黄河小浪底水利枢纽西霞院围堰粉煤灰混凝土防渗工程施工技术

兰彩虹,赵瑞峰,潘殿琦

(1.吉林省吉林市船营区农业水利局,吉林市132011;2.中国水电基础局有限公司,天津301700;3.长春工程学院 教务处,长春 130012)

1 工程概况

黄河小浪底西霞院水利枢纽工程位于黄河干流中游河南省境内,距小浪底电站下游16 km,以反调节为主,兼顾发电、灌溉、供水的大(Ⅱ)型水利枢纽工程。其右岸土石坝轴线长857.7 m,左岸土石坝轴线长1 725.5 m。水库正常蓄水水位134 m,装机容量140 MW,设计洪水位132.87 m,总库容1.62亿m3。

工程主要建筑物由挡水大坝、泄洪闸、排沙闸(洞)、径流式河床电站及地面开敞式开关站、王庄引水闸、坝后灌溉引水闸和连接建筑物等组成。西霞院工程电站基坑段混凝土防渗墙位于黄河右岸,介于黄河与混凝土防渗墙试验区工程之间,是黄河小浪底水利枢纽工程的临时配套项目。

西霞院工程电站基坑围堰原设计采用高喷防渗墙形式,施工过程中由于地层情况复杂,高喷方案无法满足工期质量要求,经设计修改,将高喷防渗墙大部分段更改为混凝土防渗墙,设计防渗面积约为12 000余m2,最大孔深约42.0 m。防渗墙采用粉煤灰混凝土,设计标号C15,强度保证率为80%,抗渗标号为W6,墙体厚度60 cm。

2 工程地质及水文条件

试验区工程揭露的地质情况,覆盖层表部为松散沉积层,多呈浅黄色砂土。按土体特征,可分为上、下两层(Q23、Q13)。组成黄土的主要粒组为粉粒,多数为中粉质壤土,局部有粉质黏土及粉质砂壤土等薄层。砂土结构疏松,易出现孔壁坍塌,厚度一般为0.7～3.0 m;深部为土及砂砾(卵)石沉积胶结层,厚度0.3～0.9 m,结构极为密实,局部出现架空;卵石磨圆度高,易产生歪孔现象。覆盖层中部为砂卵石层,厚薄不均,一般最大厚度37～40 m。砂卵石层中大于300 mm的漂石含量约占12%,最大粒径达900 mm以上。下部砂卵石2～5 mm的小砾石颗粒含量偏高,平均达 14%,缺少 0.5～0.1 mm间的粒径。最为不利的是,在高程100～110 m分布有砂层,厚约4～8 m。砂层以细砂、粉细砂为主,局部为中砂。覆盖层地质条件分布不均,给施工带来很大难度。

坝址区基岩主要由上第三系(N)粉砂岩与砂质黏土岩互层组成。基岩层岩性以粉砂紫红色砂质黏土岩为主。基岩结构疏松,成岩作用差;局部为松散状,基岩面高差较大。

施工区段内地下水位较稳定,坝址区地下水类型可分为松散岩类孔隙水与基岩孔隙裂隙水。

3 施工临建

3.1 施工总布置

施工总体按照就近方便原则在黄河岸边建设混凝土拌合系统以及砂石料厂。设备存放以机修车间均集中靠外侧。

3.2 施工供水

施工用水分2步进行,先用深井泵自水井抽水送入集水池,而后再用清水泵将储水池中的水通过专用管路,分别送至各施工机组。制浆站、混凝土搅拌站,供水系统采用φ 100mm钢管,通过法兰连接。

3.3 施工供电

本工程施工用电量约为1 200 kVA。自电网主干线6 000 kVA高压电网引入施工区内。经2台变压器(一台1 000 kVA,一台630 kVA)变高压为低压电源,再用直径不小于185 mm2的电缆引至各用电网点的配电箱内。

3.4 混凝土拌和系统

修建一个面积约2 000 m2的拌和系统。拌和系统由搅拌站、水泥贮存库、砂石料堆放场等组成。搅拌站主要由3台JS500型搅拌机和3台PLD1200型配料机组成。搅拌机内侧为堆料场,占地面积约3×500 m2。堆料场和搅拌站间隔处布置配料机,面积约100 m2。混凝土搅拌系统组成形式和结构详见图1和图2。

图1 混凝土拌和系统组成形式图

图2 拌和系统结构详图

3.5 泥浆系统

在防渗墙轴线临河侧建造制浆站。制浆站主要由2台ZJ-1500型高速搅拌机、膨润土贮存库和泥浆池组成。贮存库可存放120～150 t膨润土,为施工高峰期搅浆所用。制浆站旁贮存库和搅拌机建在同一个高程处,以便制浆。泥浆系统布置见图3。

图3 泥浆系统布置图

修建一个总容积不少于600 m3的泥浆池,其中分为膨化池、供浆池、回浆池。施工中,造孔产生的废浆通过自流方式直接进入污水池,定期用反铲和拉碴车清理产生的施工沉碴。

3.6 施工道路

对外交通以焦枝铁路干线和洛阳柿园经小浪底南岸外线公路至留庄。右岸由洛阳柿园经耀店、雷河、白鹤到坝址,全长44 km。坝址区已修建有县、乡公路和部分简易公路,直接和施工现场相连。所有施工设备、材料、人员均通过此公路进出施工现场。

4 混凝土防渗墙施工

按照设计文件,墙体嵌入黏土岩1.5 m,粉砂岩3.0 m,防渗墙墙体厚度为0.60 m。

4.1 施工平台、导墙

为满足抓斗及冲击钻机的交叉施工,施工导墙选用钢筋混凝土结构。施工平台包括钻机平台、倒碴平台和弃浆沟。在导墙侧壁两外侧分布有钻机平台和倒碴平台。钻机平台宽为4.5～6.0 m。钻机平台底层采用炉碴辅垫,平台上均匀布置枕木、道轨。倒碴平台采用素混凝土结构体。施工平台、导墙设计结构见图4。

4.2 防渗墙施工

4.2.1 工艺流程图

本工程防渗墙分Ⅰ、Ⅱ期槽段施工,先施工Ⅰ期槽、后施工Ⅱ期槽,成槽采用“四钻三抓”方案。施工流程见混凝土防渗墙施工程序,见图5。

图4 防渗墙施工平台结构图

图5 混凝土防渗墙工程施工程序图

4.2.2 槽段划分

本工程沿防渗墙轴线划分为Ⅰ、Ⅱ期槽段,单序号为Ⅰ期槽段,双序号为Ⅱ期槽段。在同一槽段内,又分为7个孔:4个主孔,3个副孔。具体见图6。

图6 槽段划分示意图

4.2.3 冲击钻机施工

根据工程地质条件,本次施工拟投入34台冲击钻机与2台抓斗配合完成槽段覆盖层、基岩层和混凝土接头孔的钻凿任务。

冲击钻机具有地层适应能力强的特点。本工程覆盖层厚、地质条件复杂,在成槽过程中,必须严格按钻孔施工规程进行施工。

4.2.4 抓斗成槽施工

本工程施工强度大、工期短,必须充分发挥抓斗的效率。所有槽段的副孔覆盖层和部分基岩层拟采用抓斗施工。

4.2.5 基岩施工

原则上,基岩部分由冲击钻机完成。但在抓斗施工过程中,不论地层如何,拟让抓斗抓不动为止。无论是抓斗还是冲击钻机,在基岩抓凿过程中,接近基岩深度时,按设计要求抽取岩芯样品,以鉴定岩层岩性,确定单孔终孔深度是否达到设计要求。

4.2.6 槽段连接成墙

本工程墙段连接,采用钻凿法连接方式施工。钻凿法墙体连接是利用冲击钻机在Ⅰ期槽端孔孔位处重新钻凿已浇筑混凝土,形成2个Ⅱ期槽端孔。

在进行Ⅱ期槽混凝土浇筑前,对两端孔必须采用钢丝刷进行清洗,以确保Ⅰ、Ⅱ期槽段连接质量。

桩号为坝下0+100处是墙体分界点。根据十四局与我局槽孔划分情况,我方在该部位处布置的槽段为Ⅱ期槽端孔。该处端孔的施工,钻孔、打接头由Ⅰ期槽施工方负责完成,接头刷洗、清孔、混凝土浇筑由Ⅱ期槽施工方负责完成。

4.2.7 特殊地层的施工

本工程地下水位较高(地表以下0.5～1.4 m见地下水)且地下水位以上是一层细砂,极易液化,造孔过程中易产生孔壁坍塌;砂卵石层中存在漂石、孤石等特殊地层情况,在钻孔成槽过程中,必须控制槽内泥浆质量、槽内泥浆液面变化幅度。在钻进过程中,根据地层地质条件,拟采取以下具体措施:

(1)开孔时预填黏土、碎石(适量)、水泥(黏土的10%),用十字钻头对全槽的导墙与地基接触带进行挤压、密实、固化,以提高该部位的密实度及稳定性。

(2)卵石较为密集部位,必须增大冲击力和断面破碎能力,稳凿稳打,以获得有效进尺。

(3)发现有坍塌现象,立即停止施工,及时回填碎石、黏土混合体,以达到阻止事态的蔓延、扩展。

(4)勤补焊钻头,保证钻头各部位的几何尺寸,防止出现梅花形孔,引发卡钻、掉钻等孔内事故。

(5)漂石、孤石处理

由于本标段地层含有粒径70～90 cm的漂石、孤石,使之成为抓斗施工的最大难点。如漂、孤石过大或呈探头状,应采取有效措施:

(a)重凿冲砸破碎:如遇孤石抓斗无法抓取,拟卸下抓斗,换上重锤进行冲、砸破碎;而后,换上抓斗进行正常抓取作业。

(b)聚能爆破或钻孔爆破:如孤石特别大而坚硬重凿冲砸无法破碎,可采取孔内聚能爆破或钻孔爆破技术措施。

(6)致密、坚硬地层施工

从试验工程揭露的地质资料可看出,中、下部的Q4、Q3砂卵石层厚度较大、含砂率低,其中下部的Q3砂卵石层处于中等密实状态。抓斗在该层的挖掘有一定难度,须采取重凿与冲击钻相结合、重凿锤打措施,来提高抓斗的施工工效。

遇致密、坚硬地层应卸下抓斗,换上重锤进行冲砸使其破碎成疏松地层,然后再卸下重锤,换上抓斗进行正常抓取。或移开抓斗至其它工作面,换冲击钻钻凿该层,使之尽快穿过,再让抓斗继续抓取。与孤石、漂石处理措施不同的是,主要通过改变钻头角度(几何尺寸),尽可能选用多角钻头,增加断面的破碎能力。

4.3 清孔换浆

槽孔孔形验收结束后,必须及时进行清孔换浆,以防止槽孔内泥浆静置时间过长,引起槽壁的坍塌。清孔换浆采用抽筒或泵吸法进行清孔换浆,及时用新鲜泥浆补充,达到清除槽内沉淀满足设计要求。

4.4 混凝土浇筑

4.4.1 混凝土原材料的贮备

(1)原材料

水泥:选用业主指定厂家生产的32.5级普通硅酸盐水泥,使用前除取得出厂检验合格证外,还应分期、分批(400 t为一批)取样按相关标准进行凝结时间、抗压强度、安定性等指标的检测。合格后,方可投入使用。

粉煤灰:拟采用河南省洛阳热电石生产的Ⅰ级粉煤灰;

水:符合国家饮用标准的纯净水;

中砂:选用细度模数2.4～3.0范围的中细砂,级配良好,其含泥量不大于3%;

骨料:选用天然卵碎石,粒径 5～20 mm、20～40 mm,含泥量不大于1.0%;

外加剂:选用南京水科院生产的NAF-Ⅱ高效减水剂。

(2)墙体材料配合比

本工程为粉煤灰混凝土防渗墙工程,根据水利部小浪底工程建设检测中心提供的《配合比试验报告(临时)》规定,粉煤灰混凝土材料配合比表如表1所示。

4.4.2 浇筑混凝土前准备

(1)混凝土拌制及运输

墙体混凝土采用JS-500型强制式搅拌机拌制。运输用混凝土泵直接输送至浇筑槽段孔口集料斗内,而后通过已下设好的导管送入槽段内。

表1 粉煤灰混凝土配合比

(2)浇筑导管的配制、检查

槽段内混凝土浇筑质量好坏及浇筑成功与否,与浇筑导管质量密切相关。故在导管下设前,必须做好浇筑导管的配制和检查工作。

导管配制前应检查单根导管长度及连接质量,单套导管长度需和下设孔孔深相适应。导管连接质量主要是指检查导管间的连接质量及单根导管自身的焊接质量。

4.4.3 浇筑混凝土

防渗墙混凝土浇筑采用泥浆下直升导管法,导管的管径选择 Ф 250 mm。导管采用吊车、钻机相互配合下设、起吊。

混凝土开浇前,须拌制0.7 m3的砂浆,放入漏斗中,待储料仓内备好足够数量的混凝土后,方可开始浇筑。导管进料顺序按槽段孔深由深到浅进行控制。

正常浇筑过程中,按4～5 h的时间间隔进行1次混凝土和易性指标测试,发现问题及时处理。非正常情况下,必须加密检测次数,以便随时掌握混凝土的性能指标。

每30 min测量1次混凝土面的深度,终浇高程按超过设计墙顶高程0.5 m控制。

5 质量效果评价

混凝土试样在满足龄期要求后,所有检测数据均满足设计要求指标。此外,由业主指定位置在墙体上进行了取芯钻孔和注水试验的现场检查。取出的混凝土岩样胶结致密,不存在夹泥等质量缺陷;现场注水试验最大渗透系数满足设计渗透系数要求。目前,该围堰内土方开挖已基本完成,没有出现渗漏现象,效果理想,事实证明了防渗墙良好的施工质量和防渗效果。