礁石滩块石填海围堰防渗墙施工技术研究

欧阳小平，巨伟涛，杨 磊

(1.中国葛洲坝集团基础工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

1 研究背景

核电站防渗墙大多是建造在防波堤或填海临时围堰上，围堰为抛填块石、巨石堆积而成，防渗墙主要为隔断海水，为核电站地下构筑物提供干地施工作业环境。填海块石层防渗墙造孔技术从20世纪90年代末岭澳核电站开始使用以来，先后在田湾核电站、阳江核电站、台山核电站、宁德核电站、红沿河核电等核电站的建设中得到推广应用。填海块石层防渗墙施工技术研究虽然起步较晚，但随着多个沿海核电工程防渗墙的建设得到不断发展和成熟，国内学者针对该问题的研究不断涌现。张聚生等[1]在岭澳核电站防波堤块石层防渗墙造孔技术的研究为核电站填海围堰防渗墙提供了施工经验；李永琳[2]在辽宁红沿河核电厂防渗墙施工中采用的漏失地层造孔控制技术，克服成槽塌孔漏浆的难题；黄祥平等[3]结合循环钻进成槽法在猴子岩水电站围堰防渗墙施工中的应用，改进传统造孔工艺，有效避免了块石地层造孔卡钻、埋钻、漏浆、塌孔等事故的发生。

以往的核电站填海块石围堰大多建在淤泥、黏土、全强风化等地层上，该类防渗墙成槽工艺常规做法为采用“钻劈法”或上部回填层采用“钻劈法”下部淤泥、黏土、风化软岩可采用“抓斗法”或“两钻一抓法”。固壁泥浆采用膨润土浆或黏土浆，同时采用回填黏土堵漏。防渗墙底部深入全强风化岩或中微风化岩等相对不透水层，墙下与基岩结合紧密，渗漏风险较低，往往无需再进行墙下帷幕灌浆处理。而陆丰核电站一期泵房填海围堰底部覆盖层薄，围堰大部分直接建在礁石、孤石和裸露的基岩上，而且海底岩面起伏大，基岩表面风化裂隙和海蚀沟众多，礁石林立，块石堰体与基岩间缺失淤泥、黏土、全强风化层等相对不透水层，缺乏天然水平防渗铺盖，渗径短。防渗墙成槽采用以往常规施工方法存在漏浆量大、塌孔、墙下渗漏或绕渗等风险。本文以陆丰核电泵房围堰防渗墙施工为背景，通过成槽工艺、塌孔处理、局部灌浆处理、塑性混凝土材料配比和防渗墙质量检验等几方面对礁石滩填海围堰的防渗墙施工技术进行了研究。

2 工程简介

陆丰核电站一期泵房围堰防渗墙主要目的是为泵房负挖、排水虹吸井和排水隧道口工作井实现干地施工。防渗墙位于填海围堰上，轴线总长488 m，最大墙深36.6 m，墙厚0.8 m，墙体材料采用塑性混凝土，抗压强度≥1 MPa，抗拉强度≥0.3 MPa，弹性模量E=250～500 MPa，渗透系数≤1×10-7cm/s。所有防渗墙底部按设计要求嵌入中风化花岗岩≥3 m，嵌入微风化花岗岩≥1 m。防渗平台由块径0.3～1.5 m开山石充填石渣填海形成临时围堰，覆盖层部位为砂层和风化土层，层厚0～1 m，部分基岩无覆盖层。基岩为中微风化花岗岩，防渗轴线上原始地貌存在较多礁石，礁石体积大、裂隙多，部分礁石落差大，存在海蚀沟，防渗墙墙下渗漏隐患大。防渗墙地质地貌情况见图1。

图1 防渗墙施工区地貌图

3 施工重点难点分析

(1)地层复杂、钻孔成槽难度大、精度高。特别是围堰填筑为开山石填筑，因此在围堰堰体内必将存在大量的架空层和大块石，极大地加大成槽难度。

(2)防渗墙墙底位于礁石区，礁石的裂隙、沟槽发育，防渗墙墙下渗漏风险极高。

(3)礁石高差错落较大，对防渗墙墙底勘岩的准确性是个极大的考验，防渗墙施工可能存在局部未堪岩或堪岩深度不够的隐患，从而造成局部渗漏。

(4)由于防渗墙轴线全线临海，施工平台为填石围堰，渗径短、渗漏通道多，防渗效果完全依靠垂直防渗墙的可靠性和完整性，一旦出现局部渗漏，可能形成大的管涌，对围堰和基坑安全危害较大，且不易准确查找渗漏点，堵漏困难。

4 施工技术研究与应用

4.1 成槽工艺的改进与应用

由于围堰防渗墙单元槽段成槽施工是在含有大量孤石、块石且结构松散、架空严重的深厚覆盖层中进行的，成槽过程容易产生塌槽事故，液压抓斗、双轮铣等先进的成槽设备不适用于本地层。成槽施工机械设备只能选择传统的冲击钻，冲击钻机机型由最初的CZ-20型发展到CZ-9型和ZZ-6A型，钻具质量由最初的1 t发展到5 t。本工程施工主要选择ZZ-6A型冲击钻机，配备4～5 t平底钻，该钻机破岩能力强，对地层夯实挤密效果好，适合本地层成槽施工。

4.1.2 槽段长度的确定

针对本工程特殊的地质条件，槽段长度的确定对成槽起着关键的作用。如果槽段太长，槽壁自稳性降低且成槽周期长，塌槽事故风险高；如槽段太短，不适合多台设备同时施工，同样成槽周期长，塌槽风险增高，且墙体接头多增加成本。

槽段划分主要是根据成槽功效和钻机设备尺寸来确定。由于块石地层造孔功效约3～4 m/d，功效低，单纯提高设备功效困难，缩短成槽周期只能通过多台设备同时施工同一槽段。由于ZZ-6A型钻机宽度较大，两台钻机并排中心最小间距2.5 m。因I期槽难度较大，槽段划分三主两副，考虑1、5号主孔和2、4号副孔可布置钻机同时施工，副孔长度设为1.5 m，槽长5.4 m；I期槽施工完成后地层相对密实，II期槽成槽相对容易，槽段划分四主三副，考虑Ⅱ期槽1、5、7号主孔和2、6号副孔可布置钻机同时施工，Ⅱ期槽副孔长度设为1.2 m，槽长6.8 m。槽段划分见图2。

图2 槽段划分示意图(单位：mm)

4.1.3 固壁泥浆的选用与改进

防渗墙成槽施工，传统固壁泥浆采用膨润土浆，鉴于本防渗墙工程为块石回填地层，存在块石架空，成槽施工大量漏浆将成为施工中的常态，所以采用膨润土浆无法起到槽孔堵漏的效果，且施工成本很高。经过生产试验，施工中选择了回填黏土自主造浆工艺，上部块石地层槽孔钻进过程中要反复投放黏土，重复造孔，起到挤密孔壁和填堵孔洞，防止出现大量漏浆，威胁槽孔稳定。一旦出现大量漏浆，需要迅速回填黏土或泥渣，并掺加片石，泥渣可流入块石层充填孔洞，片石与黏土可快速堵住大渗漏孔洞，防止槽孔因浆面下降过快而塌孔。

4.1.4 工法的选择及改进

此外，企业的管理层也是直接影响经济管理的重要因素，管理层能否合理称职的履行经济职能可以从财务会计的监督下反映体现，且在这样的监督下管理层的职权能够更加的公正透明，财务更加健康合理化。

根据《水电水利工程混凝土防渗墙施工规范》[4]传统的单元槽段成槽施工方法为“钻劈法”，先钻主孔，再劈打副孔，最后施工小墙。针对本工程地层条件采用传统的“钻劈法”施工，存在以下不足之处：

(1)成槽施工过程中槽孔内易出现卡钻、埋钻事故，由于主孔和副孔孔深相差悬殊，处理难度极大，有时会处理失败；

(2)劈打副孔时容易出现大面积塌孔漏浆，且由于副孔两边主孔已施工，回填黏土堵漏困难，需将两边主孔回填，回填黏土量大。

鉴于以上原因，该地层条件下成槽工艺选择“循环钻进法”[3]，及“平打法”。由于上部块石架空地层极其容易出现塌孔漏浆，需反复回填黏土挤压密实，在上部块石地层中造孔成槽缩短主副孔的高差有利于快速回填黏土堵漏，鉴于主孔需要一定的导向深度要求和钻具高度，主副孔钻进错开2 m。如此提高了回填黏土堵漏的速度和效果，并挤压密实槽壁，节约黏土用量。“循环钻进法”施工工法见图3。

4.1.5 槽孔坍塌的处理

该地层防渗墙施工难免出现部分槽孔坍塌，如何处理塌槽成为施工的难题。塌孔往往为上部块石回填层，塌孔会使槽孔形成“漏斗形”或“酒坛型”，回填黏土或石渣料难以使坍塌部位再次形成稳定地层，往往随着槽孔的再次钻进回填部位会再次垮塌，并造成卡钻、埋钻事故。

通过生产试验，块石地层塌槽采用低标号混凝土回填的方法，能有效的控制地层稳定，为二次成槽提供保障。为节约成本，回填的混凝土强度选用5～10 MPa，混凝土骨料可选用石渣、石屑、风化砂等废料，胶凝材料选用水泥、粉煤灰。为减少回填混凝土用量，需先探明塌孔位置，再用黏土或石渣回填至塌孔底部，回填混凝土采用水下直升导管法浇筑，确保混凝土浇筑质量。待回填混凝土达到2 MPa强度以上(约3 d龄期)后可开始二次成槽施工，成槽后，回填部分混凝土可与地层紧密结合并形成槽壁衬砌或拱圈，稳定槽壁。塌孔处理示意图见图4。

图3 循环钻进法施工工法示意图

图4 塌孔处理方法示意图

4.1.6 局部特殊地质部位采取的措施

防渗墙在施工过程中,通过先导孔基岩取芯和基岩压水试验，发现A19、A23、A38号槽遇到大孤石，A9～A12、A56～A57、A80～A81、A88、A93～A94号槽存在基岩面起伏较大，可能存在礁石、海蚀沟、风化槽，基岩完整性差，堪岩判断困难，存在渗漏通道，严重影响防渗效果。经过精确的勘察和多次方案论证，决定在特殊地质情况的槽段增加墙下帷幕灌浆处理以确保防渗效果。帷幕灌浆孔以上部位沿防渗墙轴线单排布置，孔距1m，共计95个孔，分两序施工，灌浆段深入基岩15～20 m，灌浆后基岩渗透系数小于5 Lu，有效控制了墙下基岩渗漏，确保了防渗体系的完整性。灌浆孔布置如图5。

图5 灌浆孔位布置图

4.2 防渗墙塑性混凝土墙体材料研究及应用

由于本工程塑性混凝土强度低、弹性模量小、抗渗要求高，以往采用砂石骨料为主的塑性混凝土弹性模量和抗渗系数较难达到设计要求，根据《水工混凝土配合比设计规程》[5]和《水工混凝土试验规程》[6]对混凝土配合比室内试验，采用以砂石为骨料、石屑和石子为骨料、全部石屑为骨料3种骨料不同组合进行混凝土配合比试验[7]，试验结果表明石屑骨料塑性混凝土既满足了设计指标要求，在水胶比相近的情况下，石屑骨料塑性混凝土强度小幅降低而弹性模量和渗透系数可大幅减小，更好的满足了低强度、低弾模、低渗透系数的指标要求，而且石屑替代砂石，可大幅降低混凝土成本，取得较好的经济效益。混凝土配比及试验结果见表1、2所示。

表1 塑性混凝土配比选择结果

表2 塑性混凝土物理力学性能指标试验结果

5 防渗墙质量检验

5.1 防渗墙混凝土取样检测结果

防渗墙混凝土取样检测结果见表3。

表3 防渗墙砼试块检测结果统计表

5.2 防渗墙墙体防渗性能检测

(1)墙体注水试验检测。防渗墙工程完成后，混凝土龄期满足28 d后进行注水检查，每隔100 m内布置一个注水孔，共布置5个注水检查孔，注水试验结果均满足设计要求。墙体注水试验结果见表4。

表4 墙体注水试验结果统计表

注：设计要求塑性地连墙墙体材料28 d龄期指标应满足渗透系数K≤1×10-8cm/s。

(2)墙体孔内彩电观测。为进一步判断墙体混凝土密实性和完整性，抽取部分槽段进行了孔内摄像进行直观分析，由孔内图像判断分析，塑性混凝土防渗墙检查孔孔壁光滑，墙体浇筑均匀密实，完整性较好，表明成墙质量基本完好。部分孔内摄像效果如图6所示。

图6 部分槽段孔内摄像效果图

(3)基坑开挖后墙体渗水观测。泵房基坑开挖完成后，在基坑内防渗墙侧设置排水沟和集水坑对墙体渗水进行抽排，架设50 m3/h水泵日夜各抽水1次，每次抽排约1 h即可达到排水平衡。通过基坑排水观测，基坑渗水量约100 m3/d，墙体防渗效果良好，基坑排水量较小，满足了泵房干地施工条件。基坑开挖完成后渗水情况见图7。

5.3 防渗墙墙体变形观测

本工程沿防渗墙轴线每30 m布置一个测斜孔，共布置测斜孔16个，在泵房基坑开挖过程中对防渗墙变形进行不定期监测，测斜成果如表5所示。

根据防渗墙设计技术规格书要求，在内部子项施工期间需加强对防渗墙变形检测，设计要求防渗墙最大水平位移控制值为20 mm，报警值为15 mm。本工程墙体最大水平位移5.29mm，符合设计要求，墙体变形控制良好。

图7 基坑开挖渗水情况图

孔号A11-7A18-5A26-1B32-1B36-5B42-7B48-1B52-7最大水平位移/mm0.883.324.774.7343.965.293.66孔号B63-5B72-1A78-5A84-7A88-5A94-1A98-7A102-5最大水平位移/mm3.633.923.943.982.831.821.621.21

6 结 语

通过礁石滩填石围堰防渗墙施工技术在陆丰核电一期泵房围堰防渗工程中的应用，对防渗墙各项质量指标的进行了检测，得出以下结论。

(1)在块石围堰地层中采用的防渗墙成槽工艺在传统工艺的基础上根据实际地层情况进行了改进，采用“循环钻进法”的成槽工艺、反复回填黏土掺片石自主造浆和挤密堵漏的固壁方法、低标号混凝土塌孔处理方法，有效解决了块石地层成槽泥浆漏失量大，塌孔严重的施工难题，成槽质量可靠，对类似地层的防渗墙成槽施工有一定的指导意义。

(2)针对礁石滩填石围堰的特殊地层情况，局部采取补充墙下帷幕灌浆的方案可进一步规避因礁石裂隙、海蚀沟、风化槽等造成防渗墙墙下渗漏的风险，确保防渗墙与基岩完整闭合。

(3)采用的石屑替代砂石为骨料的塑性混凝土，质量指标能满足设计和规范要求，墙体抗渗效果好，且可降低混凝土材料成本，在围堰塑性混凝土防渗墙中可推广应用。

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[1] 张聚生，孔祥生，杨永强.岭澳核电站防波堤块石层防渗墙造孔技术[J].水力发电，1999,(11)：18-19.

[2] 李永琳.辽宁红沿河核电厂塑性混凝土防渗墙施工关键技术[J].武汉大学学报(工学版)，2010,(s1)：471-474.

[3] 黄祥平，周昌茂，何 英，等.循环钻进成槽法在围堰防渗墙施工中的应用[J].人民长江，2014,(4)：60-62.

[4] DL/T5199-2004,水电水利工程混凝土防渗墙施工规范[S].

[5] DL/T5300-2005，水工混凝土配合比设计规程[S].

[6] SL352-2006,水工混凝土试验规程[S].

[7] 张胜强，杨 磊，李佳伟，等.掺石渣粉塑性混凝土配合比试验研究与应用.长江科学院院报，2016，33(5)：116-120.