深厚覆盖层围堰综合防渗体系施工关键技术

张传虎 ，刘传炜 ，张红曾 ，苑姗姗

（1.中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.中国能建工程研究院水电施工设计研究所，湖北 宜昌 443002）

乌东德水电站河床上游全年围堰为土石结构，堰顶高程为873.00 m，最大堰高67.00 m，堰顶宽度10.0 m。迎水堰面坡高程841.50 m以下坡比1∶1.5，以上坡比为1∶2；背水堰面坡高程842.00 m以下坡比1∶1.5，以上坡比为1∶ 1.75。

围堰采用“复合土工膜+塑性混凝土防渗墙+墙下帷幕灌浆”的综合防渗方案。具体来说，堰体防渗采用复合土工膜斜墙，斜墙最大高度40.0 m；坡面防渗体由坡面垫层料、无砂混凝土、复合土工膜、喷混凝土以及钢筋石笼组成；堰基防渗采用塑性混凝土防渗墙，防渗墙轴线为247.41 m，共划分50个槽段，实际施工深度为8.90～97.74 m，厚度1.2 m；帷幕底线高程727.00 m，防渗帷幕沿两岸堰肩接堰顶873.00 m高程灌浆平洞，帷幕灌浆最大孔深130 m。

如何实现深厚覆盖层综合防渗型围堰的高效施工，一直是工程施工领域的一项重大技术难题。本文结合乌东德工程上游围堰施工，进行了技术创新和研究，采用了深厚覆盖层超深钻孔技术、预埋管接头套筒箍接工艺、综合防渗体系施工技术等方法，有效解决了施工中的技术难题。

1 施工难点

乌东德水电站河床上游围堰施工具有地质条件复杂、覆盖层深厚、工程量大、工期紧、任务重、干扰因素多、安全风险大等特点，主要施工难点如下：

（1）地质条件复杂。围堰部位河床覆盖层按物质组成分为Ⅰ层、Ⅱ层、Ⅲ层这三大层。Ⅰ层主要为河流冲积堆积的卵、砾石夹碎块石，物质成分混杂，包括灰岩、大理岩、白云岩、玄武岩、辉绿岩等。Ⅱ层为崩塌与河流冲积混合堆积，即：崩塌块石、碎石夹少量含细粒土砾（砂）透镜体，该层主要为右岸灯影组白云岩及观音崖组页岩、炭质页岩、辉绿岩崩塌的产物，钻孔取芯多为粉土质砾及砾石，局部为柱状白云岩块石。Ⅲ层主要为现代河流冲积形成的砂砾石夹卵石及少量碎块石，见图1。

图1 围堰典型横剖面图

（2）覆盖层深厚。围堰防渗墙厚1.2 m，最大埋深92.1 m，自上而下依次穿越围堰填筑水下抛填体、河床深厚覆盖层并进入弱风化基岩，为国内第一深厚墙。覆盖层内的河流冲积层、崩塌层及混合堆积层中存在大量的块径为1.8～4.0 m的碎块石、漂石和孤石体，最大块径达7.18 m，对防渗墙成槽施工极为不利，极易出现钻进困难、漏浆、塌孔、孔型不规则等情况。其次，受峡谷地形影响，岸坡基岩面存在硬岩陡倾部位，造成防渗墙嵌岩难度大。

（3）干扰因素多、安全风险大。乌东德水电站大坝上游围堰存在围堰堰体填筑、防渗体系施工、基坑开挖出渣及防渗墙施工等相互交叉作业，安全及组织风险较大。围堰施工进度及质量严重影响汛期基坑出渣人员及设备安全，制约相邻工程项目的施工进度，尤其是处于关键线路上的工程边坡施工进度（如大坝坝肩、基坑施工），将会对工程整体进度目标产生重大影响。因此，实现深厚覆盖层综合防渗型高水头围堰的高效施工和安全度汛至关重要。

2 解决方案

为解决施工难题，开展了专项施工技术攻关，形成了一套成熟的深厚覆盖层综合防渗型围堰施工技术，主要包括以下5个方面：

（1）采用孔内定向爆破、钻孔爆破、重凿（锤）冲砸、钻头镶焊耐冲击高强合金刃块等技术，提高了防渗墙的施工工效和成槽质量。

（2）研制了一种防渗墙槽型监测装置 ，用于检测钻孔是否倾斜及小墙清理是否彻底，从而确保了防渗墙槽孔的施工质量，提高了施工效率。

（3）预埋管接头部位创新使用了套筒箍接技术，克服了传统焊接法存在预埋管容易脱落的问题，确保了预埋管的垂直度，埋管成活率显著提高，达到95%以上，从而提升了帷幕灌浆质量。

（4）研究了斜坡面无砂混凝土浇筑工艺，通过试验确定合适的配合比，采用反铲配合溜槽入仓，人工摊铺均匀，采用滚筒对混凝土表面进行压平。

（5）土工膜及其伸缩节的布置型式，分别设置“之”字型和“S”型伸缩节，减少了施工工序，降低了施工难度，保证了防渗质量。

3 主要施工技术

围堰总体施工程序：截流→防渗墙平台施工→防渗墙施工→墙下帷幕灌浆施工→堰体填筑和防渗体系施工。围堰防渗帷幕灌浆由防渗墙下帷幕灌浆和两堰肩岸坡帷幕灌浆组成，帷幕灌浆设计底线要求进入透水率小于5 Lu基岩内，最大孔深约130 m，帷幕孔分布高差大，施工干扰大，安全风险高。坡面新型防渗体由坡面垫层料、无砂混凝土、复合土工膜、喷混凝土以及钢筋石笼组成，面临着基础面平整度要求高、无砂混凝土入仓难、土工膜施工面积大等难点。

3.1 防渗墙

防渗墙施工采用62台套冲击钻机配合2台钢丝绳抓斗，采取“两钻一抓”法进行成槽施工作业，泥浆固壁。I、II期槽采用套接，接头孔采用接头管连接或钻凿法连接。混凝土采用搅拌车运输至槽孔浇注平台，由溜槽入孔，水下混凝土采用直升导管法浇注。冲击钻钻孔作业产生的沉渣通过沉淀池沉淀净化后回收利用，浆池内沉淀的钻渣由反铲清挖。

3.1.1 先导孔施工

在防渗墙主孔孔深接近预计的基岩面上部1.0～2.0 m时，按段长0.2～0.3 m采取冲击钻钻孔。当钻进深度进入基岩后停止冲击造孔，进行孔底清渣，采取岩样并测定深度，下设套管作为导向管，导向管下至孔底，填入1～2 m3黏土。导向管的顶部采用孔口支架固定，底部采用埋管法固定。地质钻机取芯采用泥浆冲洗、金刚石钻头取芯钻进技术，单回次进尺一般不超过1.5 m。

3.1.2 造孔成槽

防渗墙成槽施工主要采用“循环钻进两钻一抓法”，辅助“劈打法”和“平打法”进行。根据地层条件，主孔采用ZZ－6或CZ－9型冲击钻机钻进，加强对块石破碎及地层的挤密效应，排渣采用传统抽筒方式和气举法反循环排渣管出渣方式相结合，减少辅助作业时间，增加纯钻时间。

冲击钻机钻凿主孔到达倾斜基岩面时，根据爆破抵抗线的大小和对周边已浇槽段混凝土的影响情况，采用乳化炸药定向聚能爆破破碎岩石，或用全液压钻机在岩面上钻爆破孔，下爆破筒进行爆破。爆破后再用冲击钻机重锤冲砸、破碎；另外，根据先导孔钻孔情况，利用部分先导孔提前爆破，达到破碎基岩的效果。

为防止槽孔内的小墙清理不彻底，影响防渗墙槽孔质量，根据槽型及大小，模拟防渗墙成槽形状，研制了防渗墙槽型监测装置。防渗墙槽段施工完毕后，用钻机将该监测装置自上而下吊放入槽孔内，一直下放到设计深度，若顺利放入，说明槽孔内的小墙已经完全凿除，防渗墙成槽质量满足要求；若下放过程中出现卡阻情况，则说明槽孔在一定范围出现偏斜，存在未完全凿除的小墙，需重新进行钻凿，直至满足槽孔成孔质量要求。

3.1.3 清孔换浆

防渗墙的槽孔采用气举反循环法和传统抽筒法。防渗墙造孔经过验收合格后，首先采用抽筒法对每个槽孔进行清孔换浆作业，将槽孔孔底粗的沉积物置换出来，直到槽孔内无粘稠浓泥浆、大量钻渣被抽出为止。

复测孔底淤积厚度小于50 cm，同时没有大颗粒碎石之后，采用气举反循环法清孔。清孔结束前在回浆管口取样，测试泥浆的三项指标，其结果作为换浆指标的依据。其中，清孔要求：当使用膨润土泥浆时，泥浆密度不超过1.15 g/cm3，马氏漏斗粘度不超过40 s，含砂量不超过2.5%，在30 min内失水量小于30 ml，不含粒径大于5.0 mm的钻碴，沉淀物淤积厚度不应大于10 cm。

3.1.4 预埋管施工

围堰防渗墙墙厚1.2 m，在墙体内预埋单排外径为108 mm的无缝钢管做为墙下帷幕灌浆导向管，孔距1.5 m。每10个预埋灌浆孔布设1个检查孔，采用外径为127 mm的无缝钢管。由于预埋灌浆管普遍较深，为保证同一槽孔内的预埋灌浆管位置准确，并防止浇筑混凝土时产生移位、弯曲，采用φ25 mm的螺纹钢筋制作专门用于支撑、定位的钢筋骨架，并将预埋钢管焊接固定在钢筋骨架中间，连接成一个整体。

为增加预埋管的垂直度、防止单纯的接头焊接造成预埋管脱落的现象，在预埋管接头部位采用套筒箍接技术，套筒内径略大于预埋管外径，长度为20 cm。底口采用薄铁板焊接或混凝土堵塞，防止浇筑过程中混凝土进入管内。

3.1.5 水下混凝土浇筑

混凝土灌注采用直升导管法。槽孔墙体预埋件安装就位后，下设φ300 mm钢制导管。水下混凝土浇筑采用的隔水栓为球塞式，导管距孔底的距离大于球塞的直径。混凝土搅拌运输车先下料至储料罐，再经溜槽分流进入到各根导管。在混凝土浇筑过程中，各导管均匀下料，使槽内混凝土面高差小于0.5 m，同时根据混凝土上升速度和导管埋深及时起拔导管。

3.1.6 槽段连接

槽段连接采取接头管法，即在清孔换浆结束后，在一期槽两端孔位置下设φ110 cm钢制接头管，孔口固定。在混凝土浇筑过程中，根据混凝土初凝时间、混凝土面上升速度及上升高度起拔接头管。接头管分节制作，插销连接，采用液压拔管机起拔。拔管采用“慢速限压拔管法”，即：当管底混凝土的龄期达到设计的脱管龄期后，按照混凝土的浇筑速度逐步起拔接头管。

3.2 墙下帷幕灌浆

防渗墙上、下游墙下及两岸岸坡和灌浆平洞共布置帷幕灌浆1排，在防渗墙墙体内预埋灌浆管，钻孔孔径φ60 mm。帷幕灌浆采用孔口封闭法，施工工艺流程为：钻孔孔位检查复核→埋管段扫孔→钻机就位校正→接触段钻灌→隔管埋设→第2段及以下钻灌→钻孔测斜→终孔验收→灌浆封孔。

3.2.1 钻孔

帷幕灌浆孔钻孔采用地质钻机，采用金刚石钻头、清水钻进工艺，钻孔按自上而下分段钻进。钻孔孔斜偏差控制在孔底偏差值设计规定值以内，测斜仪器采用井斜仪。施工过程中如发现孔斜超标时，及时采取纠偏补救措施。

3.2.2 阻塞

孔口管及隔管埋设前灌浆段次采用孔内阻塞，阻塞器采用机械压缩胶球栓塞式或气囊式阻塞器，阻塞器外径根据钻孔孔径选配。

3.2.3 灌浆及压水压力

压水均应在钻孔冲洗或裂隙冲洗完毕后立即进行，压水压力为80%的灌浆压力且不大于1 MPa。帷幕灌浆的先导孔、灌后检查孔的压水均采用单点法进行压水试验，其它帷幕灌浆的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔各灌段均采用简易压水。

关于帷幕灌浆压力及段长划分，经现场试验，确定帷幕灌浆段长及灌浆压力按表1执行。

表1 帷幕灌浆段长及灌浆压力

3.3 坡面新型综合防渗体系

围堰上游坡面防渗采用复合土工膜斜墙，斜墙最大高度40.0 m，高程840.5～872.5 m的复合土工膜下部浇筑10 cm厚的无砂混凝土，起到支撑土工膜和排除土工膜下部积水的作用，坡比1∶2。

3.3.1 堰体填筑

要求垫层料与石渣混合料同步填筑上升，先填筑石渣混合料，再填筑垫层料。石渣混合料填筑采用进占法施工，分层厚度为80～100 cm。垫层料填筑采用后退法施工，分层厚度为30 cm。斜坡面垫层料采用小型振动碾分区分段碾压。在回填分界处，特别是迎水侧及背水侧应保证有足够的超填宽度，以保证设计结构线内填筑料能碾压密实。

3.3.2 无砂混凝土

无砂混凝土浇筑采用10 cm高槽钢作为侧模，模板背面焊三角支撑架，打插筋固定。模板顶与无砂混凝土顶面设计高程一致，模板底面与坡面垫层料顶面紧贴。每个条带无砂混凝土按照自下而上顺序浇筑，混凝土料由搅拌车运输到作业平台，再用反铲铲入溜槽内，由人工配合将物料溜到仓内。人工摊铺均匀后，逐条带采用耙子边铺边刮平，采用铁锹对混凝土表面进行加工拍平，保证坡面平整，坡度符合设计要求。

3.3.3 复合土工膜

复合土工膜的焊接设备主要为热熔挤压自行式焊接机、热熔挤压式焊枪及挤出式塑料热风焊枪（局部修补用辅助工具）、手提式缝合机（复合土工膜上、下层土工布的缝合设备）等。

土工膜端头与防渗墙连接时，把复合土工膜一端卷起，将卷边与主体缝合形成布筒，把钢管穿入布筒内，再用尼龙丝每隔2 m绑扎牢固。防渗墙顶部混浆层混凝土凿除至新鲜塑性混凝土后，在防渗墙槽口板内距盖帽混凝土顶面下部50 cm处设置钢筋支撑架，将复合土工膜裹缠在φ48 mm钢管上，再把钢管固定在钢筋支撑上，然后浇筑盖帽混凝土，将土工膜直接埋设在盖帽混凝土内。

3.3.4 喷射混凝土

喷射混凝土选用湿喷法，采用湿喷机施工。喷混凝土前，人工将复合土工膜表面清理干净并进行适当湿润；受喷面验收合格后，间隔布设石块标示喷射混凝土厚度。采用自下而上分区分块方式进行，喷射距离控制在0.8～1.2 m之间。喷射混凝土分两层喷射，初喷6 cm厚，待终凝1 h后再复喷至设计厚度。复喷之前，应先用风水清洗初喷面并洒水浸润。

4 结语

大型水电站枢纽工程围堰堰体施工具有地质条件复杂、覆盖层深厚、防渗体系结构复杂、施工工艺要求高、工序多等难题，为解决这些技术难题，依托乌东德水电站大坝上游围堰施工，开展了专项技术攻关，通过创新施工技术及方法、选用高效施工设备及工艺、系统规划施工布置、科学组织施工人员及设备，形成了一套成熟的深厚覆盖层综合防渗型围堰高效安全快速施工技术。

该施工技术已在乌东德水电站大坝上游围堰工程中成功应用。在确保工程施工质量和安全的同时，大大提高了施工效率，加快了工程的施工进度，达到了汛前完成围堰工程的工期目标。该施工技术具有较为广阔的应用前景，可为类似工程提供借鉴。