福堂水电站闸首混凝土防渗墙的施工与监理

王东冬,廖 屹

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司,四川 成都 610072)

1 前 言

福堂水电站采用低闸、长引水洞、地面式厂房开发,主要任务是发电,电站总装机 4×90MW。首部拦河闸坝防渗由悬挂式混凝土防渗墙和帷幕灌浆组成,坝基地层结构复杂,覆盖层埋深较大,土体均一性差,透水性强。首部枢纽混凝土防渗墙工程长131.5m、厚 1.0m,布置在闸前栏 0-015m桩号铺盖混凝土下部,其中,在河床(闸)0-11.23～(闸)0+075.5m采用悬挂式,深度 42m,左右岸基岩连接嵌入基岩深度为 1.5m,防渗墙总体成墙面积为4553m2,成墙混凝土 6250m3。

2 地质条件

河床部位防渗墙轴线地层自下而上分为六层(见图 1):

(1)第①层为含(漂)碎(卵)石层,冲、洪积混合堆积,分布于河床底部,下伏基岩,层厚一般 25～50m。块卵石成分以花岗岩、闪长岩为主,块(漂)石粒径一般 20～35cm,最大可达 130cm。此层结构不均一,较密实,透水性中强,局部架空处透水性强。

(2)第②层为粉质砂及粉质土层,浅黄色,堰塞湖相沉积,分布于谷底中部,铺满整个河谷,层厚一般 6.75～11.0m,局部厚仅 2m。

(3)第③层为漂卵石层,现代河床冲积层,分布于河床中上部,一般厚 20～25m。漂卵石成分以花岗岩为主,结构不均一,较松散,具中等～强透水性,局部架空处透水性极强。

(4)第④层为微含粉质砂土及含砂粉质土层,分布于河床上部,层厚一般 2～3.5m。

(5)第⑤层为漂卵石层,分布于漫滩及谷床顶部,一般厚 6～11m。漂卵石成分以花岗岩、闪长岩为主,漂石粒径一般 20～27cm,最大 1.2m。结构不均一,较松散,透水性中等～强,局部透水性极强。

(6)第⑥层为右岸粉细砂层,在(闸)0+035.00～(闸)0+055.00m之间上部 0.5～1.5m以下全是中粗砂层,无胶结,松散;在(闸)0+055.00～(闸)0+105.00m之间上部0～10m为粉细砂层,中间含泥,松散。

3 工程设计

施工中河床及右岸防渗墙中心线桩号由(拦)0+003m移至(拦)0-015m,往右岸与基岩相接,防渗墙与防渗帷幕形成搭接。左岸从桩号(闸)0+035.5m向下游转折,穿取水闸～排砂闸之间的连接墙与左岸基岩相接,深入基岩 1.5m。施工平台高程1247m,墙底高程 1205m,最大墙深为 42m。设计墙厚 1.0m。混凝土强度 C20,抗渗等级≥W8,抗冻等级≥F50,弹性模量 2.0×104～2.55×104M Pa。

4 防渗墙施工

图1 防渗墙轴线地质剖面

经监理审定施工程序分Ⅰ、Ⅱ期槽孔段先后施工,分段接头处套打一钻连接成墙。工序为:Ⅰ期槽孔施工→Ⅰ期槽孔终孔验收→Ⅰ期槽孔清孔施工→Ⅰ期槽孔清孔验收→Ⅰ期槽段浇筑成槽→Ⅱ期槽孔施工(程序内容同Ⅰ期)→Ⅰ、Ⅱ期槽段接头处套接成墙→左右岸墙段连接成墙。

(1)依据审批的《首部枢纽坝轴线控制测量方案》,按设计要求的参数,采用日本 SET2110全站仪进行现场槽孔放样定位。

(2)槽孔段长一般为8.2m,最小 5.3m,最大10.6m,共划分为 19个槽段。

(3)选用CZ-30型冲击钻机造孔,采用钻劈法施工。遵循先主孔钻进、后劈打副孔成槽的原则,以奇数孔为主孔、偶数孔为副孔。两岸主孔造孔深度取决于基岩埋藏深度(由设计单位根据现场地勘资料确定)。

(4)槽孔施工中几种特殊情况的处理

①导向槽宽度缩窄处理:因设计需要,导向槽宽度大于 1.4m(实际平均宽度为 2.0m),不能满足施工操作安全要求,故对导向槽进行缩窄处理,即在导向槽之间架设方木(或钢轨和铁板),使导向槽宽度达到 1.2m。

②塌孔处理:在施工中9、13、14号槽段出现了不同程度的塌孔现象,除调整泥浆配比、防止钻机平台积水外,主要是对出现塌陷的钻机平台搭建钢结构,利用黏土袋封堵后,浇筑混凝土或填筑砂石料。

③孤石的处理:在14、15、16号槽段施工中遇有孤石,采取了定向爆破、加重钻具重量、在钻具脚上补焊耐磨块,增大钻具硬度等措施。

④对架空层的护壁措施:回填黏土块(球);加比重大、粘度高的泥浆;加入外加剂,如高分子材料钠羧钾基纤维素(C.M.C)增加粘度;填入锯末、压碎的稻草、玉米杆;劈打副孔时不用接渣斗,边劈边向主孔内分层填入黏土,然后用钻头对主孔进行冲击挤压,使槽壁密实。

⑤漏浆的处理措施:若发现漏浆即中断造孔作业,迅速向槽孔内加注泥浆,保持浆面高度。必要时向泥浆中掺加粗锯末等堵漏剂。向孔底投放黏土、水泥等能加大泥浆粘度或使泥浆絮凝的材料。当漏浆通道过大散料堵不住时,则投放砂、整袋水泥、膨润土、批量黏土球、袋装水玻璃等,并用钻头捣实。

(5)振冲加固处理施工质量控制与评价

①在首部枢纽右岸防渗墙施工中,开挖揭露在闸前 23、20号铺盖下和防渗墙上游范围,即(拦)0-013.50～(拦)0-028.50m、(闸)0+103.50～(闸)0+068.70m段存在厚度达6～9m的粉砂层,该砂层呈浅灰黄色,粘粒含量 4.2%～12.9%,粉粒含量 3.5%～57.5%,d50=0.026～0.14mm,标贯击数 N63.5=4～13击,经综合判别,在7～8度地震下属于易液化砂层。

针对这种情况,设计提出了对该范围粉砂层振冲加固处理,技术要求:

a.振冲深度为穿透砂层的深度。

b.挖槽后回填的级配料应便于振冲施工并保证在经过振冲处理后防渗墙造孔不塌孔,可采用二级配或三级配混凝土的骨料。

c.振冲布置距离上游高边坡不小于 2m,施工时应注意观测边坡稳定情况,控制电流和水压,避免边坡失稳。

d.要求振冲加固后桩间土相对密度大于 0.75,标贯击数满足表1数值。

振冲法加固软弱地基的基本过程,是利用一种能同时进行振动和冲水的机具,一面振动一面射水,振冲器沿着振冲造成的孔穴逐渐深入待加固的地层中,直达设计深度。然后,一面继续振动,一面提升,再将置换料(一般可用砂砾石、碎石,废混凝土块,矿渣等无侵蚀性和化学反应的硬粒料)回填到振冲孔中。借助振冲器的水平振动和垂直振动,一方面把振冲器周围一定影响范围的土层颗粒挤密,孔隙水排出(使孔隙水聚积冲穴周边,而稍远些范围内的土层变密实);另一方面又把硬粒料挤进冲穴周壁,最终形成置换桩。这样使混凝土防渗墙施工安全度及防渗墙本身的可靠性有所提高,即使原来的地层变为密实度提高、排水固结性好的复合地基,承载能力显著提高。

表1 标贯击数要求

②振冲加固处理的施工质量控制情况。振冲加固处理施工工艺流程如下:测量现场放样顶桩位→开挖桩窝→振冲器就位打开水口→启动振冲器造孔→清孔→提出振冲器→充填石料→振动挤密→标贯击数检测振冲密实度→验收。

右岸粉砂层振冲加固处理的施工分两期进行,第一期施工(拦)0-013.50～(拦)0-018.00m段,即1～89号孔;第二期施工待右岸防渗墙完工后进行,范围为(拦)0-019.50～(拦)0-028.50m段,即 90～167号孔。施工振冲桩采用等边三角形布置桩位,中心间距 1.5m,桩径 0.9m,置换率 0.33,全长按等边三角形柱下布桩,共 167桩。

a.填充料从施工单位的大溪沟拌和系统集料场取料,填充料级配为二级配。

b.施工设备采用 ZCQ-55型振冲器,配 8t汽车吊施工。

c.振冲桩位采用全站仪现场放样定位标签。

d.冲孔施工按冲击下降 0.5m量程后停留振冲30s的方法,逐层下降停留振冲直至孔深穿透砂层2m后终孔。经监理工程师验收确认后,进行下道工序施工。

e.振密加固施工按单孔从孔底以0.5m的量程提升→填料→下降振冲的方法反复循环施工。在配电柜内设两只电流表,在8t汽车吊操作室内设一只电流表,配电柜处每班均安排一名施工技术员监控振密电流。每一量程直到三只电流表的振密电流达到设计要求的80～100A,并在稳定时间(≮20s)后结束。单孔按0.5m的提升量程依次反复振密加固至孔口结束。

③粉砂层振冲加固处理的施工质量评价。振冲施工共完成造孔 846.8m,回填碎石 1049.18 m3。振冲施工完成后,由监理工程师主持、施工单位配合,采用动探标贯击数法检测密实度。其动力触探检测设备的标称击锤重量 63.5kg,探头直径 76mm,钻杆直径 42mm,随机抽取 6个孔进行了检测。检测结果表明,标贯击数远大于设计要求的击数,施工质量满足设计要求(见表2)。

表2 振冲碎石桩标贯击数检测成果

振冲加固处理共分为 4个单元工程,根据现场监理过程情况和最后的标贯击数法检测综合评定,评定为优良的为 4个单元,合格率 100%,优良率100%,达到了设计要求。

5 施工质量控制要点

根据施工技术规范要求,工序质量检测项目有混凝土防渗墙单孔基岩面鉴定、混凝土防渗墙造孔质量检测、混凝土防渗墙清孔验收、混凝土浇筑质量控制四个部分。

5.1 基岩面鉴定

在设计入岩槽段,墙体底部须入岩至少 1.5m。为此,采用了小口径地质钻机取芯结合冲击钻取样法鉴定基岩顶面及入岩深度。用地质钻取芯鉴定基岩面共 3个孔,对每个入岩槽段的各个孔均进行了取样,准确地确定基岩埋伏线。

5.2 造孔质检

施工过程中严格控制孔位偏差和孔斜,采用日本 SET2110全站仪进行现场放样定位,采用“重锤法”随时监控孔斜率。在施工过程中,孔位中心偏差经检测均不大于 3cm、孔斜率不大于 0.4%,对漂石、孤石含量较高的地层孔斜率均控制在不大于0.6%的范围内。一、二期槽孔套接孔的两次孔位中心在任意深度的偏差值均不大于 1/3墙厚并采取相应的措施保证设计墙厚。主要检查方法是:将符合设计要求的钻头放入槽孔中任意高程,在槽孔中来回拖动以检查槽孔任一水平断面上有无梅花孔、探头石和滤浪形小墙等。经检查,施工质量符合设计和规范的要求。

5.3 清孔质检

终孔验收后进行清孔换浆,清孔换浆结束后,用抽筒抽取孔底泥浆,采用泥浆测试仪检查清孔换浆质量。包括孔底泥浆性能(要求:密度≤1.3g/cm3、粘度≤30s,含砂量≤10%);采用自制测饼测量孔底淤积厚度(要求:≤10cm);采用钢刷钻头检查接头孔混凝土壁刷洗质量(要求:刷子钻头基本不带泥屑,孔底淤积不再增加)等。

5.4 混凝土浇筑控制

主要检查混凝土坍落度,入孔时 18～22cm,保持 15cm以上时间不小于 1h);初凝时间不小于 6h,扩散度 34～40cm,骨料粒径最大不大于2cm,级配为一级配。在浇筑过程中至少每隔 30min用测针测量一次混凝土面上升高度,将各处混凝土高差控制在 50cm以内,控制导管拆卸,控制导管埋入深度在1～6m之间,混凝土上升速度不小于 2m/h等。

6 防渗墙施工质量综合评价

在监理的督促和检查下,施工过程中存在的问题及时得以解决,经过对各项检查试验数据的统计分析,防渗墙施工质量满足规范和设计要求:

(1)对19个防渗墙槽孔检测统计,中心位置偏差为0～2.0cm,平均偏差1.03cm,孔斜率为0%～0.39%,平均为0.25%,满足规范孔位偏差小于3cm和孔斜小于 0.4%的要求。

槽孔深度,河床部位除根据设计人员现场鉴定,孔底地层性状符合设计要求以外,实际造孔深度均大于设计要求的 42.0m,平均为 42.3m,两岸槽孔深度插入基岩大于1.0m,实际平均大于1.5m,符合设计要求。各槽孔的宽度均大于1.0m的设计值。

Ⅰ、Ⅱ期槽孔套孔两次孔位中心在任意深度的偏差值均不大于 1/3墙厚,槽孔任意高程的水平断面上均无梅花孔、探头石和小墙等。

(2)对各槽孔的清孔检查验收(在清孔换浆后1h进行):孔底淤积厚度 1～5cm,平均 2.85cm,小于 10cm;孔内黏土泥浆密度为 1.06～1.18g/cm3,平均 1.12g/cm3,小于 1.3g/cm3;孔内黏土泥浆黏度为 18～24s,平均 19.63s,小于 30s;孔内黏土泥浆含沙量为 1%～4.2%,平均 2.15%,小于 10%。清孔验收各项指标均满足规范要求。

(3)为保证混凝土质量和防渗墙成墙质量,监理对混凝土配合比进行了认真审查,对混凝土原材料质量、混凝土生产拌和和浇筑施工进行了全过程跟踪检查。

从原材料检测结果看,防渗墙混凝土所用砂石骨料系以花岗岩为母岩加工的人工砂石料,骨料质地坚硬,品质较好,但粗骨料的超逊径含量有超标的现象,人工骨料基本满足要求。防渗墙混凝土所用水泥、粉煤灰和外加剂质量,不仅均满足国家标准的技术要求,而且质量稳定。

根据设计要求,混凝土应是强度等级为 C20(90天抗压强度不低于 25MPa)、弹性模量 2.0×104～2.55×104MPa、抗渗等级 ≥W 8、抗冻等级 ≥F50、混凝土入槽坍落度 18～22cm、扩散度 34～40cm的流态混凝土。

混凝土机口随机取样检测结果见表3。

表3 防渗墙混凝土物理力学性能试验结果

表4 混凝土上升速度、塌落度检测结果

表3表明,混凝土拌和质量满足设计和施工规范要求。

(4)混凝土浇筑过程中,混凝土上升速度、塌落度等的检测结果均满足规范要求(见表4)。

(5)防渗墙混凝土芯样的物理力学试验评价。经设计、监理共同随机布孔,对防渗墙 4、15号槽段及6～7号、8～9号接头孔进行了地质钻孔取芯,取芯获得率达 96%,芯样光滑致密呈灰色,混凝土胶结密实,无明显的孔洞、气泡。接头孔局部缝面(0.5m以内)存在厚度约 0.5～1.0mm的泥质充填物,其余部分槽段结合紧密,无明显杂物充填。对 2个接头孔进行注水试验,透水率为 0。

同时对4、6、7、15号槽段的芯样依三种情况按外观相对较差、居中和较好进行力学试验(其中每孔取抗压强度3组、抗渗和弹性模量各1组),混凝土的抗压强度最大值 34.6MPa、最小值 21.7 MPa、平均值 28.2MPa,合格率 100%,均方差 3.77,离差系数0.134,强度保证率 98.54%;抗渗和抗冻指标分别为 ＞W 8、＞F50;弹性模量最大值 3.71×104MPa,最小值 2.76×104MPa,平均值 3.32×104MPa。除弹性模量偏大外,其它均满足设计要求,混凝土生产质量等级属良好水平。

弹性模量偏大的原因,除与骨料的力学性能有关外,还由于水泥用量增加,混凝土弹性模量随抗压强度的增加而增加。若用弹强比(弹性模量与抗压强度之比)进行比较,设计要求抗压强度等级为C20,弹性模量 2.0×104～2.55×104MPa,弹强比1∶1000～ 1∶1275,平均为 1∶1138;现场机口取样抗压强度平均 26.0MPa,弹性模量平均值 3.04×104MPa,弹强比 1∶1169;混凝土芯样抗压强度平均值 28.2MPa(龄期约 90天),弹性模量平均值为3.32×104MPa,弹强比 1∶1177。分析表明 ,防渗墙混凝土虽然机口取样和芯样的弹性模量大于设计要求,但其抗压强度也同样大于设计要求,三者的弹强比是相近的,符合一般规律。

(6)钻孔注水试验。在监理工程师指导下对 6～7号糟段和 8～9号槽段结合部的两个质量检查孔进行了现场注水试验,其中 6～7号槽段渗透系数 k≤l0-7cm/s,8～9号槽段渗透系数 k≤10-7cm/s,施工质量符合设计要求。

7 结束语

福堂水电站闸首 lm厚的混凝土防渗墙是岷江流域深厚覆盖层建造的第一道厚壁墙,在施工中要穿过粉细砂层、巨漂石和涌砂层及井壁坍塌、架空严重、漏浆和陡坡嵌岩等地层,具有孔斜、孔径不易保证,清孔困难多,混凝土浇筑强度高,工期紧,质量控制难度大等特点,在参建各方共同努力下,工程保质按期完成。按照规范对工序质量的现场评定等级和观测试验成果,混凝土防渗墙施工质量符合设计和现行规范要求,19个单元工程依据 SDJ249-88标准评定,合格率为 100%,优良率 100%。根据单元工程质量评定及混凝土随机取样强度试验结果、混凝土防渗墙钻机取芯试验结果及对质量检查孔的注水试验测试结果,充分证实混凝土防渗墙分部工程施工质量完全满足设计及规范要求,施工质量达到优良标准,为后续大坝施工乃至工程完建投运创造了良好施工条件。