某水利枢纽工程坝基混凝土防渗墙工程施工

王廷勇 周宗光

1 工程概况

1.1 工程总体概况

下坂地水利枢纽工程位于新疆塔里木河源流叶尔羌河主要支流之一的塔什库尔干河中下游,是塔里木河流域近期综合治理中唯一的山区水库枢纽工程,主要任务是以生态补水及春旱供水为主,结合发电的综合性Ⅱ等大(2)型工程。水库正常挡水位2960 m,总库容 8.67亿m3,电站总装机150 MW。枢纽建筑物由拦河坝、导流泄洪洞、引水发电洞和电站厂房四部分组成。大坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝,坝顶高程2966.00 m,最大坝高78 m。导流泄洪洞布置在右岸,引水发电洞布置在左岸,穿越哈木勒提沟拐向正东。电站厂房布置在坝址下游8.5 km河道的左岸。

下坂地水利枢纽工程坝基下为冰碛砂砾石覆盖层,最大厚度约150 m,成分复杂,渗透系数变化大;覆盖层的防渗处理采用上部深85 m,厚1 m的混凝土防渗墙下接4排灌浆帷幕来全部截断覆盖层渗流防渗。两岸坡及坝肩防渗采用基岩帷幕灌浆防渗。

1.2 水文气象

下坂地水利枢纽工程位于塔什库尔干河的中下游,坝址以上河长217 km,控制流域面积9570 km2。塔河的径流主要由冰雪融水及两岸的地下水补给,因此,河道水量比较稳定。坝址多年平均径流量为10.89亿m3。塔什库尔干河地区呈典型大陆性高原气候区,在地理位置、季风环流、地形的综合因素制约下,流域的气候差异较大,唯有冷暖两季。调查历史洪水为1895年,洪峰流量680 m3/s,相当于百年一遇;实测最大洪峰流量为397 m3/s(1961年)。

1.3 地质条件

枢纽工程坝址区河谷呈“U”形,两岸山高坡陡,基岩裸露,坝肩岩体较完整,强风化较浅,河床覆盖层主要是由下游约300 m处的哈木勒提沟古冰川的推进和后退及“堰塞湖”的形成与溃决等因素形成的第四系冰碛、冰水堆积物。坝轴线处河床宽约280 m,坝基覆盖层自下而上可分为三大类地层:冰碛层、砂层、冲洪积和坡积层。

覆盖层透水性差异很大,渗透系数在10-2cm/s～10-1cm/s之间,为强透水地层。在浅层20 m范围内,砂卵砾石层的渗透系数k=15.4 m/d～17.5 m/d,局部6.0 m/d～20.36 m/d。根据三维渗流计算成果,坝基渗漏量为1.115m3/s,年漏水量为3516.3万m3,坝基的渗透比降为0.548,超过了砂卵砾石层的允许渗透比降0.1。

2 混凝土防渗墙施工

2.1 施工导墙及平台

防渗墙施工导墙与平台均为钢筋混凝土结构,混凝土标号为C15。实际施工时,根据防渗墙上下游水位等实际条件,导墙顶实际施工高程为:0+067.44～0+254.50段2902.0 m,0+252.50～0+381.20段2892.35 m,施工导墙与平台结构如图1所示。

2.2 槽孔划分及墙段连接

根据2003年0+229.5～0+232.5段试验成果,共划分为57个槽段,分为二期槽孔施工,其中深槽段最大槽孔长度为6.50 m,岸坡段最大槽孔长度为8.56 m。

墙段连接采用接头管法。一期槽浇筑前两端头孔下设接头管;随着混凝土面上升,在不塌、不铸前提下,随时起拔接头管以保证两端头孔为空,直接形成二期槽段的端部主孔。

2.3 施工工艺流程

在同一槽孔内,用冲击钻采用跳打法进行施工。首先钻凿本槽段的主孔,再进行副孔的钻凿,在副孔钻凿过程中随时将主、副孔之间的小墙打掉,直至槽段的主、副孔全部完成后再进入下一道工序。

鉴于各槽在造孔过程中需依次穿过冲洪积层、砂层和冰碛层,因此施工时大量配备接砂斗,与抽筒交替使用,特别是在冲洪积层和冰碛层的块石钻凿、爆破后,更需频繁使用;钻头质量均在3 t以上。

2.4 清孔换浆

终孔验收合格后进行清孔换浆,采用抽筒法,正常耗时 40 h～50 h。即把抽筒沉入孔底,将孔底的沉渣抽出,同时向孔内补充新鲜浆液,换浆量约为槽孔内泥浆总量的1/3～1/2。

二期槽孔清孔换浆结束前,用刷子钻头分段洗刷一期槽孔端头的泥皮和地层残留物,以刷子钻头上基本不带泥屑、孔底淤积不再增加为合格标准。

需要注意,由于下设预埋管、浇筑导管、接头管(或监测仪器埋设)耗时过长,经常达到14 h以上(深槽段),为保证长时间内孔底淤积不增加或增加很少和槽壁的稳定,在清孔换浆结束以后,就必须保证孔内泥浆有足够的密度和粘度,而含砂量又不能过大。根据深槽孔实际使用膨润土泥浆的经验,要求清孔换浆1 h后泥浆应达到标准。

2.5 预埋灌浆管下设

预埋灌浆管具体结构如图2所示。

定位桁架在深度方向的长度为1 m,间距为16 m,槽孔底部段不布设。

预埋灌浆管分节下设,孔底节长度一般小于6 m。下设前应对各节进行调直,并在接口处进行竖向三根等距加肋钢筋的焊接、桁架固定;下设时采用吊车起吊,在孔口进行对接焊接,然后整体下设;孔口对接时,必须随时用水平尺校核上下两节的水平垂直度,以保证整套预埋管的铅直度。灌浆管在槽口固定在导墙上,灌浆管底口缠过滤网(由1 mm厚铁皮钻孔制作而成),防止混凝土进入管内。

2.6 仪器安装与埋设

根据设计要求,分别在桩号0+160.6,0+226.0,0+294.0所在的三个槽孔内进行了安全监测仪器埋设施工,防渗墙内仪器安装需固定在预制的角钢支架上。角钢支架采用∠50×5 mm角钢焊接完成,断面为正四边形(0.6 m×0.6 m),支架每0.7 m设一组衬钢(∠50×5 mm角钢)。支架在现场先分节加工,每节长度6 m,每节支架之间采用∠60×6 mm角钢连接。支架加工好后在现场先预装一次,用以保证支架连接后的顺直,并由监理和安全监测单位联合验收。槽段清孔验收合格后,采用吊车及时吊装下设。下设及浇筑混凝土后,安全监测单位及时测试三套墙体支架内仪器均有效,墙内仪器埋设成功。

2.7 混凝土浇筑

混凝土浇筑采用泥浆下直升导管法,压球法开浇。浇筑前应充分做好各项准备工作,包括浇筑器具、检测仪器、施工记录等;重点是φ 250 mm浇筑导管的质量检查、长短配置、下设布置,必须严格按照相关技术要求进行。

在开始进行混凝土浇筑时,搅拌1 m3水泥砂浆,在每套导管下料漏斗内注满砂浆,待储料槽内备足混凝土后,即可进行开浇工作。在混凝土浇筑过程中,要严格执行技术规范,重点控制混凝土上升速度、混凝土面、导管拆卸和混凝土拌合物试验。混凝土浇筑不得欠浇,需在设计终浇高程基础上超浇50 cm。

2.8 接头管下设与起拔

本工程施工的墙段连接采用“接头管法”,一期槽孔清孔换浆结束后,在槽孔端头下设接头管,混凝土浇筑过程中及浇筑完成一定时段内,根据槽内混凝土初凝情况,使用YBJ1200型液压拔管机逐渐起拔接头管,在一期槽孔端头形成圆弧形接头孔。本工程总计45个接头孔,接头管施工全部成功,而且接头管施工深度开创了2006年度的同类第一,为水电施工企业在高海拔地区、深厚混凝土防渗墙体下进行接头管法施工积累了宝贵的经验。接头管下设最深为90.0 m,最浅为20.0 m,平均下设深度为64.9 m。

3 施工难点及对策

3.1 成槽造孔前对大块石预爆处理

根据防渗墙施工部位的地质资料及实际开挖情况,对地层中的大块石进行孔内爆破。对块石块径大于1 m且相对集中的部位,采取用岩芯钻机加密钻孔,进行孔内集中爆破处理,以最大限度地降低防渗墙成墙难度。

3.2 成槽过程中遇到的大块石处理

1)钻孔爆破:对于较浅的较大块石、漂石,采用岩芯钻机配φ 110 mm金刚石钻头钻孔,钻穿块石、漂石后,在钻孔内下置钻孔爆破筒进行爆破,爆破筒结构如图3所示。2)聚能爆破:对于“探头石”或较深部位的大块石、漂石,在其表面下置聚能爆破筒爆破。因爆破作业是在泥浆下进行,因此炸药采用防水的乳化炸药,雷管采用电雷管。每个爆破筒的装药量和雷管数量根据块石大小和所在深度而定,爆破筒结构如图4所示。3)钻头重砸:对于较小的块石、漂石,利用加大配重的钻头以较快的速度冲砸,使之成碎块状,再正常钻进。

3.3 漏浆处理

漂石、砂卵石层架空现象严重,造孔过程中会发生大量漏浆现象,主要采用回填黏土或黏土料加片石,并用钻头冲击挤压密实的方法堵漏。

3.4 塌孔处理

防渗墙施工过程中,在砂层容易塌孔,主要采用黏土、碎石加黏土等材料回填至槽孔塌孔位置以上1.5 m,再用冲击钻机夯实,挤密孔壁;塌孔严重部位则采用直升导管法回填灌注低标号混凝土填平,重新造孔。

3.5 施工平台坍塌处理

2008年5月14日,Y5号槽孔(桩号0+298.5～0+304.5)下游施工平台突然坍塌,形成长×宽×深为7 m×6 m×8.5 m的塌坑。

本次坍塌事故发生的主要原因是:分布在桩号0+254～0+310之间、厚度10 m～18 m的砂层,在长期的积水浸泡和上下游基坑开挖频繁扰动后被淘空、液化,造成地基承载力严重不足;丰富的地下水被频繁扰动,不断稀释槽孔内泥浆,造成泥浆性能急剧下降,不能满足施工要求。

事故发生后,为防止塌陷区扩大,对周边造成更大的影响,首先对其左右正在施工的Y4,Y6槽孔进行回填,然后对塌陷区采取强降水、大开挖处理后再进行固结灌浆处理。具体处理方案为:对桩号0+273.50～0+319.50段施工平台上下游扩宽10 m～15 m,同时在上游建立集水坑,降低防渗墙施工区的地下水位,并在坡脚做黏土铺盖,以截断强透水层;而对施工平台底部冲洪积层进行四排固结灌浆处理,深度控制在25 m以内,以穿过冲洪积层1 m为准。

4 施工经验

通过在海拔近3000 m的高寒、缺氧地区进行宽1 m、最大施工深度90 m的大面积防渗墙施工,我们取得了许多宝贵经验,但亦有诸多不足,施工工效低比较突出。2006年施工总用时187 d,造孔总进尺12920.3 m,统计单机日均工效为3.18 m(含基岩),其中深槽段(无基岩)单机日均工效为2.5 m。2008年施工总历时227 d,造孔总进尺6774.9 m,统计单机日均工效为3.59 m(含基岩),其中一期槽为2.45 m、二期槽为4.73 m。而在2003年进行防渗墙试验施工时,采用抓斗抓取成槽,由于地层中含大量块径较大(最大超过4 m)的块石、漂石,根本无法进行,只得选取冲击钻钻凿、辅助孤石爆破的成槽工艺。

因此,深厚覆盖层的成槽工艺值得今后进一步研究、总结,以提高工效、降低成本,最终达到节约工期、提高经济效益的目的。

[1]刘 翔,陈宇翔.四岭水库大坝混凝土防渗面板施工技术[J].山西建筑,2009,35(2):353-354.