1E-05CM/S、为弱透水层，强风化带渗透系数多在3.7E-06~2.7E-06CM/S、为弱透水层。2.3坝体材料组成和坝址用不同的材料施工的大坝，在防渗处理方法是不同的，均质粘土坝，靠坝体自身挡水防渗，基础采用帷幕灌浆就可以，如，本工程的3、6号坝；砼心墙土石坝，基础采用砼防渗墙，坝体可以采用强风化料或代料，本工程的4号坝。前述了2、4号坝“W”地形和基础存在着不同渗漏的条件下，一般为中等和弱-微透水层，总体防渗性能较好，只做局部地基防渗处理，宜选择帷幕灌浆、防渗墙、截水槽。2.4使用功能需要公明供水调蓄工程主要是靠鹅经水库连通隧洞供水和库区域面内雨洪利用蓄水，调节石岩水库至光明新区、宝安区的城市工业及生活等用水，但水库区域集雨面积只要6平方公里，仅靠老河道汇流量较少，拟最大限度发挥该水库的供水调蓄功能，在初步设计方案选择坝址时，就强调选择坝基处理防渗方案时，做到安全可靠。3.基础处理方案合理2号坝为分区坝，4号坝为心墙土石坝，从全、强风化到弱风化岩深至少有26米，且坝址区有小断裂构造，设计文件要求该部位做防渗墙，其它部分做帷幕灌浆。防渗墙施工分为三期，除心墙底下外，底上分为二期施工，且嵌入高塑性粘土心墙内。据以往工程经验和设计方案的比较，它的合理性在于：一是选择粘土心墙，虽然工程量比砼心墙（或沥青砼）大，但粘土心墙的投资可比砼心墙（或沥青砼）减少30％，用粘土做心墙就地取材，二是选帷幕灌浆和防渗墙是基础防渗通常做法，灌浆一般在强-弱风化层上设计为单排；防渗墙一般设计布置在全风化层上，三是在大坝清基范围，清基厚在3-5米残坡土和冲洪粘土，用粘土回填碾压是经济的。4.防渗墙设计与施工技术分析4.1工程设计四号大坝防渗墙，墙厚0.6米、砼C20、抗渗标号W8，且嵌入弱风化岩0.5米以上；防渗墙分为三期施工：一期防渗墙在心墙底下、造槽建墙；二期防渗墙，凿去一期墙顶部砼0.5米后，安铜止水片，立模浇砼；三期防渗墙，伸入粘土心墙部分，在二期防渗墙顶部立模现浇。4.2工程施工四号坝长1121米，按8米一段。施工之前，全坝段打试验孔（先导孔），取岩芯判断岩性和通过压水试验判断其渗透性大小，然后，施工单位将其试验资料经监理工程师审核，报现场设代出设计通知，结果，实际防渗墙底线比设计的底线深在7-10米。防渗墙施工方法采用“三冲两抓”和先施工导墙（Ⅰ序）后施工墙段（Ⅱ序）。一期主要施工程序：测量放线（含施工准备）→钢筋砼平台施工→机械设备就位→冲孔造槽（含泥浆护壁）→抓土成槽（含泥浆护壁）→隐蔽验收→下放灌浆套管（必要时）→安放接头管→浇水下砼。二期防渗墙主要施工程序：挖槽→人工凿除墙顶砼→安装止水片→钢筋制安→钢管架安装→立模→校正加固→隐蔽验收→浇砼。4.3主要问题及技术分析防渗墙施工，工艺要求较高、施工机械设备程度化较高，工程质量和进度易受季节性影响，特别是在雨季影响更大，况且，施工环境临靠水库且水位较高，地形起伏较大，二期防渗墙施工部分面临深基坑作业。4.3.1实际防渗墙底线比设计的底线深，出入较大，通过分析，在前期地质勘察时，布置钻孔在70~100米，可见，钻孔布置稍稀，如此以来，设计变更的工程量较大。4.3.2因砼的强度与水泥用量、水灰比等有关，防渗墙施工靠近横江水库较近且多在汛期施工，水下砼施工在此条件下，泥浆比重变化较快，而砼设计C20、抗渗标号W8，可见，设计的砼标号、抗渗性与实际情况显得不很合理，最后，建议将砼标号由C20提高到C30，抗渗标号不变。4.3.3按照设计要求，防渗墙二、三期施工时，多一期施工，人为多一道施工缝，防渗效果不易保证，开挖成槽后，形成深基坑高边坡存在着较多的安全隐患，如此以来，不但要大量的降排水，还要进行边坡安全加固，工期要延长，费用要增加，为此，施工时，建议现场设计代表将二、三期防渗墙施工合为了一期施工。5.帷幕灌浆设计与施工技术分析5.1工程设计在坝基的断层、漏水段和中等透水层范围内进行帷幕灌浆，其中2号坝工程量近2万米，占本工程项目的55％。帷幕灌浆按截水槽中心线布置（偏坝轴线上游15米），单排间距2.0米，漏水段双排、排距1.5米，灌浆帷幕底线穿过强风化砂砾层至透水率3LU线5米以上，且要求灌浆后透水率小于3LU。同时设计院还要求：在正式灌浆之前，必须做灌浆试验，以确定各灌浆参数，灌浆Ⅰ序孔作为先导孔，进行注水试验，灌浆有关参数最终通过灌浆试验确定，进行设计变更。5.2工程施工施工之前，先灌浆试验（先导孔，即选在Ⅰ序孔上），通过取岩芯判断岩性和压水试验判断其渗透性大小，施工单位将其试验资料报监理工程师审签后，报现场设代出设计变更通知，实际上大部分帷幕底线加深在10米以上，增加灌浆工程量在22％。灌浆方法采用自上而下分段灌浆，主要施工程序：测量放线（含施工准备）→机械设备就位→钻孔→压水→检查验收→下套管→拌制浆液→注浆。5.3主要问题及技术分析5.3.1以往工程经验证明，在施工阶段，灌浆参数一般不应完全由先导孔来确定灌浆参数（底线、顶线）。按相关施工技术规范的条文说明：先导孔虽具有补充勘探的性质，但由于施工阶段受工期、预算等条件制约，也应注意不能把勘探阶段的任务任意转移到先导孔来完成。可见，这些工作多数应在地质勘察或出施工图之前完成，通过灌浆试验确定参数不是灌浆的必要条件，要么，按照现场的灌浆试验确定的灌浆参数完全作为设计变更依据或就依实际的灌浆控制质量为准。5.3.2是在前期阶段地质勘察时，还是在施工阶段完全按灌浆试验确定其参数，各方看法不异。部分设计人认为，施工之前，通过灌浆试验确定灌浆参数作为必要条件，是合理可行的，而图纸上灌浆底线是据地勘资料确定的。我们经过地勘资料分析，认为本身钻孔布置稍稀，显然，图纸上确定的灌浆底线是不很实际的，以致于在招投标时，工程量清单的工程量与现在变更的工程量出入较大，为此，政府投资走备案程序和延长施工期，前后多花费2个多月。可见，如在地勘阶段，钻探孔布置比较合理（在Ⅰ序孔上），或在设计阶段，为了取得较准确的灌浆参数，对灌浆钻孔提出具体要求，即可节省政府投资，又按时完成灌浆任务。5.3.3按照相关施工规范和设计图纸要求，每个灌浆单元的质量检查，按10％抽取检查孔，进行压水试验检查，单点法压力值按1.5H（H为坝前水头）取定，因每个孔深度不同而计算出该孔的压力值不同，不便于质量检查时的可操作性，经过与设计院多次探讨，将检查孔的压力值由1.5H统一为0.5、1.0、1.5mpa，且其质量得到几方认可。6.截水槽设计与施工技术分析6.1工程设计2号坝全坝段残坡积土明挖后，在灌浆顶上，回填粘土形成梯形截水槽，且延伸至左、右岸坝肩。特别是在施工左岸坝肩截水槽时，设计要求底宽8米、坡比1：1.5，开挖深度在约10-15米。6.2工程施工一般截水槽施工方法：先底处后高出；先施工未帷幕灌浆地段，后施工已帷幕灌浆地段，但该截水槽开挖属深基坑开挖，施工前按规定先报批专项施工方案，施工过程中，台价开挖且进行安全围、支护，开挖的前提条件是帷幕灌浆质量合格。主要施工程序：测量放线（含施工准备）→挖运→削坡→检查验收→运、铺、压粘土→质量检测。6.3主要问题及技术分析6.3.1从设计方面考虑，挖出全坝段残坡积土后回填粘土形成梯形截水槽；从地勘报告上看，该残坡积土为弱透水层。在截水槽施工时，我们根据不同地质情况，研究分析，区别对待。土工实验证明，部分截水槽范围属于粘土且弱透水层，经与现场设代协商，尽量减少截水槽开挖，在截水槽原状土地基加大了压时功能。6.3.2二号坝左岸坝肩的截水槽，按照设计要求挖深约15米。据该段地勘资料反映，粘土厚2-6米；中粗砂厚2-3米；砂卵石2-4米。为施工这种条件下的截水槽，深基坑开挖，要分2-3次台价挖运，仅土方挖填工程量约8万方，费用需要100多万元，如施工顺利的话，也需一个多月时间。该段截水槽的探槽表明其砂层较薄，经与设计、地质、监理人员等分析研究，此处用截水槽处理不宜。从开挖“弃土”来看，为红黄色的粘土，这些“弃土”经过检测合格，施工单位用土回填，结果，设计变更通知变更为高压旋喷桩方案。5.实施效果5.1四号坝防渗墙，开始设计分为三期施工，施工时，据以往工程经验，经几方商定改为二期施工，即心墙底以下为一期；心墙底以上为二期，即地上减少了一次砼心墙施工，它的优点在于：一是节约了有关工程资源，二是减少一道施工缝，即减少了基础渗漏隐患，三是加快了工程进度，四是避免了大坝填筑工序的交叉干扰。5.2二号坝左岸坝肩，开始设计为粘土截水槽，施工时，根据实际情况，经高压旋喷桩、防渗墙、帷幕灌浆等方案比选与优化，结果改为高压旋喷桩，它的优点在于：一是减少了深基坑开挖，减少了一次挖填工程量，节约政府投资70多万元，二是施工进度提前了半个月。6.后语6.1对水工基础防渗处理，一般风险不很大，施工易操作，宜采用换填方法（如：截水槽）即简单又节约投资；坝基防渗墙的地上部分，即砼心墙最好一次施工，理论上想几次施工，虽可行，但实际上，可能难以避免的遇到较多不利条件；截水槽挖填，属深基坑施工所面临高边坡安全问题，坝基防渗墙施工虽没有高边坡安全问题，但在汛期施工且靠近水库，地下水位较高，多一期施工，风险就会大些。因此，工程技术人员应先详细了解地质情况和实际情况