坝基防渗与加固施工方案

坝基防渗与加固施工方案朝阳水库位于资阳市安岳县。于1976年建成。沱河流域蒙溪河上游涪、沱分水岭水系一侧。控制集雨面积36.23Km2,总库容2565万m3,正常库容1780万m2。主要功能以灌溉、防洪为主，兼供水、养鱼等综合利用。大坝为浆砌条石坝，坝总长173.00m、宽28m。坝体的剖面形状及尺寸，如附图一所示。坝区所处地形为深丘山区，水系发育较深。河谷高程410m，山顶高程456.4m，相对高差40m。(1)坝基工程地质条件紫色泥岩、砂质泥岩夹白色砂砾。有密集石膏条带，高程385-398m。由于石膏类矿物，遇水易溶蚀被水带走，形成空隙。(2)坝肩工程地质条件坝肩基岩主要为长石石英砂岩，下覆泥岩及泥质砂岩，裂隙尤为发育，风化剧烈。(3)放空洞工程地质条件自上而下依次为坡积层、紫红色泥岩及砂质泥岩、紫红色细砂岩。未见大的构造断裂。出口与消能段有裂隙发育。(4)坝区无大的不良地质构造，地震基本烈度为Ⅵ度。1.3病险情况(1)坝基、坝肩漏水大坝左、右两岸均出现集中绕坝渗流现象，最大达20mm一般水流渗出基岩，坝基亦有渗水现象。(2)出现裂缝、裂纹，表面条石风化严重拱坝两端拱脚处出现竖向裂缝二条，在接近两坝端又有三条垂直裂缝，共计五条，裂缝出现在二分之一坝高处，这些裂缝有80-290ml/h的渗水量。检查发现在97.60-100.20m高程间（即正常水位—校核洪水位拱坝上、下游均出现了裂纹147条，这些裂纹沿灰缝开裂或贯穿单块条石。(1)坝基普遍分布的石膏条带，是坝基渗漏的主要通道，也是坝基存在的主要软弱夹层。(2)坝肩岩层破碎，裂隙发育，是坝肩渗漏的主要原因，也是坝肩稳定的隐患。（1）消除坝基与坝间的渗漏。（2）解决条石的裂缝问题，消除坝体渗漏。根据工程实际情况初步拟定以下三种处理方案。它们分别是：（1）采用混凝土防渗墙进行防渗加固处理；（2）采用复合土工膜进行防渗加固处理；（3）采用防水帷幕局部使用混凝土防渗墙进行防渗加固处理。利用一定的设备和机具，在地下挖一段狭长的深槽，清除槽内的沉渣后，浇筑混凝土，筑成一段混凝土墙，再把每一墙段联接起来，形成一道连续的地下墙体，它主要具有以下优（1）结构刚度大：地下混凝土防渗墙一般在40-120cm，结构刚度大，能承受较大的压力，同时变形比较小。（2）防渗性能好：在混凝土中加入防水剂，可以形成具有很好防渗性能的地下混凝土防渗墙。（3）适用于各种地层：地下混凝土防渗墙对地层土的适用范围很广，从松软的冲积层到中硬的土层，密实的砂砾层，软岩层到硬岩层等所有的地层均可施工。（4）施工环境好：地下混凝土防渗墙施工时振动小，噪音小，现场污染小。同时它有具有如下缺点：（1）地质条件和施工适应性问题：在复杂的地质条件下，即使先进行地质勘察，也很难准确的预测所有的复杂情况，因此要选择合适的施工方法和挖槽机械，必须具有较高的技术水平和丰富的施工经验，并能在发生问题时采取相应的措施。（2）槽壁坍塌问题：在施工过程中需要根据地质条件，选用合适的护壁泥浆，以保证孔壁的稳定，但是由于地质条件的变化，有时会产生漏失或地下水涌入槽内，致使槽壁坍塌。（3）弃土及废泥浆的处理问题：用泥浆护壁挖槽时，必须在注意防止泥浆对地基和地下水的污染问题。因此，对于浇筑混凝土而排出的泥浆必须进行适当的处理。（4）经济效益问题：在施工过程中使用了大量的泥浆，同时浇筑了大量的混凝土，工程造价比较高。土工膜是具有高防水性能的土工合成材料，它用于防渗工程已有50多年的历史，但是应用于坝基防渗还是近10余年的事，初期人们对土工合成材料的使用寿命存在较多的顾虑，这个问题对于土工膜的研究人员，生产厂家和设计人员，即使是专家来说，也难以做出准确的回答。国外检测结果发现，聚乙烯薄膜用于防渗结构埋设于地下，运行10余年后性能仍然稳定；前苏联150多座土坝使用聚合物土工膜防渗，20余年效果仍然很好。复合土工膜防渗施工流程为：坝坡面平整及坝坡调整→基础部分开挖及清理→防滑齿槽的开挖→周边固埋沟开挖→铺设中细砂垫层并夯实→铺设复合土工膜，薄膜及无纺布联接→回填夯实齿槽→周边固埋沟回填→铺设混凝土预制块保护层→验收在坝上钻孔，当钻至预定深度后，停止钻进向上提钻具，同时钻头高压定向喷射水泥浆，水泥浆切割土体，形成一种形似帷幕的固结体，使相邻的固结体具有一定的重合部分，从而形成一道折线性的防渗板墙，即防渗帷幕。具体结构如下图所示：102.00073.500/68.500 砾质重砾质重填土粘土墙体连接形式图板从而达到防止渗流加固坝基的效果。由以上方案论述可知：方案一：施工工期比较长，同时需要投入较大的人力和物力，但加固效果较好。方案二：施工工期短，投资小，处理效果好，但是水库的正常蓄水水位在97.500，而裂缝出现在二分之一坝高处，即87.750处，采用土工膜时将会出现水下施工难度极大，且处理后质量不易保证。方案三：使用混凝土防渗墙集中处理大坝左右两岸出现的集中绕坝渗流现象，同时在坝身用高压喷射注浆形成的防渗帷幕，可以达到较好的防渗效果。经过以上分析，在综合考虑经济，技术，安全等因素的基础上，结合当地的工程经验和技术现状，以及本工程的实际工程地质情况，决定采用方案三。在97.60至100.20m高程间（即正常水位—校核洪水位拱坝的上游，下游均出现了裂纹147条，这些裂纹沿灰缝开裂或贯穿单块条石。所以这一部位是重点处理范围。由于工程条件及现有的施工设备能力，处理范围为全长173.00m，深度(高程68.500至102.000m)。在裂缝集中地带应加大注浆量。由于坝的形状是拱形的，所以注浆孔德布置也应按拱坝的轴线进行布置，采用二管法进行高压喷射注浆时，加固体的有效直径为：1.0±0.3m。考虑到以往工程经验，此处取有效加固体直径为0.7m，注浆孔的孔距取1.1m。（1）各种注浆材料的大致使用范围表3—1地层孔数类液类型k<10~5隙砂砾石层间-3lu>100型名称lu<5lu>5√√√√√√√√√√√√√√√√注：“√”表示适用，d10为地层颗粒的有效粒径（mmS为其比表面积（cm2K为地层的渗透系数（m/slu为压水试验得出的吕荣值。（2）注浆浆液的设计注浆工程中最常用的事普通硅酸盐水泥，在某些情况下也使用矿渣水泥，火山灰水泥等，但通常要求水灰比不大于1，注浆用水泥必须符合质量标准，不能使用受潮结块的水泥。水泥属颗粒性水硬性材料，最大粒径为0.085mm，配制水泥浆用水应符合拌制混凝土用水要求。水泥的水化硬化依赖于水、，注浆浆液作为流体更需要大量的水，一般浆液中的水分远大于水泥水化硬化所需水量，所以浆液固化过程中析水较多，硬化的时间也比较长。虽然泥浆液有不足之处，但其材料容易取得，成本较低，无毒性，施工工艺简单方便，常用于岩体裂隙注浆。纯水泥浆的基本性能：表3—23因纯水泥浆易沉淀析水，稳定性差，凝结时间较长，在地下水流较大的条件下注浆时，浆液受水的冲刷和稀释。为了改善水泥浆的性能，常在水泥浆中加入附加剂。本工程注浆要求水泥细度为通过80μm方孔筛的筛余量不易大于5%，制浆材料采用重量称量。现场制浆时，要求加料准确并注意加料顺序，即：先往搅拌机中放入规定量的用水，然后再加入水泥搅拌均匀后再加入附加剂。浆液的搅拌时间，当使用普通搅拌机时不少于3min;使用高速搅拌机时不少于3s。搅拌时间大于4h的浆液应废弃。任何季节注浆浆液的温度保持在5~40。C之间。（3）注浆浆液的基本要求：表3—33制备工艺流程为：先在搅拌机中加入一定量的水，再加入水泥，搅拌三分钟后，加入减水剂，再搅拌一分钟。由于定喷形成的固结体形状不规则，难以用准确的公式进行计算，所以可以通过现场试验确定浆液用量。水//////φ2~3(一个或///φ2~3(两个)φ2~3(一个或φφ42或φ45φ42φ50φ75φ75或φ90根据工程的实际地质情况，合理的选择施工参数，同时在施工过程中不短的调整各参数，以期达到最佳注浆效果。3.1.6机械设备的选用表3—5123456（1）检验内容①固结体的整体性和均匀性；②固结体的有效直径;③固结体的垂直度；④固结体的强度特性；⑤固结体的溶蚀和耐久性能；⑥喷射质量检验：a.施工前，主要通过现场喷射试验，了解设计采用的喷射参数，浆液配方和选用的外加材料是否合适，固结体能否达到设计要求。如某些指标达不到设计要求时，则需采取相应的措施，使喷射质量达到设计要求；b.施工后，对喷射质量的鉴定，一般在喷射施工过程中或施工告一段落时进行。检查数量应为施工总数的2%-5%，少于20个孔的工程，至少要检验两个点。检验对象应选择地质条件复杂的地区，及喷射有异常现象的固结体。凡检验不合格者，应在不合格的点位附近进行补喷或采取有效补救措施，然后再进行质量检验。高压喷射注浆处理的强度较低，28天的强度在1-10MPa之间，强度增长的速度较慢，检验时间应在喷射注浆后四周进行，以防止在固结强度不高时，应检验而受到破坏，影响检验的可靠性。(2)检验方法①开挖检验：待浆液凝结具有一定的强度后，即可开挖检查固结体垂直度和形状，质量；②钻孔检验：从固结体中钻取岩芯，并将岩芯做成标准试块进行室内物理力学性能试验，另外也可在现场进行钻孔，做压水和抽水两种试验，测定其抗渗能力；③标准贯入试验：在喷射固结体的中部可以进行标准贯入试验；④载荷试验：静载荷试验分垂直和水平静载荷试验。垂直载荷试验时，需在固结体的顶部0.5m的范围内，浇筑0.2-0.3m厚的钢筋混凝土；水平载荷试验时，在固结体的受力部位浇筑0.2-0.3m厚的混凝土；⑤围井试验：在板墙一侧增加喷孔，与板墙形成封闭围井，在井中进行压水和抽水两种试验，或观测井内外水位。由于绕坝渗流现象比较严重，所以在此部位决定使用混凝土防渗墙进行防渗加固，使坝体和岸边更好的连接，达到防渗加固增加坝体整体稳定性的作用。3.2.1混凝土防渗墙的设计参数表3处理深度m（1）平整场地：根据现场已有资料特别是地下水位资料，确定最低施工平台高程进行场地平整，形成完整的施工现场。（2）测量放线：根据设计图纸测放出防渗墙施工轴线。（3）修筑混凝土导向槽：按施工方案修筑混凝土导向槽(关于槽的结构有木制、钢木混合式混凝土等形式，可根据实际条件合理确定)。（4）划分施工槽段：根据混凝土浇筑强度，合理划分施工槽段，选取施工方法。常用施工方法为二期槽段分期施工法，接头处套接0.6倍墙宽。另外还有分槽段连续施工法，接头处套接一钻，形成连续墙。槽段长度均应根据墙体深度、厚度，地质水文情况，泥浆护壁能力，以及混凝土浇筑速度来确定。(5)进行槽段施工(1)根据划分的槽段长度，确定主孔钻孔数量、位置和副孔壁打长度(本方法一般不考虑采用孔内接碴斗)，按照先施工主孔、后劈打副孔的顺序施工。主孔采用十字圆形铸钢钻头依次施工主孔，然后用鼓形钻头将剩余土体劈打修平。形成槽孔后，用钻机上下拉动槽头刷清理槽壁至合乎规范要求。成槽必须做到：槽形规范、槽宽合格、槽底和槽壁没有探头石和小墙。对于砂砾石地层，优先利用当地粘土资源制作泥浆。泥浆可由粉碎的粘土加水搅拌后，放置在泥浆池中充分水化制成。也可边钻孔边填粘土造浆。在钻进过程中，钻碴通过立轴离心式泥浆泵不断送人孔底的循环泥浆带出槽口外，并及时从沉淀池中捞取堆存，根据碴样准确判断地层变化以指导施工。堆放的钻碴则可及时清运出场外，以保持施工现场通畅。按常规的施工方法，一般还应配置掏碴桶，在必要时掏抽槽底钻碴。使用钻机型号为C30，由钻头、机架、卷扬机三部分组成，钻头由5T慢速卷扬机牵引提升，钢丝绳自由悬挂，无动力下放，掘削的泥土混在泥浆中以正循环方式排出槽外。下钻应使吊索保持一定张力，引导钻头垂直成槽，下钻速度应取决于泥渣的排出能力及土质的软硬程度。(2)护壁泥浆制备工艺：采用自成泥浆护壁作业，只设沉淀池，泥浆池安泥浆泵一台排泥渣，泥浆池采用卧式双轴泥浆搅拌机，为满足使用要求，泥浆池的容积一般应为一个单元槽段挖掘量的1.5—2.0倍。泥浆应调至均匀，一般新配泥浆密度应控制在1.01—1.05t/m3，循环过程中泥浆控制在1.25—1.30t／m3之间，遇松散地层，泥浆密度可适当加大，浇筑混凝土时，槽内泥浆控制在1.15—1.25t／m3之间。在成槽过程中，要不断向槽内补充新泥浆，使其充满整个槽段。泥浆应保持高出地下水位0.5m以上，亦不应低于导墙顶面0.3m。在同一槽段钻进，遇到不同地质条件和土层，要注重调整泥浆的性能和配合比，以适应不同土质情况，防止塌方。(3)成槽验收：按设计要求的槽深施工完毕，申请验收。一般的检验指标为槽宽、槽深、垂直度。检验方法：除在水电工程施工组织设计中所提到的采用仪器测量方法外，比较简单、而又适合现场使用的检验方法就是采用探笼法。根据槽段长度、槽宽尺寸用合适直径的钢筋焊制成矩形笼体。检验时，利用钻机吊起探笼，下入槽内至槽底，应达到笼体上下自如不挂槽壁，且轴线偏差不超标，方可转入下一道工序施工。(4)清孔掏渣：清孔换浆，指的是在混凝土浇筑前，清除槽内浆液中悬浮的钻碴和槽底的沉碴。正规的方法是：利用新鲜合格浆液，逐步置换槽内带浮碴的浆液，在置换的同时即可清出浮碴。比较适合施工现场的换浆方式，则是直接利用泥浆泵来循环浆液，将槽内浮碴和槽底沉碴带出槽外清出，直至浆中已无明显粒状碎屑。换浆指标：密度1.15—1.25t／m3，粘度25S—30S，含砂率小于5—10％。比较适合现场控制的方法，一般是用比重计直接测量泥浆密度，既方便又简单，故较常使用。相对于防渗墙的混凝土施工来说，最主要的是保证混凝土施工阶段槽内浆液的质量参数不发生变化，以顺利完成槽段浇筑。(5)每槽段内下入二套导管，两导管间距不宜大于3.0m，每根导管距离槽头不宜大于1.5m。如果防渗墙设计中有钢筋笼，则应按规范加工做钢筋笼，现场拼装，下入设计要求的深度并加以固定。导管的选用，应与混凝土浇筑强度和混凝土面上升速度相匹配。导管分节长度：底节宜为2500—4000mm，中间节1000—2000mm，漏斗下配管长度宜为1000mm。另外，还应设置长度小于1000mm的调节管。制作的导管内径一致，内壁光滑圆顺。导管安装应竖直，接头连接不漏水。每根导管均应置于槽宽的1／2处，下端高出槽底0.4m。漏斗容量须满足开浇混凝土封底并达到埋管1.0m以上的要求。漏斗容量不能满足开浇量要求时，必须增设储料斗。按以往的惯例，导管中应设隔水球，但是近年来的施工经验，在不加隔水球的条件下，更能保证混凝土开浇顺利。因此，本方法建议：一般可不考虑设置隔水球，而采用漏斗底部加装活板的方法。此法在实践中多次运用，从未出现过开浇不能顺利下料的情况。（6）浇筑混凝土①混凝土配合比常规混凝土防渗墙混凝土配合比均以塑性混凝土为主，此配合比适用于地下防渗墙自流成型施工柔性材料，它具有极低的弹性模量、抗拉强度高、防水抗渗性能好等特点，能适应较大变形。由于它的这些特性使得塑性混凝土防渗墙在荷载作用下墙内应力值很低，克服了刚性混凝土防渗墙易产生裂缝的缺点。由于低透水性的粘土和膨润土的加入，使混凝土具有大的流动、粘聚性(坍落度18—20cm，扩散度34—38cm)，并使得塑性混凝土的渗透系数接近甚至小于刚性的渗透系数，且有适当的强度，可以承受垂直方向的压应力和地下水的渗透压力。②混凝土浇筑混凝土浇筑方案需根据现场具体条件确定。a、拌和站生产，汽车水平运输，现场搭设浇筑平台，汽车直接卸人储料斗；b、拌和站生产，汽车水平运输，现场利用吊车配料罐垂直运输卸人储料斗；c、条件许可时，拌和机设在现场的一定高度上，直接拌料送人储料斗。建议在有拌和系统的条件下，优先采用a、b方案。用方案c施工，当砼料不合适时，难以处理。一个槽段混凝土的首次灌注量，应按导管埋人混凝土内的深度不小于1.0m计算。开始浇筑时，同时拉开(两组)储料斗活门，混凝土料连续进入漏斗并冲开漏斗活板，顺导管冲入孔底。全部储料进入槽孔后，连续进行混凝土浇筑作业，混凝土上升速度不小于2m／h。开浇后，立即测量槽内混凝土顶面高程，核对计算混凝土量与实际上升高度是否吻合。随着槽内混凝土面的上升，以后每隔30min测量一次混凝土面的标高并计算、核对深度不小于1.5m亦不大于6.0m。严防将导管底口提出混凝土面。混凝土浇注过程中，作好导管拆卸及混凝土浇注记录。浇筑过程中要严格控制混凝土坍落度并按规范及时抽取试样，制作混凝土试件，每组样品不少于3个试块。浇注结束时，应及时拔出导管，清理并冲洗干净导管、漏斗、储料斗等浇筑设备，以备下一槽使用。(1)槽段施工时，钻孔的孔位正确，劈孔中心线均在同一轴线上。无特别地层条件，单槽底面宜在同一高程上，便于砼浇筑时施工控制。(2)Ⅱ期槽段套接时，必须校正轴线，保证套接端的最小墙厚满足规范和设计要求。(3)严格控制