液压抓斗纯抓法造槽建造混凝土防渗墙施工工艺在紫云山水库加固工程中的应用

2014-12-24黄伟军王元旦

湖南水利水电 2014年6期

黄伟军王元旦

（江西省水利水电建设有限公司南昌市 330025）

1 工程概况

紫云山水库位于江西省丰城市南部的铁路镇境内，距丰城市区50 km，坝址坐落在鄱阳湖环湖区清丰山溪水系上游，水库集雨面积77.04 km2，水库总库容1.2 亿m3，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电、养殖等综合利用的大（Ⅱ）型水库。该工程于1958年9月动工兴建，1960年3月基本建成并投入使用，后经多次扩建和加固达到现有规模。紫云山水库枢纽工程现由主坝、1#～6#副坝、溢洪道、灌溉发电隧洞、电站及灌溉渠首等建筑物组成。

主坝为均质土坝，坝顶高程88.00 m，最大坝高25.50 m，坝顶长380.00 m，坝体填料为坝肩附近两岸山体的残坡积层和花岗岩的全风化层；副坝均为均质土坝，位于水库左岸地表分水岭一带的低山鞍部等低洼地带，1#副坝坝顶高程88.00 m、最大坝高14.00 m、坝顶长34.00 m，2#副坝坝顶高程89.00 m，最大坝高6.34 m，坝顶长32.40 m。

主坝河床坝段坝基为第四系冲洪积物，下覆基岩为燕山期花岗岩，两岸为基岩。钻孔资料揭示河床坝段坝基第四系冲洪积物残留厚度为（5.0～12.00）m，自上而下分别为：上部为全新统冲击物（alQ4），为局部夹细粒土或卵砾石的中粗砂；下部为上更新统洪积物（plQ3），具有典型的上细下粗的二元结构特征，上为（1.0～5.0）m 厚砂壤土（plQ32），下为（2.0～5.0）m 厚夹少量细粒土的含卵砾石砂层（plQ31）。

坝基出露基岩为燕山期花岗岩。按其风化程度可划分为全风化带、强风化带、弱风化带以及微新岩体四个带。全风化带基岩主要分布在两岸坝肩，河床仅局部分布；强风化基岩普遍分布于河床坝段及两岸坝肩部位，透水性中等。

紫云山水库主坝存在的主要问题是坝体填筑质量差，其压实度和透水性不能满足规范要求；坝肩全强风化基岩层具有中等透水性；河床坝基清理不彻底，存在坝基渗漏问题。副坝存在的主要问题是坝体填筑质量差，其压实度和透水性不能满足规范要求；施工时坝基未作清基处理，坝基全强风化层以及上覆残坡积层具有中等透水性，易形成坝基、坝肩渗漏的通道。

2 防渗加固设计

2.1 坝体防渗加固设计

主坝坝体防渗加固采用混凝土防渗墙方案。混凝土防渗墙轴线布置在坝轴线上游侧1.5 m 处，防渗墙穿过坝基覆盖层，嵌入强风化基岩1.0 m，墙顶高程为86.00 m，最大墙深36.00 m，轴线长度410.0 m。防渗墙墙体混凝土为塑性混凝土，防渗墙厚度D 按下式计算：

式中 D——防渗墙厚度（m）；

H——防渗墙的作用水头（m）；

[J]——防渗墙容许水力比降，取[J]=60。

经计算，为便于防渗墙施工成槽并类比其它工程经验，确定混凝土防渗厚度为60 cm。其墙体塑性混凝土的物理力学指标要求：抗压强度：R28≥10.0 MPa；弹性模量：E＜15 000 MPa；抗渗等级：W6；允许渗透比降：[J]＞60。

1#副坝和2#副坝坝体防渗加固采用与主坝相同的混凝土防渗墙方案处理。

防渗墙内的帷幕灌浆孔采用在防渗墙内预埋Φ110 mm 钢管方案。

2.2 坝基（肩）防渗加固设计

主坝和副坝（1#、2#、3#、5#、）坝基（肩）防渗加固采用帷幕灌浆防渗处理，帷幕灌浆轴线与坝体塑性混凝土防渗墙轴线重合，帷幕灌浆孔底部伸入基岩5 Lu 线以下5.0 m，帷幕灌浆防渗标准为透水率q≤5 Lu 控制。帷幕灌浆采用单排布孔，孔距2.0 m，分3序孔施工。防渗墙下帷幕灌浆在该部位混凝土防渗墙施工结束28 d 后进行，防渗墙下帷幕灌浆钻孔孔径为76 mm。

3 防渗墙造槽施工方案选择

国内建造混凝土防渗墙槽孔的主要施工设备有CZ 系列冲击式钻机、冲压式反循环钻机、回转式钻机、钢丝绳抓斗机、液压抓斗机、液压铣槽机、射水法造槽机等。在这些造槽设备中，造槽施工速度最快的是德国宝峨GB 系列液压抓斗机和德国宝峨BC30型液压铣槽机，同时它们都配置了先进的电脑自动测斜和纠偏控制系统，设备性能好。宝峨GB 系列液压抓斗机与宝峨BC30 型液压铣槽机比较，BC30 型液压铣槽机是一种大型防渗墙施工机械，设备造价昂贵，国内极少，自重达l00 t，并且需要配置BE500型泥浆净化配套设备，因此它不适用于水库除险加固这样的小型工程施工。

宝峨GB30 型液压抓斗机虽然其价格比国产的各种造槽设备贵很多，但是它在国内各行业中都已普遍使用。它的最大成槽深度可达60 m，最大成槽宽度可达1.2 m，主机自重只有47 t，配置有自动测斜和纠偏装置，成槽垂直度好，抓斗斗体重量大、闭合力大并具有冲击功能，卷扬机配置有自由落钩装置，可以使用抓斗冲击坚硬地层，能够有效地在坚硬地层中成槽（设计要求防渗墙底部伸入坝基强风化基岩1.0 m），并且施工效率高、设备运行成本低。因此，宝峨GB30 型液压抓斗机较适用于水库除险加固工程施工。

宝峨GB 系列液压抓斗机与CZ 系列冲击式钻机、冲压式反循环钻机、回转式钻机、钢丝绳抓斗机等常规造槽设备比较，具有造槽施工速度快；槽孔垂直精度高；造槽机械与人力资源投入最少、固体排渣，壁泥浆用量也最少，施工成本少；固体排渣，无环境污染；施工无振动，对槽孔的孔壁稳定性和坝体的安全基本无危害等优势。

综上所述，宝峨GB30 液压抓斗机的抓斗斗体重量大、闭合力大并具有冲击功能，卷扬机配置有自由落钩装置，可以使用抓斗冲击坚硬地层，能够有效地在坚硬地层中成槽，自身能解决设计要求的防渗墙底部伸入坝基强风化基岩1.0 m 的入岩造槽问题。因此本工程防渗墙槽孔建造采用宝峨GB30 液压抓斗纯抓法造槽工艺施工。

4 防渗墙施工

4.1 施工程序

紫云山水库除险加固工程混凝土防渗墙工程施工程序为：施工准备→坝体混凝土防渗墙施工→坝基（肩）帷幕灌浆施工→施工质量检查。

4.2 混凝土防渗墙施工

4.2.1 施工工艺流程

混凝土防渗墙的施工工艺流程为：修筑混凝土导墙和施工平台→划分槽段→抓取Ⅰ工期槽孔→清孔换浆→下设接头管和混凝土浇筑导管→浇筑Ⅰ期槽孔墙体混凝土→抓取Ⅱ期槽孔→清孔换浆→下设接头管和混凝土浇筑导管→浇筑Ⅱ期槽孔墙体混凝土。工艺流程详见图1。

图1 混凝土防渗墙施工工艺流程图

4.2.2 槽段划分

紫云山水库除险加固工程混凝土防渗墙拟分两期槽段施工，根据紫云水库坝体填料的土质条件，结合以往类似坝体混凝土防渗墙槽孔划分的施工经验，划分一期槽段的长度为7.1 m，二期槽段的长度为5.9 m。槽段划分平面布置示意图见图2。

图2 槽段划分平面布置示意图

4.2.3 施工方法

（1）修建混凝土导墙。槽口导墙采用现浇混凝土方式修建，槽口中心线与防渗墙轴线重合布置，槽口宽0.70 m，导墙混凝土浇筑断面为高1.2 m，宽0.3 m，导墙内外侧内各等距离布设Ф16 钢筋5 根。

（2）槽孔建造。槽孔建造使用宝峨GB-30 型液压抓斗机分两期槽段施工，先施工I 期槽段，后施工II 期槽段。槽段造槽采用膨润土泥浆固壁纯抓法造槽，每个槽段的造槽施工分3 抓完成，即先满抓槽段两端的土体，最后抓槽段中间剩余的土体。每个槽段的造槽抓槽施工顺序见图3。

图3 每个槽段的造槽抓槽施工顺序示意图

（3）清孔换浆。每个槽段抓槽施工结束后，即进行清孔换浆。清孔换浆的方法是泵吸孔底泥浆清孔，泵送新鲜泥浆换浆。清孔换浆的结束标准是清孔换浆结束后l h，孔底淤积厚度不大于10 cm，孔内泥浆的密度不大于1.2 g/cm3，粘度不大于30 s，含砂量不大于10%。

（4）墙体混凝土浇筑。防渗墙混凝土采用PLD 1 200 自动配料机配料，JS 750 型强制式搅拌机拌制混凝土；混凝土运输采用混凝土泵泵送；泥浆下墙体混凝土浇筑方法为直升导管法，混凝土导管内径为215 mm；I 期槽段与II 期槽段的墙段连接方法为接头管法，采用液压拔管机拔接头管。

5 施工质量控制

5.1 原材料质量控制

水泥、砂和卵石等原材料首先要进行品质检测，只有经检验合格的水泥、砂和卵石才能采购进场。采购进场的水泥必须具有出厂质量证明书，并按每（200～400）t 同品种、同标号的水泥为一取样单位，由监理工程师见证取样，送有资质的单位进行水泥质量复检，检测项目为安定性、凝结时间、抗压和抗折强度；进场砂和卵石按每500 m3为一取样单位送检，检测项目和质量标准执行《水利水电基本建设工程单元工程质量等级评定标准（一）》（试行）（SDJ 249-88）的规定。进场水泥、砂和卵石只有经检测合格后才能用于本工程的施工。

5.2 工序质量控制

施工单位建立健全了工序质量检查制度，实行工序质量检验“三检”制，监理工程师实行全过程旁站监理制，按照《水利水电基本建设工程单元工程质量等级评定标准（一）》（试行）（SDJ 249-88）的规定标准，对坝体混凝土防渗墙的各工序质量进行严格控制。只有上道工序的质量经旁站监理工程师检验合格后，才能进行下道工序的施工，确保了工序质量全部合格。

槽孔垂直度控制方法是利用安装在驾驶室内的彩色电脑触摸屏自动测斜控制系统准确显示的抓斗偏斜度，操作纠偏推板按钮，安装在斗体上的纠偏推板就可实施自动纠偏，以确保槽孔的垂直度。