壩體超深混凝土防滲墻加固技術(shù)研究★

熊 威 胡小龍 田 波

(1.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

1 概述

我國(guó)是世界上大壩建造數(shù)量最多的國(guó)家，截至2016年年底，我國(guó)已建成各類水庫(kù)大壩9.8萬多座[1]，其中大型水庫(kù)500多座，中小型水庫(kù)8.6萬多座。由于大多數(shù)水庫(kù)修建于20世紀(jì)50年代～70年代，歷史上發(fā)生過病險(xiǎn)的水庫(kù)約3.7萬多座。統(tǒng)計(jì)成果顯示，病險(xiǎn)水庫(kù)大壩壩型主要為土石壩，占93.3%，其次是漿砌石壩5.6%，其余為混凝土壩。土石壩主要的病險(xiǎn)表現(xiàn)為壩體滲透破壞或壩坡失穩(wěn)問題。土石壩在壩體內(nèi)增設(shè)混凝土防滲墻處理壩體滲流破壞險(xiǎn)情，是一種成熟可靠的處理手段。60多年來，混凝土防滲墻在病險(xiǎn)水庫(kù)防滲加固中的應(yīng)用已經(jīng)極為普遍，不僅解除了病險(xiǎn)水庫(kù)大壩的滲流安全隱患，也標(biāo)志著大壩采用混凝土防滲墻加固技術(shù)的不斷提高[2]。

我國(guó)目前建成數(shù)以萬計(jì)常規(guī)深度的防滲墻工程，但在土石壩壩體內(nèi)建造深度超過60 m的超深混凝土防滲墻工程較為少見。隨著壩體防滲墻深度的增加，工程設(shè)計(jì)難度和施工難度都大大增加。因此對(duì)于超深防滲墻的設(shè)計(jì)和施工中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究探索勢(shì)在必行。

2 超深防滲墻設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 防滲墻類型

1)普通混凝土防滲墻。

普通混凝土防滲墻是膠凝材料除水泥外不摻加其他混合材料的高流動(dòng)性泥漿下澆筑的混凝土。

普通混凝土彈性模量一般為22 000 MPa～31 500 MPa。普通混凝土防滲墻配制水泥用量一般不小于350 kg/m3，水灰比不宜大于0.6，砂率不小于40%。

2)粘土混凝土防滲墻。

普通混凝土在拌制過程中摻入一定數(shù)量粘土的高流動(dòng)性混凝土叫粘土混凝土。

粘土混凝土彈性模量一般為12 000 MPa～20 000 MPa，比普通混凝土彈性模量降低30%～50%左右。粘土混凝土的水泥用量不宜小于350 kg/m3，水灰比不宜大于0.65，砂率不宜小于36%。粘土的摻加量占膠凝材料總量的20%左右，最多不宜大于25%。

3)塑性混凝土防滲墻。

塑性混凝土是用粘土和(或)膨潤(rùn)土取代普通混凝土中的大部分水泥形成的一種柔性墻體材料。塑性混凝土彈性模量一般為500 MPa～2 000 MPa，比普通混凝土彈性模量降低10倍以上。塑性混凝土彈性模量與周圍土體的變形模量相近，能很好地適應(yīng)地基的變形，大大地減小了墻體內(nèi)的應(yīng)力，避免了墻體開裂變形。

2.2 防滲墻的適用類型

我國(guó)最早使用混凝土防滲墻對(duì)大壩進(jìn)行防滲加固是在甘肅武威黃洋河水庫(kù)心墻土壩中應(yīng)用，其后在江西柘林水庫(kù)粘土心墻壩、丹江口水庫(kù)土壩加固等加固工程中得到應(yīng)用。早期采用烏卡斯鉆機(jī)施工，施工速度較慢，費(fèi)用較高，隨著液壓抓斗的使用，成墻速度提高，費(fèi)用降低。目前，混凝土防滲墻已廣泛應(yīng)用于水庫(kù)滲漏加固處理中，如黑龍江象山水庫(kù)、安徽花涼亭水庫(kù)、江西油羅口水庫(kù)、湖北陸水水庫(kù)、安徽盧村水庫(kù)、湖南六都寨水庫(kù)、廣西石枧水庫(kù)、廣西澄碧河水庫(kù)等均采用混凝土防滲墻加固。

防滲墻的墻體材料多種多樣，性能各異。不同種類的墻體材料有不同的性能適用范圍，其材料組成、施工方法及造價(jià)也各不相同，應(yīng)根據(jù)具體用途和工程條件選擇墻體材料。墻體材料各項(xiàng)性能指標(biāo)之間的匹配應(yīng)合理，否則在施工中難以兼顧各項(xiàng)性能要求，既造成資源浪費(fèi)，也不利于工程質(zhì)量評(píng)定。

各種墻體材料性能的一般適用范圍如表1所示[3]。土石壩壩體防滲墻墻體深度不小于60 m時(shí)，墻體承受的水頭高，要求墻體允許滲透坡降一般在60～80以上，抗?jié)B等級(jí)在W6以上。為保證防滲墻的質(zhì)量安全和耐久性，多采用普通混凝土和粘土混凝土等墻體材料，塑性混凝防滲墻在超深土石圍堰等臨時(shí)工程中應(yīng)用較廣泛。

表1 防滲墻墻體材料的性能及適用范圍

2.3 防滲墻墻體材料研究

澄碧河水庫(kù)大壩為混凝土心墻與粘土心墻結(jié)合的土壩，最大壩高70.4 m，壩頂高程190.40 m，加固防滲墻位于原防滲墻下游4.0 m，最大墻深約75.2 m，墻厚80 cm。加固防滲墻墻體材料選取普通混凝土、粘土混凝土和塑性混凝土等三種方案，對(duì)比分析不同墻體材料超深防滲墻的應(yīng)力變形性狀，防滲墻墻體材料計(jì)算參數(shù)見表2。

有限元計(jì)算采用基于Biot固結(jié)理論的有效應(yīng)力分析方法。土石體計(jì)算模型為采用Duncan E-υ參數(shù)的南水雙屈服面彈塑性模型。有限元計(jì)算網(wǎng)格模型由739個(gè)單元，776個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，具體見圖1。老防滲墻和加固防滲墻順河向均剖分3排單元，并在墻體周邊設(shè)置3 cm厚泥皮單元，在墻底設(shè)置15 cm厚沉渣單元，以模擬防滲墻與周邊土體的接觸特性。

表2 防滲墻墻體材料計(jì)算參數(shù)

有限元計(jì)算結(jié)果如表3所示，計(jì)算結(jié)果表明：

1)在壩體填筑和蓄水均相同時(shí)，隨著防滲墻材料剛度的降低，防滲墻的變形有所增大。對(duì)于本工程，相比普通混凝土防滲墻，粘土混凝土防滲墻撓度極值要高15%左右，塑性混凝土防滲墻撓度極值則要高30%左右。

2)在壩體填筑和蓄水均相同時(shí)，隨著防滲墻材料剛度的降低，防滲墻的應(yīng)力有很大改善。對(duì)于本工程，相比普通混凝土防滲墻情況，粘土混凝土防滲墻壓應(yīng)力雖下降幅度有限，但拉應(yīng)力極值下降幅度在50%左右，而塑性混凝土防滲墻不僅未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力也下降明顯，壓應(yīng)力極值下降幅度在35%左右。

3)對(duì)于本工程，普通混凝土、粘土混凝土和塑性混凝土防滲墻壓、拉應(yīng)力均符合材料強(qiáng)度要求，防滲墻均是安全的。普通混凝土結(jié)構(gòu)安全裕度最大，但由于水泥用量大，工程造價(jià)高；塑性混凝土水泥用量少，工程造價(jià)低，但由于塑性材料抗壓強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)的安全裕度最?。徽惩粱炷劣捎谒嘤昧枯^普通混凝土少，工程投資經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)安全裕度較塑性材料大，工程中往往運(yùn)用得最多。因此，在防滲墻材料強(qiáng)度滿足要求的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇低彈性模量材料，降低防滲墻與周圍土體的剛度比值，使得防滲墻既有較高的強(qiáng)度抵抗高應(yīng)力，又具有良好的柔性能適應(yīng)較大的變形。

表3 防滲墻有限元計(jì)算成果表

3 壩體超深防滲墻施工技術(shù)

3.1 超深防滲墻孔斜控制技術(shù)

在土石壩壩體建造60多米高的超深防滲墻孔斜的控制是技術(shù)難點(diǎn)之一。以廣西澄碧河水庫(kù)大壩加固為例，大壩防滲墻最大墻深75.2 m，防滲墻的主要施工設(shè)備機(jī)具為上海金泰SG46,SG40A液壓抓斗和利勃海爾HS885HD鋼絲繩抓斗。各單孔中心線位置在設(shè)計(jì)防滲墻中心線允許偏差不大于30 mm。槽孔壁面平整垂直，防止偏斜，成槽施工時(shí)孔斜率不大于4‰，遇含孤石地層及基巖陡坡等特殊情況，控制在6‰ 內(nèi)。在造孔過程中，全程進(jìn)行孔斜控制，采用液壓抓斗測(cè)斜和自動(dòng)糾偏裝置或“抓斗法”或“重錘法”進(jìn)行測(cè)量，造孔過程中應(yīng)加強(qiáng)孔斜測(cè)量頻次，提前發(fā)現(xiàn)偏斜，利用斗體安裝的糾偏板糾偏，終孔驗(yàn)收時(shí)應(yīng)測(cè)量孔斜。

造成地連墻發(fā)生孔斜的原因有很多，其中地層原因是最主要的。當(dāng)槽孔施工發(fā)生孔斜時(shí)，將使墻體的有效厚度減少以及影響墻體的連續(xù)性，因此，孔斜的控制尤為重要，采取下列措施：采用帶有自動(dòng)糾偏裝置的抓斗成槽。上海金泰重型液壓抓斗均安裝有測(cè)斜和自動(dòng)糾偏裝置，操作手可直觀的在顯示屏中時(shí)時(shí)觀測(cè)到孔深、孔斜等參數(shù)指標(biāo)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)孔斜有超標(biāo)趨勢(shì)時(shí)，可利用自動(dòng)糾偏裝置及時(shí)處理。

3.2 超深防滲墻泥漿固壁技術(shù)

泥漿在防滲墻施工中的作用主要是保持孔壁穩(wěn)定、懸浮鉆渣以及冷卻鉆具,是成槽的關(guān)鍵因素之一。以廣西澄碧河水庫(kù)大壩加固為例，工程施工時(shí)研制一種新型NNC固壁泥漿，其中膨潤(rùn)土采用新制鉆井液級(jí)膨潤(rùn)土，分散劑采用工業(yè)碳酸鈉(NaCO3)，增粘劑為中粘類羧甲基纖維素鈉(CMC)，新制NNC固壁泥漿性能指標(biāo)如表4所示。

表4 新制NNC泥漿性能指標(biāo)

澄碧河水庫(kù)防滲墻采用研制的NNC漿液較傳統(tǒng)漿液性能有了很大的改善，使固壁泥漿充分發(fā)揮了支撐孔壁、穩(wěn)定地層、較大的懸浮及攜帶巖屑的作用，防滲墻造孔施工中未發(fā)生塌孔事故，為防滲墻工程的順利完成起到了關(guān)鍵作用和保障。

3.3 超深防滲墻清孔換漿技術(shù)

超深防滲墻清孔換漿應(yīng)根據(jù)地層特點(diǎn)、槽孔建造工藝綜合確定。澄碧河水庫(kù)大壩為粘土和粉質(zhì)粘土分層分階段填筑而成，下部為強(qiáng)—中等風(fēng)化砂巖構(gòu)成。根據(jù)地層特點(diǎn)采用“氣舉正反循環(huán)法”清孔換漿。平緩壩段采用正循環(huán)，陡坡壩段采用反循環(huán)。正循環(huán)法是將排砂管下入孔內(nèi)距離孔底20 cm～50 cm，啟動(dòng)空壓機(jī)，孔底漿碴被空氣循環(huán)吸出孔外至泥漿凈化系統(tǒng)，被凈化后的泥漿流回槽孔內(nèi)；同時(shí)，漿液缺失部分補(bǔ)充新鮮泥漿。清孔時(shí)還可以下入鉆頭不斷攪動(dòng)孔底沉積物，以徹底清除沉碴。一個(gè)單孔清孔完畢后，移動(dòng)排砂管，逐孔進(jìn)行清孔。

陡坡基巖段采用反循環(huán)法。反循環(huán)清孔是利用空壓機(jī)的壓縮空氣，通過安裝在導(dǎo)管內(nèi)的風(fēng)管送至端孔內(nèi)，在導(dǎo)管內(nèi)混合器底端形成負(fù)壓，下面的泥漿在負(fù)壓的作用下上升，并在氣壓動(dòng)量的聯(lián)合作用下，不斷補(bǔ)漿，上升至混合器的泥漿與氣體形成氣漿混合物后繼續(xù)上升，從而形成流速、流量極大的反循環(huán)，攜帶沉碴從導(dǎo)管內(nèi)反出，排出導(dǎo)管以外。

實(shí)踐證明“氣舉正反循環(huán)法”的結(jié)合使用在超深混凝土防滲墻平緩壩段孔和陡坡基巖段清孔換漿效果均取得很好的效果。

4 結(jié)語

防滲墻技術(shù)引進(jìn)我國(guó)近60年來，在水利水電行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)目前已經(jīng)建造的混凝土防滲墻面積已經(jīng)大于500萬m2。在各個(gè)行業(yè)的地下連續(xù)墻工程中，水工建筑物防滲墻是數(shù)量最多、規(guī)模最大、發(fā)展最快的技術(shù)[2]。

本文對(duì)土石壩壩體超深混凝土防滲墻的墻體材料和適用范圍進(jìn)行了研究分析，對(duì)壩體超深防滲墻的孔斜控制技術(shù)、泥漿固壁技術(shù)和清孔換漿技術(shù)進(jìn)行了研究，可為同類工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

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