关于薄型塑性混凝土防渗墙抓斗成槽的技术研究

2018-10-21任秀峰

中国水利 2018年18期

任秀峰

（北京金河水务建设集团有限公司，102206，北京）

一、技术简介及特点

塑性混凝土是用黏土和膨润土取代普通混凝土中的大部分水泥形成的一种柔性工程材料。与普通混凝土相比，塑性混凝土弹性模量低、极限应变大、变形适应力强、抗渗性能好，同时还具有节约水泥、造价较低、施工方便等优点。塑性混凝土防渗墙指利用钻孔、挖槽机械，在松散透水的地基或坝（堰）体中以泥浆固壁，挖掘槽形孔，在槽（孔）内浇筑水下塑性混凝土建成的具有防渗功能的地下连续墙。薄壁液压抓斗法防渗墙施工技术出现于20世纪90年代，适用于在坚硬的土壤与砂砾石中成槽，成槽深度可达70 m，每台液压抓斗成槽机的平均工效为125 m2/d。薄型塑性混凝土防渗墙抓斗成槽施工技术不仅能够降低工程造价，而且可以提高工程施工速度，已在南水北调东线双王城水库工程中成功得到应用。

二、施工技术

1.工艺特点

薄型抓斗成墙工艺是采用斗宽＜0.4m的改装薄型抓斗进行挖土开槽、泥浆护壁、浇筑塑性混凝土建成薄型防渗墙的工艺。形成的薄型防渗墙厚度小于40 cm，只有常规混凝土防渗墙的1/3～1/2；采用液压抓斗挖凿，三抓成槽，精度高，质量可靠，施工效率高，适用地质范围广，并可节省大量的混凝土及其他相关材料。

2.适⒚范围

薄型塑性混凝土防渗墙抓斗成槽施工技术可用于土石坝及堤防地基的防渗处理、混凝土闸坝的地基防渗处理、土石围堰堰体和堰基的防渗处理、病险水库坝体和坝基处理等工程。

3.工艺原理

薄型塑性混凝土防渗墙抓斗成槽施工的基本原理是先构筑导墙，采用成槽机液压导板抓斗沿导墙中心线成槽取土，取土同时补入相同体积的人造泥浆护壁；在成槽至设计深度时，通过成槽机进行一次扫孔、泵吸反循环二次清孔工序，清除槽底沉渣；此后，采用导管法浇捣水下混凝土。

4.施工工艺流程及操作要点

（1）施工工艺流程

薄型塑性混凝土防渗墙施工工艺流程如图1。

（2）施工要点

①导墙

导墙采用现浇钢筋混凝土结构，高度不宜低于1.0 m，要坐落在坚硬土层上，截面为L型。导墙内侧宽为设计防渗墙宽加5～10 cm施工余量，墙面与纵轴线距离的允许偏差±10 mm，内外墙间距允许偏差±5 mm，导墙垂直度<5‰，墙顶保持水平。导墙混凝土自然养护到设计强度的70%以上时，方可进行成槽作业，在此之前禁止车辆和起重机等重型机械靠近导墙。现浇导墙分段施工时，水平钢筋应预留连接钢筋与邻接段导墙的水平钢筋相连接。导墙是液压抓斗成槽作业的起始阶段导向物，必须保证导墙的内净宽度尺寸与内壁面的垂直精度达到有关规范的要求。导墙立模结束之后，浇筑混凝土之前，应对导墙放样成果进行最终复核，并请监理单位验收签证。导墙混凝土浇筑完毕，拆除内模板之后，应在导墙沟内设置上下两档、水平间距2 m的对撑，并向导墙沟内回填土方，以免导墙产生位移。

②泥浆

泥浆主要由水和膨润土按一定比例混合配置而成。为使泥浆的性能满足防渗墙施工的要求，需根据具体情况有选择地加入适当外加剂，如CMC （羧甲基纤维素）、分散剂（Na2CO3，即纯碱）等。制备膨润土泥浆的性能指标见表1。

泥浆制备的技术要求如下：新制泥浆须经24 h膨化后才可使用；对槽内泥浆的浆面以下1.0 m处及槽底以上1.0 m处各取一次试样测试，若不达标，要及时调整泥浆性能；泥浆搅拌生产时间不小于4 min，加料误差不大于5%；每日测一次黏度和比重，浇注混凝土前再测一次，并做好泥浆检测日志。

③抓取成槽

划分单元槽时，每幅槽段宽度6 m，在经过一定施工时间，熟悉地质情况后，调整到7.5 m。

挖槽施工方法如下：要求场地平整坚实，满足施工垂直度要求及施工安全要求；将成槽机就位，履带与导墙垂直；边开挖边向导墙内泵送泥浆，保持液面在导墙顶面下30 cm左右；挖槽过程中，随着槽深增大向槽内补浆，使泥浆面始终位于泥浆面标志处，直至槽底挖完；浇注混凝土前，要测定泥浆面以下1 m及槽底以上1 m处泥浆比重和含砂量，若比重大于1.20，则置换泥浆清孔；成槽后沉淀30 min，然后用抓斗直接捞渣清淤。

成槽机操作要领如下：抓斗出入导墙口时要轻放慢提，防止泥浆掀起波浪，影响导墙下方、后方的土层稳定；在成槽机挖土时，悬吊机具的钢索一定要呈垂直张紧状态，不能松弛，保证挖槽垂直精度；单元槽段成槽完毕或暂停作业时，即令挖槽机离开作业槽段；严格遵照施工顺序，先施工数段一期槽段，槽段两端为接头管，当混凝土浇注超过24 h后，再采用顺作法施工二期槽段，槽段一端有接头管，一端无接头管；每一槽段都采用三抓成槽的方法施工。

④塑性混凝土浇筑

图1 薄型塑性混凝土防渗墙施工工艺流程

表1 新鲜膨润土泥浆主要性能指标

成槽后立即灌注混凝土，导管下口与槽底距离一般不大于25 cm，混凝土面上升速度不小于2 m/h。混凝土最后浇注高程通常要高出设计高程50 cm，并应高出导墙底200～300 mm，然后将浮浆凿去。

设专人随时测定混凝土面高度，并记录混凝土灌注量，以确定拔管长度。首次埋管深不得少于1.0 m，一般控制在2～6 m为宜，最大不超过6 m。

采取以下措施控制防渗墙顶部浮浆层：根据实际槽深计算混凝土方量；用测绳量测混凝土面深度；要及时抽出泥浆，以防灌注混凝土达顶部时泥浆外流。

成槽后沉淀30 min，用抓斗直接捞渣清淤。当成槽后沉渣厚度和孔底附近泥浆达不到规范要求时，在导管中下入风管清渣，并更换槽孔内的稠泥浆，使泥浆比重小于1.2，沉渣厚度小于100 mm。

混凝土灌注关键在于首浇灌。要保证100%的成功率，必须采取如下措施：在承料斗导管口内置一球胆，两辆混凝土车放料口对准承料斗口，同时放商品混凝土；置一活板封住首浇斗底口，让商品混凝土迅速灌满承料斗；将活板打开，使料斗内混凝土始终保持装满的条件下连续浇灌。每槽段应布设2～3个混凝土导管同时灌注，导管间距不宜大于3.5 m。

防渗墙接头施工方法如下：在防渗墙成槽后，安放接头管；混凝土浇注完成并具有一定强度后，利用吊车将接头管拔出，一般在混凝土浇注3～4 h后拔高10 cm，之后每隔20～30 min拔动一次，每次拔高幅度不大于30 cm，待混凝土浇注时间达6～8 h，即混凝土达到初凝后，逐步将接头管全部拔出。此外，相邻二期槽段混凝土浇注前，须采用接头刷子清刷管接头。

表2 劳动力组织情况表

表3 机具设备表

三、劳动力及机具设备

每个作业班组配备的劳动力情况与机具设备情况见表2、表3。

四、质量控制

1.工程质量控制标准

（1）质量控制依据标准

质量控制依据标准为《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》（SL 174—2014）、《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144—2015）。

（2）槽孔建造质量标准

①保证槽孔平整垂直，孔位中心允许偏差≤3%、孔斜率≤0.2%。

②槽孔质量检查的项目和指标为：槽孔中心偏差≤±3%；槽孔孔深偏差不得小于设计孔深；孔斜率≤0.2%；槽孔宽满足设计要求（包括接头搭接厚度）。

③槽孔换浆质量标准为：清孔换浆结束1小时后，应达到下列清孔标准：孔底淤积厚度≤100 cm；当使用黏土泥浆时，孔内泥浆密度≤1.3 g/cm3，粘度≤30s，含砂量≤10%；当使用膨润土泥浆时，应通过试验确定质量标准。

④泥浆质量标准为：泥浆材料的黏土料的黏粒含量＞50%、塑性指数＞20、含砂量＜5%；膨润土成品料的品质应符合石油工业部部颁标准《钻井液材料规范》（GB/T 5005—2010）中的规定；新制膨润土泥浆或黏土泥浆性能指标，应分别符合《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》（SL 174—2014）表 5.0.8和表 5.0.9的规定；配制泥浆的水质应符合《混凝土用水标准》（JGJ 63—2006）第 3.1.1条的规定。

⑤塑性混凝土材料质量标准为：水泥标号应不低于32.5级，有抗冻要求时，应优先选择硅酸盐水泥；商品膨润土的质量须符合《钻井液材料规范》（GB/T 5005—2010）的要求；粗骨料应优先选用天然卵石、砾石，其最大粒径应小于20 mm，含泥量应不大于1.0%，泥块含量应不大于0.5%；细骨料应选用细度模数2.4～3.0的中粗砂，含泥量应不大于3%；减水剂、防水剂和加气剂等外加剂的质量和掺量标准应经试验，并参照《水工混凝土外加剂技术规程》（DL/T 5100—2014）的有关规定执行。

2.质量保证措施

根据类似工程经验，在防渗墙中心线部位进行生产性试验，以确定造孔、固壁泥浆、墙体浇筑等施工工艺和相关参数；根据地质复勘资料编制槽孔轴线剖面图，划分槽段；设置地表水排水系统，防止地表水渗入槽内，以免影响泥浆性能、破坏孔壁稳定；造孔时，孔内泥浆面应保持在导墙顶面以下30～50 cm；对漏失地层采取预防措施，发现泥浆漏失时应立即堵漏补浆；造孔结束后，应对造孔质量进行全面检查，合格后方可进行清孔换浆；二期槽孔清孔换浆结束前，应使用略小于造孔钻头的刷子钻头分段刷洗混凝土孔壁上的泥皮，刷洗的合格标准为刷子钻头上基本不带泥屑，孔底淤泥不再增加。

五、安全措施

①认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，根据国家有关规定、条例，结合施工单位实际情况和工程的具体特点，建成由专职安全员、班组兼职安全员及工地安全用电负责人组成的安全生产管理网络，落实安全生产责任制，明确各级人员的职责，抓好工程的安全生产。②施工现场按防火、防风、防雷、防洪、防触电等安全规定及安全施工要求进行布置，并完善布置各种安全标识。③各类房屋、库房、料场等的消防安全距离须符合公安部门的规定，室内不堆放易燃品，在木工加工场、料库等处严格禁烟，随时清除现场的易燃杂物，不在有火种的场所或其近旁堆放生产物资。④氧气瓶与乙炔瓶隔离存放，严格保证氧气瓶不沾染油脂、乙炔发生器有防止回火的安全装置。⑤施工现场的临时用电严格按照《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ 46—2005）的有关规定执行。⑥电缆线路应采用“三相五线”接线方式，电气设备和电气线路必须绝缘良好，场内架设的电力线路须布置在专用电杆上，其悬挂高度和线间距须符合安全规定要求。⑦施工现场使用的手持照明灯使用36 V的安全电压。⑧室内配电柜、配电箱前要有绝缘垫，并安装漏电保护装置。⑨建立完善的施工安全保证体系，加强施工作业中的安全检查，确保作业标准化、规范化。

六、环保措施

①成立施工环境卫生管理机构，在工程施工过程中严格遵守国家和地方政府有关环境保护的法律、法规和规章，加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾、弃渣的控制和治理，遵守防火及废弃物处理的规章制度，做好交通环境疏导，充分满足便民要求，认真接受城市交通管理，随时接受相关单位的监督检查。②将施工场地和作业限制在工程建设允许的范围内，合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。③对施工中可能影响到的各种公共设施制定可靠的防止移位和损坏的方案，将相关方案和要求向全体施工人员详细交底，并在实施中加强监测。④设立专用排浆沟、集浆坑，对废浆、污水进行集中无害化处理，从根本上防止施工废浆乱流。⑤定期清运沉淀泥沙，在泥沙、弃渣及其他工程材料的运输过程中，做好防散落与防沿途污染措施；废水除按环境卫生指标处理达标外，要在当地环保部门指定地点排放；弃渣及其他工程废弃物按工程建设方案在指定地点进行合理堆放和处置。⑥优先选用先进的环保机械，并采取设立隔音墙、隔音罩等消音措施降低施工噪音到排放限值以下，尽可能避免市区夜间施工。⑦对施工场地道路进行硬化，并在晴天经常对施工通行道路洒水，防止尘土飞扬污染周围环境。

七、应用实例及效益分析

1.工程概况

双王城水库位于山东省寿光市北部卧铺乡寇家坞村北废弃水库处，距市区约31km。坝基防渗采用塑性防渗墙方案，在全坝段9636m范围内建造薄塑性混凝土防渗墙，其轴线位于库内距围坝轴线41.5m处，墙厚30cm，墙顶高程3.5m，成墙深度平均28m。

2.施工情况

根据设计要求，本工程必须先进行防渗墙施工，后进行大坝土方填筑，因此对防渗墙工程的推进速度要求较高。本工程采用液压抓斗成槽施工，共投入成槽设备5台（套），3个月建成7.5万m2的薄型塑性混凝土防渗墙，为土方填筑施工打下良好基础，完成了预期的进度及质量目标。

抓斗成槽技术的施工效率高，成槽质量好，缩短了施工工期，节约了施工管理成本，取得了良好的社会效益。建成的薄型塑性混凝土防渗墙，墙体宽度为30 cm，比宽度为40～60 cm的普通防渗墙节省约50%的混凝土；与普通混凝土相比，塑性混凝土用膨润土取代了大部分水泥，每立方混凝土可节约水泥至少100 kg，按本标段工程7.5万m2防渗墙计算，可节约混凝土1.12万m3，节约水泥用量2 250 t，节约投资278万元。