低弹模混凝土防渗墙在西岙水库维修加固工程中的应用

张 治,叶良裕

(1.宁波市鄞州区水利水电勘测设计院,浙江 宁波 315192;2.宁波市鄞州区甬新河管理所,浙江 宁波 315104)

1 工程概况

西岙水库位于宁波市鄞州区集士港镇四明山村,水库建于1958年,是1座以防洪、灌溉为主结合养殖的小 (1)型水库。西岙水库上游集雨面积2.639 km2,设计洪水标准为50 a一遇,校核洪水标准为500 a一遇,正常库容121.48万m3,总库容146.06万m3。水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道和输水隧洞等组成。大坝为黏土心墙坝,最大坝高19.90m,坝顶长188.20 m,坝顶平均宽4.70 m,坝顶高程32.75～33.15 m,大坝前后坡均有干砌块石护坡,坝脚设排水棱体。

根据2008年12月《西岙水库维修加固工程地质勘察报告》及 《西岙水库大坝安全技术认定报告书》,心墙土平均压实度为0.90,以中等透水性为主,渗透系数为10-4～10-3cm/s,不能满足《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)的防渗要求。经安全技术认定为2类坝,需进行维修加固。

2 防渗墙设计

2.1 方案比选

根据西岙水库实际情况,大坝黏土心墙防渗体及坝体与坝基接触带存在渗漏问题,大坝防渗的主导思想就是截断坝体土、坝体土和坝基基础带之间的渗漏通道。大坝防渗加固处理的主要方法是垂直防渗,垂直防渗方案中又有混凝土防渗墙方案(方案1),帷幕灌浆结合高压喷射灌浆方案(方案2)以及帷幕灌浆结合充填灌浆方案(方案3),选择以上3种方案进行比选,比选方案优缺点见表1。

根据此工程及鄞州区水利工程的实际情况,考虑水库防渗加固的综合效果分析,此工程设计采用方案1混凝土防渗墙方案作为推荐方案。

表1 比选方案优缺点比较表

2.2 防渗墙布置

由于防渗墙施工作业的需要,首先需降坝处理,该工程需先将大坝降至30.50m高程,防渗墙轴线布置坝轴线上游0.70 m处,防渗墙浇筑顶高程30.50 m,墙底深入弱风化基岩0.50 m。根据地质剖面,防渗墙底高程最低为2.00 m,防渗墙最大墙深28.50 m,平均墙深25 m。大坝加固标准横剖面见图1。

图1 大坝加固标准横断面图

2.3 墙体材料

由于该工程防渗墙布置在坝体中,如采用常规混凝土防渗墙,则因弹性模量较高,与周边的坝体填筑土不相适应,不能适应较大的变形而引起应力集中,产生的拉应力将使混凝土防渗墙出现裂缝,影响防渗效果,所以防渗混凝土墙体材料采用低弹模混凝土,以适应不均匀受力及较大的变形。根据防渗墙应力应变计算成果,同时根据同类工程已建防渗墙的施工经验,防渗墙混凝土抗压强度不大于8 MPa,抗拉强度不低于0.80 MPa,弹性模量不大于7 000 MPa,混凝土抗渗等级采用W6。为此,低弹模混凝土的配合比及外加剂、掺料量应通过试验确定。为了防止防渗墙在坝体内出现不均匀沉陷导致坝体产生裂缝,在防渗墙顶设压缩性较大的高塑性土,并在防渗墙墙头包1层黏性土,以防止坝体土与防渗墙的接触面发生接触冲刷。

2.4 防渗墙厚度验算

防渗墙在上游渗透压力作用下,其耐久性取决于机械力侵蚀和化学溶蚀作用,由于这2种侵蚀破坏作用均与水力梯度有密切关系,因此在防渗墙设计中根据防渗墙破坏时的水力梯度来确定防渗墙的厚度。防渗墙的厚度同时还应考虑到地质情况、施工设备及工程造价等因素。该工程经综合考虑,防渗墙厚度取为60 cm。

式中:[J]允为允许水力梯度,取[J]允=60;[J]为计算水力梯度;H为上下游水头差,取 H=18 m;t为墙厚,取0.60m。

经计算,[J]=30＜60,满足要求。

2.5 槽段及接头

防渗墙槽段分为Ⅰ序槽段和Ⅱ序槽段。槽段划分应尽量长些,可使墙段接头较少,有利于快速、均匀施工。根据地质纵向剖面,坝基岩层较平坦,同时考虑施工方便,槽段划分长度为7.80 m,共分24个槽段。Ⅰ序槽段与Ⅱ序槽段接触段长度为0.60 m,Ⅰ、Ⅱ序槽段间隔布置,槽段间接头采用钻凿法施工。

2.6 耐久性验算

当防渗墙体受上游渗透水侵蚀作用下,混凝土中氢氧化钙会不断溶出,导致混凝土结构疏松,逐步丧失结构强度。设计采用梯里比斯建筑物与水能科学研究所公式验算墙体使用年限T:

式中:L为渗径长度(墙厚),取L=0.60m;K为混凝土渗透系数,取4.0×10-3m/a;H为上下游水头差,取H=18 m;C为每1m3混凝土水泥用量,取280 kg/m3;α为混凝土强度降低50%时,渗过混凝土水的体积,取1.8 m3/kg;β为安全系数,取 30。

经计算,T=84 a,满足混凝土结构设计规范要求。

2.7 坝肩处理

坝肩与坝体防渗墙的连接采用C20钢筋混凝土防渗墙结构,混凝土防渗墙伸入C20钢筋混凝土防渗墙2 m。C20钢筋混凝土防渗墙座落于新鲜基岩上,并设φ 25锚筋,梅花型布置,与基岩形成整体。C20钢筋混凝土防渗墙与混凝土防渗墙接触处设止水铜片以形成封闭的防渗系统,从而达到防渗和加固的目的。

3 防渗墙施工

该工程防渗墙防渗面积4 186 m2,墙长187.2 m。根据工程实际情况,划分为24个槽段,每个槽段长7.8 m。采用间隔分序法施工,先建造1,3号单号槽段混凝土墙,接着造2号双号槽段混凝土墙,依次进行,最终连接成1道防渗墙体。施工主要工流程:施工准备—场地平整加固—构筑导墙施工平台—铺设轨道—组装造孔钻机—槽段造孔—清孔换浆—下设浇筑导管—浇筑混凝土—钻凿接头孔。

3.1 施工平台的布置

抓斗施工平台设置在防渗墙轴线两侧,原坝顶平均宽度只有4.7m,不能满足抓斗所需施工平台宽度的要求,需对大坝进行降坝处理,防渗墙施工完毕后,再恢复至设计坝顶高程。根据实际需要,防渗墙施工平台高程定为30.5 m。首先挖除30.5 m高程以上部分坝体,施工平台宽度约为13 m,再开始制作导向槽,导向槽采用现浇钢筋混凝土连续板梁,尺寸为0.6 m×0.5 m。钻机轨道平行于防渗墙的中心线,上游侧为混凝土浇筑平台,下游侧施工平台要行走重型机械设备、吊机以及修补钻头、排水、出碴等。

3.2 钻孔成槽

该工程防渗墙槽段长度为7.8 m,每个槽段内有9个单孔,其中主孔为直径0.6m的圆形孔,副孔宽度为1.20 m。工程共投入4台CZ-20型冲击式钻机钻孔。采用钻劈法造孔成槽,先钻进主孔,主孔终孔后,对副孔采用十字钻头劈打法施工。对于坝体土及基岩部分均采用冲击十字钻头钻孔。钻机造孔施工控制指标:

(1)槽孔位置和轮廊尺寸。孔位偏差≤3 cm,钻头直径、抓斗宽度不小于设计墙厚。

(2)孔斜。≤O.4%或设计值。

(3)入岩深度。满足设计要求。

3.3 清孔换浆

3.3.1 固壁泥浆的生产与使用

在钻孔成槽的同时开始泥浆的生产。在制浆过程中适当掺加膨润土,改善泥浆性能,所需黏土和水的重量,按试验室提供的配合比进行配制,加量误差值不得大于5%。黏土泥浆采用500 L卧式搅拌机搅拌,搅拌时间不少于30 min。泥浆搅拌后在储浆池内放置24 h以上,待黏土颗粒充分水化、膨化后使用。储浆池内的泥浆,要经常用高压空气喷吹翻动,以保持泥浆性能指标均一。使用安装在储浆池中的3PS泥浆泵,将泥浆输送至槽孔中或混凝土搅拌系统内的储浆桶中。

3.3.2 基岩面鉴定及终孔

当主孔孔深钻到接近地质剖面预测的位置 (或手挟钢绳感觉地层变硬)时,即开始取样,此时可每隔0.5～1.0 m取1次样,当样品中基岩含量为20%～40%时,可初步确定为基岩面,往下钻进每20 cm取1次样。按顺序、深度、位置进行编号。岩样应一次比一次新鲜,最后一次岩样中弱风化基岩成分不少于90%。便可以终孔。副孔可参照主孔深度和基岩面鉴定来确定孔深。

3.3.3 清孔及验收

槽孔钻掘完成后,须在混凝土浇筑前清理干净钻渣。清孔采用掏换方法或泵吸法,即用抽筒从孔底提取废浆,新浆从槽口补入槽内,先浅后深,反复多次,直至槽内浆液、沉淀厚度合格为止。二期槽接头孔在清孔换浆结束前,用专用的刷子钻具刷洗、清除混凝土接头孔孔壁上的泥皮,刷子钻头直径略大于造孔钻头直径,以刷子钻头基本上不带泥屑,孔底淤积不再增加为合格标准,而后进行下一道工序施工。清孔换浆施工控制指标:

(1)接头冲刷。上下提动钢丝刷冲刷,直至钢丝刷不再带有泥屑,测量孔底淤积不增加。

(2)孔底淤积。清孔换浆1 h后孔底淤积厚度≤10 cm。

(3)泥浆性能指标。造孔泥浆密度为1.1～1.2 g/cm3,含砂量＜5%,粘度18～25 s;清孔泥浆密度为 1.1～1.15 g/cm3,含砂量＜5%,粘度18～20 s;清孔验收抽样泥浆(距孔底1.0 m取样)密度≤1.3 g/cm3,含砂量≤10%,粘度≤30 s。

3.4 混凝土浇筑

防渗墙低弹模混凝土的配合比根据试验确定,试验配合比为 (水泥:339 kg、砂:690 kg、碎石:878 kg、膨润土:85 kg、水:362 kg、外加剂:4.24 kg)。混凝土从搅拌站出料后,用拖式混凝土泵直接输送到施工平台的储料斗里,通过储料斗的卸料槽流入导管漏斗。混凝土浇筑采用“直升导管法”,导管2套,导管内径为φ 250 mm,壁厚4 mm,间距3 m。导管组装后,进行密闭承压试验,提升导管采用吊机作业。浇筑过程控制指标:

(1)导管埋入混凝土的深度不得小于1m,不宜大于6m。

(2)混凝土面上升速度不应小于2 m/h。

(3)混凝土面应均匀上升,各处高差应控制在0.5 m以内。

(4)终浇高程高出设计高程0.5 m。

3.5 槽段连接

尽量减少墙段的连接缝,增加墙体的整体性。一期槽孔浇筑完毕后,等已浇混凝土达到初凝后,采用套打—钻的方法,使成墙后二期槽孔与—期槽墙体搭接0.6 m,以保证墙体的连续性,且使搭接处满足设计墙厚。

4 防渗墙质量检测

防渗墙质量检测内容包括接头质量、墙体密实性能、渗透性能和混凝土性能等指标是否符合设计要求。检测常规方法有机口取样测定混凝土的坍落度,并制模做抗压强度、抗折强度和弹性模量试验,是否满足设计要求;成墙28 d后,墙体钻孔取芯做混凝土抗压、抗拉、弹模试验和渗透试验,检查墙体的均匀性是否存在缺陷等。

低弹模混凝土均质性和密实性以及槽段和槽段之间的结合情况采用超声波 (RS-ST01C非金属声波仪)进行检测,采用双孔一发一收和单孔的一发双收检测相结合的办法,其中单孔测试作为双孔的单发单收的参考,共对5,6,17号槽段共3个孔进行了检测 (详见表2)。检测结果表明,所有孔段混凝土波速正常,均质性、密实性好。

表2 3个对孔的声速范围及其统计值汇总表

5 结 语

低弹模混凝土防渗墙应用于西岙水库维修加固工程中,从实际效果来看,有效解决了大坝坝体、坝基渗漏问题。实践表明:这种技术具有施工速度快,施工质量可靠,防渗墙防渗性能好,弹性模量低,极限变形大,与周围土体变形协调等诸多优点,在小型水库维修加固工程中值得推广。随着低弹膜混凝土防渗墙技术的迅速发展,施工设备的不断创新和完善,其用途将日益广泛。