阿尔塔什水利枢纽工程深厚砂砾石覆盖层混凝土防渗墙施工技术研究

任海军，高元太

(长江科学院 监理公司, 湖北 武汉 430010)

阿尔塔什水利枢纽工程深厚砂砾石覆盖层混凝土防渗墙施工技术研究

任海军，高元太

(长江科学院 监理公司, 湖北 武汉 430010)

阿尔塔什水利枢纽工程是我国在建面板堆石坝工程之一，其深厚的砂砾石覆盖层和庞大的坝体，在施工和运行过程中均会对防渗墙的应力应变产生较大的影响，处理不好直接会影响到大坝整体防渗效果和工程安全。如何在保证施工质量的前提下，优化施工方案，改善防渗墙应力状况，是施工技术研究重点。通过对防渗墙的受力特性、深厚覆盖层的工程特性分析和研究，从防渗墙成墙槽段划分、墙段连接技术、强漏失地层成槽技术和固壁泥浆配比等关键技术上进行优化和改进，有效的消减了防渗墙在坝体填筑和蓄水过程中的应力应变集中，保证防渗墙的成墙质量和运行效果。

阿尔塔什水利枢纽工程；深厚覆盖层；混凝土防渗墙；施工技术

目前世界上在厚度大于70 m的深厚覆盖层上建设坝高超过100 m的水利工程，已有文献报道约15余项，采用混凝土防渗墙的工程已有10座，防渗墙深度超过70 m的工程有7座[1-4]。其中，中国四川冶勒是覆盖层厚度最大的水利工程，覆盖层厚度深达420 m～500 m，坝高125 m，防渗墙最大深度为135 m；深厚覆盖层上建坝最高的水利工程是中国四川瀑布沟，坝高186 m，防渗墙最大深度75 m。新疆阿尔塔什水利枢纽工程采用混凝土面板砂砾石堆石坝，覆盖层厚度最大93.9 m，坝高165 m，防渗墙最大深度90 m，其坝高、覆盖层深度、防渗墙深度均不逊于国内相关工程。深厚的砂砾石覆盖层和庞大的坝体，在施工和运行过程中均会对防渗墙的应力应变产生较大的影响。通过可研阶段的大量研究和论证，最终选择“先建墙，后筑坝”。先施工防渗墙，后填筑大坝，防渗墙在大坝填筑过程中存在向上游的挤压变形，在蓄水过程中又存在向下游的回压变形。

如何采用施工措施，在保证成墙质量的前提下，消除或改善混凝土防渗墙在后期变形中因应力集中而遭到破坏，是本工程建设中应解决的问题。在工程实践过程中，通过对防渗墙后期变形特性分析和研究，从防渗墙成墙槽段划分、墙段连接技术上改善了防渗墙受力状况；通过对深厚覆盖层特性的分析，从强漏失地层成槽技术和固壁泥浆配比等关键技术研究上保证防渗墙成墙质量。

1 坝基深厚覆盖层工程特性

阿尔塔什水利枢纽工程位于昆仑山西段叶尔羌河中游河段，是叶尔羌河流域内最大的控制性山区水库工程，为Ⅰ等大(1)型工程。挡水坝为混凝土面板砂砾石堆石坝，河床覆盖层段趾板采用连接板和一道防渗墙柔性连接，最大墙深90 m，墙宽1.2 m。防渗墙混凝土采用C30W12，上部10 m采用钢筋混凝土。

坝区地层复杂，各时代的地层(除寒武系、二迭系、三迭系的地层缺失外)均有出露。坝址选择在相对稳定的铁克里克断块上，坝区河床基岩面总体呈宽“U”型，见图1。

图1 坝址河床覆盖层深槽形态

坝址河床覆盖层自两岸向中心逐渐加厚，基底岸坡坡角在16°左右，靠近右岸河床中心为一深切的古河槽，其底部宽约15 m左右。覆盖层总体划分为：全新统冲积含漂石砂卵砾石层(Q4)，处于河床上部；中更新统冲积砂卵砾石层(Q2)，处于河床下部，两个岩层以似砾岩的砂卵砾石胶结层为分界面。

2 混凝土防渗墙施工技术研究

在坝体填筑过程中荷载逐步增加，深厚覆盖层的变形也将随填筑高度增加而增加，坝体中最大水平位移与最大沉降也将发生在坝的基底面附近，对于面板堆石坝，趾板与防渗墙的结合部位也将是变形最大的部位，防渗墙的应力集中现象较严重。相比砂砾石覆盖层，防渗墙的刚度要大得多，在填筑荷载作用下，砂砾石覆盖层将产生较大沉降，受墙侧壁与覆盖层的摩擦作用，防渗墙底部将产生较大的压应力，墙顶产生较大的拉应力，加之在填坝过程中覆盖层对防渗墙向上游侧的挤压和蓄水过程中向下游侧的回压，防渗墙顶部的应力特性更复杂。合理的槽段划分和墙段连接技术，可以有效的改善墙体应力分布状况，降低防渗墙体内的拉应力。同时，每个槽段成墙质量是防渗墙整体受力的前提。

2.1 合理划分槽段

深厚覆盖层面板堆石坝中的防渗墙受力机制与受水平荷载的板桩受力相似，防渗墙与覆盖层相比，其刚度较大且压缩性远远小于覆盖层，在大坝填筑过程中，随着填筑高度增加，防渗墙与覆盖层接触面上的相对位移逐渐增加，防渗墙受到的侧壁正负摩阻力中性点位置也将逐渐下移。有关文献表明，防渗墙受力特性也与施工工艺、槽段划分有关，由于河床基岩深度不一，覆盖层较浅部位，防渗墙相当于端承桩，槽段越宽有利于防渗墙整体受力均匀性；覆盖层较深部位，防渗墙相当于摩擦桩，槽段越窄有利于中性点上移。根据坝基深厚覆盖层工程特性和防渗墙受力变形特性，综合考虑地层复杂、施工难度、施工设备等，将防渗墙槽段划分为超深槽段(≥70 m)和一般槽段(<70 m)两种形式，以便组织施工。

超深槽段位于桩号防0+152.0 m—防0+218.0 m段，轴线长度约66.0 m，划分6个槽孔。超深槽段一期槽采用4.6 m槽长，按照两个主孔和一个副孔进行成槽，主孔为1.2 m，采用CZ-6A的冲击钻机造孔；副孔为2.2 m，采用利勃海尔HS875HD重型机械抓斗与金泰SG60型液压抓斗直接抓取成孔。二期槽采用7.8 m槽长，每个槽孔分为三个主孔和两个副孔，两边主孔直接采用下设接头管成型，中间主孔采用冲击钻造孔；副孔为2.1 m，采用抓斗直接抓取成孔。典型槽段划分见图2。

一般槽段位于桩号0-0.0—0+152.0 m和桩号0+218.0 m—0+302.4 m段，轴线长度约236.0 m，划分33个槽孔，一、二期槽段,均均采用7.2 m槽长，主孔1.2 m，副孔1.8 m。其典型槽段划分见图3。

图2 深度大于70 m槽段防渗墙典型槽段划分图

图3 深度小于70 m防渗墙典型槽段划分图

2.2 墙段连接技术

由于防渗墙最深部位深90 m多，墙体材料为C30高强混凝土，通过对接头管法、钻凿法、双反弧桩柱法等几种接头方式比较后[5-6]，墙段连接采用接头管法的槽孔连接方法，不仅质量好，节约混凝土和钻孔时间，有利于缩短工期，而且各槽段墙体间泥皮接触较薄接触，更有利于墙体应力状况改变。

接头管法由于拔管技术限制、施工事故频发，曾在防渗墙施工应用中停止不前，随着近年来拔管设备更新、施工工艺的改进，拔管法在深厚覆盖层防渗墙工程中应用也取得了重大突破，拔管深度也屡创新高：四川狮子坪电站拔管深度100.23 m；西藏旁多拔管深度152.5 m。为确保深厚覆盖层中防渗墙混凝土浇筑质量，混凝土浇筑速度及拔管过程必须严格控制，其中关键是准确控制起拔力和起拔时间。

接头管法的起拔力主要考虑混凝土对接头管的黏结力、混凝土与接头管的摩擦力、接头管的自重等方面。其中混凝土与接头管的摩擦力可以通过管壁处理进行改善，混凝土对接头管的粘结力可以通过拔管时间进行控制。通过现场研究，改善混凝土与接头管的摩擦力可以采用如下措施：(1) 严格控制造孔孔斜，确保下设接头管的垂直度；(2) 严格控制混凝土浇筑速度和均匀上升，减少混凝土对接头管侧向挤压，造成孔斜，有关研究表明，孔斜在0.08%时，拔管力增加接近一倍；孔斜达到0.5%时，拔管力将增加至13倍。(3) 严格控制逐节接头管之间的连接，对中垂直；(4) 做好接头管外表面脱模机涂抹。

由于混凝土在水泥水化作用下会产生对接头管的黏结力，而水泥水化作用又随时间变化而变化，在施工过程中合理的控制起拔时间是接头管法施工重点。工程实践证明，如果起拔时间过早，混凝土初凝强度低，接头孔自稳能力较差，拔管后受上部混凝土压力作用很容易出现接头孔缩孔和垮塌；如果起拔时间过晚，混凝土已终凝或是初凝强度高，造成混凝土与接头管表面的粘结力太大、混凝土对接头管管壁的摩擦力也增大，大大增加了起拔力，情况严重者造成接头管被埋死拔不出来。通过现场研究总结，接头管拔管时间控制应做好如下措施：(1) 计算好拔管起拔力，选好拔管设备，本工程采用选用BG450拔管机；(2) 做好混凝土配合比试验，确定混凝土初、终凝时间，通过现场试验和总结，拔管时间应选择1.1倍初凝时间为宜；(3) 现场施工过程中，必须通过大量的试验检测准确的测定出混凝土的初、终凝时间，采用自动化拌合系统减小人为配料误差，同时还得有效的控制混凝土入槽浇筑温度；(4) 随着槽孔内混凝土面的不断上升，现场施工应分阶段制作混凝土试件，同步测定和掌握混凝土的初、终凝时间；(5) 控制混凝土浇筑速度和埋管深度，有关研究证明，随着埋管深度增加，拔管力增加非常明显；(6) 为改善混凝土与接头管的粘结力，在混凝土浇筑1 h～2 h后，可以通过小幅度拔动接头管或扭动接头管，破坏已形成的粘结力。

通过实践证明，采用先进的BG450全液压拔管机具和精确的控制拔管时间，有效的解决了深厚覆盖层中防渗墙接头施工的难题，同时接头管法的防渗墙连接技术也能为后期防渗墙的受力状况改善创造条件。

2.3 固壁泥浆配比研究及应用

保证成槽质量是保证防渗墙施工质量的关键，在深厚砂砾石地层中成槽，泥浆固壁是成槽质量的重要保障。根据阿尔塔什工程深厚覆盖层岩体特性分析和防渗墙成槽技术要求，经试验室调试验证，最终采用MMH正电胶、优质Ⅱ级钙基膨润土、烧碱、纯碱、羧甲基纤维素钠(CMC)等配制的正电胶复合泥浆进行泥浆固壁。正电胶复合泥浆相比以往固壁泥浆具有独特的流变性，现场施工过程中具有携带岩屑率大、防漏失效果明显等特征。同时，泥浆中的高密度正电荷有利于抑制黏土的水化膨胀分散、在井壁处有一滞流带，呈凝胶状态，可以隔绝流体对井壁的冲蚀、稳定井壁；特殊的泥浆结构减小了流动阻力，有利于泥浆流动、减少压力激动[7-8]。

通过现场工艺试验确定具体的配合比见表1。新制泥浆性能指标要求见表2。

表1 正电胶复合泥浆KWXS-1配合比表 单位：kg/m3

表2 新制泥浆性能指标

正电胶复合泥浆的性能很大程度上取决于搅拌程序和搅拌时间，制备时需严格控制。一般可以采用全组分搅拌和分组分搅拌两种方式，为保证搅拌均匀，搅拌时间多控制在5 min左右。在现场配置过程中应该严格按照配合比进行泥浆配制，严格控制各组分材料的加量误差。为提高泥浆处理剂的使用效果，可以事先配成一定浓度的水溶液。

为避免泥浆沉淀或离析，应对储浆池中的泥浆经常搅动，确保各指标均一，新制泥浆应放置24 h，确保各组分充分混合、水化溶胀。泥浆在钻孔过程中循环使用，其性能指标将逐渐减小，应注意在循环浆沟中定时取样检测有关指标，如超出限值应及时进行处理。为节约投资，经常会净化处理后重复利用，如发现膨润土的密度、黏性和含砂率无法满足要求，则要更换合格的膨润土。

通过现场施工应用表明，正电胶复合泥浆有效解决了深厚砂砾石覆盖层中的成槽固壁问题，确保防渗墙成墙质量，加快了施工进度。

2.4 强漏失地层成槽技术

根据地质资料分析，坝基范围内Ⅱ岩组夹有多层缺细粒充填卵砾石层具极强渗透性，是主要的渗漏通道，在成槽过程中将会造成泥浆大量漏失，如处理不好，很容易引起槽孔坍塌，情况严重的还会危及人员、设备安全，延误工期，为此防渗墙施工前应准备以下强漏失地层处理技术：

(1) 做好投置堵漏材料准备。开始槽孔施工前应做好黏土、碎石土、锯末、水泥等堵漏材料的准备，并做好对堵漏施工作业人员的技术培训及交底。现场一旦发现漏浆较大时，应及时向技术人员提出，迅速组织人力、设备进行堵漏处理，避免塌槽事故的发生。

(2) 采用单向压力封闭剂。单向压力封闭剂对孔隙及微裂漏失堵漏速度快、效果好；能迅速形成具有一定强度的非渗透性带阻止工作液侵入孔壁岩层，使岩层免遭损害；能显著降低泥浆的滤失量，又不影响泥浆的流变性能，耐温性能优良；不受电解质污染影响，无毒、无害。

(3) 预灌浓浆。槽孔造孔前，根据强漏失地层分部情况布设灌浆孔，灌注水泥黏土浆或水泥黏土砂浆，以封闭强漏失地层的渗漏通道，为防渗墙造孔创造有利条件。预灌浓浆与钻孔预报结合进行。

(4) 泥浆平衡法。即使用泥浆钻孔，并且在泥浆中添加重晶石粉，重晶石粉能够增强泥浆比重，并且具有较强的封闭孔壁功能，而且不易发生沉淀。

在现场施工过程中，通过多种方法的选用，有效的解决了强漏失地层中成槽困难的问题，为防渗墙的施工进度提供保证。

3 防渗墙工程质量检测

为检查阿尔塔什水利枢纽工程混凝土防渗墙浇筑质量，按照《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》[3](SL174-2014)有关要求，沿轴线布设3个检查孔，采用注水试验、孔内取芯、墙体混凝土强度试验等进行检测。

(1) 孔内注水检测。对3个检查孔进行注水试验。孔内注满水经24 h观测，观察其下降速度，检查孔水面下降2 cm～5 cm，符合要求。

(2) 孔内取芯检测。3个检查孔岩芯采取率93.3%～93.8%，岩芯呈均长柱状，取出的芯样比较完整，混凝土密实、无混浆、夹浆现象，岩芯局部存在小气孔，直径约1 mm～3 mm。

(3) 墙体混凝土强度试验。防渗墙混凝土设计强度等级为C30W12抗渗混凝土，通过对芯样随机抽检混凝土强度和抗渗性能试验，检测结果混凝土抗压强度34.7 MPa～37.9 MPa，抗渗等级均低于W12。

试验检测数据说明，防渗墙的施工质量满足设计和规范要求。

4 结 语

(1) 采用接头管法，墙体连接部位呈圆弧型，有利于墙体与墙体之间铰接质量，在墙体挤压变形过程中，尤如门轴可以相对自由转动，再加上浇筑过程中形成较薄的泥皮，更有利于改善墙体应力状况。但施工过程中应严格控制各槽段成槽质量，特别是孔斜的控制。

(2) 合理的槽段划分，有利于混凝土防渗墙的受力变形，也有利于防渗墙成墙质量，在施工过程中采用先进的施工机具，能有效提高施工质量和进度。

(3) 通过正电胶复合泥浆的现场试验配比研究和应用，有效解决了深厚砂砾石覆盖层中成槽固壁问题，有关参数应通过现场工艺试验确定。

(4) 强漏失地层中的防渗墙成槽重点是堵漏、固壁，防止槽孔坍塌，施工前应做好各种处理方案的准备工作，出现异常后应多方案联合处理，以便达到最佳效果。

(5) 防渗墙墙体质量检测方法不能局限于规范要求，新技术、新方法的使用更有利于工程质量的检查和对墙体性能评价，建议借鉴桩基检测中使用的超声波检测、孔内摄像等检查方法。

随着我国水利工程建设发展，在深厚覆盖层上修建防渗墙技术已逐渐成熟，有关防渗墙受力特性研究还需进一步分析和论证有关施工技术措施的合理性。

[1] 李万奎.阿尔塔什河床深厚覆盖层的研究[J].水利与建筑工程学报，2010,8(4)：181-186.

[2] 任海军，王桂珍，张可能，等.静压套管控制灌浆在渗漏围堰处理中的应用[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程)，2008,35(8)：47-50.

[3] 水利部建设与管理司.水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范:SL174-2014[S].北京：中国水利水电出版社，2014.

[4] 胡庆国，任海军，张可能.柔性基础下复合地基桩体侧摩阻力分布[J].中外公路，2005，25(5)：17-20.

[6] 樊曙光，郑旭荣.下坂地水利枢纽工程坝基防渗工程设计与施工[J]. 水利水电技术，2012,42(10)：87-90.

[7] 邓铭江，吴六一，汪 洋，等.阿尔塔什水利枢纽坝基深厚覆盖层防渗及坝体结构设计[J].水利与建筑工程学报，2014,12(2):149-155.

[8] 万小波，任海军，王桂正.深孔大直径桩钻头打捞的方案比选及安全防护[J].福建建筑，2014,194(8)：79-80.

Research on Construction Technology of Concrete Cutoff Wall in Deep Sand and Gravel Coverage of Aertashi Hydro Project

REN Haijun， GAO Yuantai

(YangtzeRiverScientificResearchInstituteSupervisionCompany,Wuhan,Hubei430010,China)

Aertashi hydraulic project is a concrete faced rockfill dam with deep sand and gravel layer, which will affect the stress and strain of the impervious wall during the first construction and operation process. Inappropriate treatment will affect the whole dam anti-seepage effect and safety engineering. Therefore how to ensure the construction quality of the premise and optimize the construction scheme to improve the stress condition of the wall is the key issue of construction technology research. In this paper the characteristics and stress of concrete cutoff wall was analyzd, many technologies were adopted such as wall segment connection technology, slot technology in strong leakage layer and slurry ratio, effectively improve the wall stress condition, ensure the quality of wall.

Aertashi hydraulic project; deep overburden layer; concrete cutoff wall; construction technique

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.021

2017-01-18

2017-02-14

任海军(1980—)，男，甘肃白银人，硕士，高级工程师，主要从事岩土工程科研及监理工作。E-mail:renavy@163.com

TV543+.8

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1672—1144(2017)02—0111—05