塑性混凝土防渗墙施工处理技术应用

2022-08-19陈志阔上海建工一建集团有限公司上海200120

绿色建筑 2022年4期

陈志阔（上海建工一建集团有限公司，上海 200120）

四川省都江堰金马河二号拦河闸塑性混凝土防渗墙施工工程闸基前防渗措施，采用塑性混凝土防渗墙结构。塑性混凝土防渗墙由于其强大的防渗能力、连续性以及一定的形变性，所以被水利工程广泛采用。塑性混凝土的材料配合比、工程地质对防渗墙的影响却不尽相同。本文简要探讨了塑性混凝土防渗墙技术在都江堰二号拦河闸复杂地质条件下的应用。

1 工程概况

本工程为四川省都江堰金马河二号拦河闸塑性混凝土防渗墙施工工程。闸室上游端使用塑性混凝土防渗墙进行防渗处理，墙厚 60 cm，分布在左右岸防洪堤及闸室上游：左岸翼墙段（ZF＋000.00～ ZF＋059.64），左岸堤防段（ZF＋059.64～ZF＋731.61），闸室段（Y＝004.80～Y＝259.70），右岸翼墙段（YF＋000.00～YF＋057.31），右岸堤防段（YF＋057.31～YF＋471.86）。

由于地质情况复杂，基岩起伏巨大，防渗墙深度无法确定。原设计闸室段防渗墙最大深度 25 m，对于入岩较浅的墙底按进入中风化基岩 1 m 控制。防渗墙墙深可根据现场实际基底透水率情况进行适当调整。施工应严格控制泥浆配合比、相邻槽段混凝土接头部位的处理、混凝土的浇灌质量等工序，通过钻孔取芯检验、钻孔注水试验、超声波法和弹性波透射层析成像法（简称 CT 法）等检测确保防渗墙的施工质量。

2 施工机具选择及布置

计划在施工中分别投入冲击钻机 6 台、成槽机 1 台、旋挖钻机 1 台。

所有槽段主要使用成槽机对防渗墙进行造孔成槽，特别适用于黏土层槽段区域的施工；冲击钻机利用“钻头”冲击地层形成“槽孔”，采用传统的抽筒排渣，可适应复杂地层的施工，适用于存在大量基岩及大漂石的堤防段使用；旋挖钻机对于含小卵石的土层，施工快速高效，适用于闸室段及翼墙段使用。

3 混凝土防渗墙施工程序

混凝土防渗墙施工程序如图 1 所示。

图1 混凝土防渗墙施工程序

4 塑性混凝土防渗墙施工工艺

本工程根据实际情况采用“钻抓法”进行防渗墙施工，在堤防段防渗墙施工中采用“纯钻法”施工。“钻抓法”成槽工艺主要是指采用旋挖钻机和成槽机抓斗配合完成整个槽段。原设计按照 5.6 m 的长度为一个槽段。由于闸室段地质复杂，地下基岩起伏较大，5.6 m 的长度无论对于成槽还是塑性混凝土的浇注都造成困难。钻抓法施工槽段长度为 2.8 m，一、二序槽长均为 2.8 m（图 2）。

图2 一、二序槽段槽长示意图

施工方法：在每个槽段两侧钻凿主孔，待主孔穿过砂卵石层后，交由抓斗完成主孔之间的含砾粉质黏土的抓取；到达基岩后，换冲击钻进行基岩部分的钻凿，进入强风化层 0.5 m（防渗墙底部高于 673.0 m高程的部分，应进入强风化层 1.0 m）。钻孔深度达到设计要求后进行清孔换浆，先刷尽两端接头孔，然后对壁上泥浆清孔换浆，最后下设导管浇筑防渗墙混凝土；二序槽施工工艺同一序槽。

“纯钻法”成槽工艺主要为在每个槽段分为 4 个主孔 3 个副孔，先将主孔钻进到设计深度后，再进行副孔的钻进，最后劈尽小墙（小墙为两个圆孔之间的剩余墙体）成槽的方式，根据实际情况每个槽段长度为 5.6 m，分一、二序槽段跳打施工（图 3）。

图3 “纯钻法”成槽工艺一、二序槽段示意图

施工中机具的布置采取跳槽段布置的方式进行，即施工的槽段之间留有一个槽段的位置。

5 塑性混凝土防渗墙施工

5.1 拦河闸、上游翼墙段导墙施工

混凝土防渗墙轴线长度为 178 m，墙体厚 60 cm。其中包括 11～18 区拦河闸及上游翼墙段的防渗墙。

施工平台及导墙：原设计施工平台高程为 686.0 m，由于长期卵石及泥沙堆积，现场实际整个工作面高程为 687.2～687.8 m，沿防渗墙轴线两侧按照 1∶1 的坡比开挖至 686.0～686.6 m 高程，形成底宽 3.0 m、顶宽5.4 m、高度为 1.2 m 的梯形槽，平整场地后修筑混凝土导墙。拦河闸、上游翼墙段导向墙剖面图如图 4 所示。

图4 拦河闸、上游翼墙段导向墙剖面图

施工平台采用素混凝土铺筑，防渗墙导墙采用矩形断面。孔口平台应设置在高于槽孔施工期最高洪水位 2.0 m 以上。根据设计要求，平台高程定在 687.2～687.8 m。

导墙高度为 1.2 m，顶宽 1.2 cm，底宽 0.6 m，导墙之间底部距离为 70 cm，采用 C25 混凝土浇筑成形，混凝土防渗墙厚度 60 cm。

5.2 堤防段导墙施工

堤防段墙顶高程为坡脚槽底面高程。堤防段防渗墙底部按进入强风化基岩不小于 0.5 m，且墙底距现浇混凝土防渗墙顶面不小于 25.0 m 控制；若基岩埋深较深，墙深 25.0 m处墙底仍未进入基岩，防渗墙底线按墙底距现浇混凝土防渗墙上表面不小于 25.0 m控制；局部基岩埋深较浅，进入中风化基岩墙深仍不足 25.0 m，墙底按进入强风化基岩 1.0 m 控制。

施工平台及导墙：由于施工的时段在汛期来临前，期间为保证施工的安全，避免上游突发来水对工程的影响，所以我方按照现在地表面高程作为施工平台高程，实测高程约为 691.7～693.9 m。通过初步开挖，其整个平台高程约为 692.0 m。根据现场踏勘，地下水位据现在开挖面高度约为 2.0 m，满足施工平台地下水高于 2.0 m的要求，最终以 692.0 m 作为施工平台高程。现场根据地下水位高程进行调整，以满足施工需要。

沿防渗墙轴线两侧按照 1∶1 的坡比开挖至 690.5 m高程形成底宽 3.0 m、顶宽 6 m，高度为 1.5 m 的梯形槽，导向槽内侧宽度为 70 cm，两侧顶部翼板根据现场实际地形进行（图 5）。

图5 堤防段导向墙剖面图

5.3 成槽施工

5.3.1 槽段最大深度选择

原地质勘察报告显示，拦河闸闸室区域基岩深度起伏稳定，深度＜23.0 m，设计防渗墙深度为 25.0 m。但经现场重新勘测，最深处 80.0 m 未见基岩，导致防渗墙施工困难，难以满足防渗要求。根据现场重新勘测的详勘报告显示，闸室段河床以下 30.0 m 的区域内还存在局部卵石层，如果防渗墙深度＜30.0 m，则上游蓄水会通过防渗墙底部卵石层绕渗至下游，不仅严重影响拦河闸蓄水效果，还会对拦河闸底部土体产生冲刷，影响拦河闸结构安全。经过对实际地质情况的分析，河床 30.0 m 以下基本都是黏土层，黏土层为不透水层，只要防渗墙深入黏土层，则能保证比较好的防渗效果。最终选定防渗墙最大深度为 31.5 m。

5.3.2 成槽设备

在拦河闸工程施工时投入的防渗墙造孔施工设备为 1 台旋挖钻机，孔间土抓取设 1 台金泰 SG46，在堤防段防渗墙造孔设备为 6 台 CZ-5 型冲击钻机。

5.3.3 造孔工艺

根据本工程具体情况，拦河闸采用“两钻一抓”进行防渗墙施工。上游堤防段由于地质原因复杂，所以我方施工中采用“纯钻法”进行施工，即采用冲击钻先打主孔（奇数孔），后打副孔（偶数孔），最后劈尽小墙成孔的方式。由于闸室段地质情况复杂，基岩起伏较大，局部槽段过大的坡度会造成已浇筑的混凝土由于摩擦力不足而大幅沉降，因此需要在槽内底部高程相差较大的槽段形成台阶，防止防渗墙产生沉降。

目前，影像学检查是临床诊断下肢静脉瓣膜功能的主要辅助手段，其中，静脉造影、彩色多普勒超声检查应用较为普遍。本研究结果显示，彩色多普勒超声、数字X线引导下下肢静脉造影检查在图像特点上虽各有不同，但两种检查方法均有较高的灵敏度、特异度和诊断符合率，且数字X线引导下下肢静脉造影灵敏度、特异度和诊断符合率略高于彩色多普勒超声检查，但差异无统计学意义(P>0.05)。这说明两种影像检查均是肢深静脉瓣膜功能不全较为理想的辅助检查方法，且数字X线引导下下肢静脉造影更具优势。

5.3.4 固壁泥浆

泥浆在混凝土防渗墙施工中的作用主要是保持孔壁稳定、悬浮钻渣以及冷却钻具。根据工程实际情况和设计要求，泥浆选用根据试验选取优质膨润土拌制的方式（通过试验槽段的施工，当地的黏土含砂料较高，不能达到固壁的效果），材料由自卸汽车运至泥浆站。

5.4 清孔换浆和接头孔刷洗

槽孔终孔后，即开始组织进行清孔换浆工作，二序槽终孔后还需进行接头孔刷洗。本工程清孔方案为“抓斗清孔法”。

5.4.1 抓斗清孔法换浆

成槽到设计孔深后，停止下放成型器，将利用抓斗到孔底，将通过抓取的方式将孔底的残渣抓出孔口并配合注入清水，当孔内浆液达到密度≤1.10 g/cm3、500/700 漏斗黏度为20～30 s、含砂量≤6% 后停止清孔换浆，转入下一道工序。

5.4.2 接头孔刷洗

二期槽接头孔的刷洗采用具有一定重量的圆形钢丝刷子，通过调整钢丝绳位置的方法使刷子对接头孔孔壁进行施压。在此过程中，利用钻机带动刷子不断地由孔底至孔口进行往返运动，从而达到对孔壁进行清洗的目的。接头孔壁刷洗结束的标准是：接头刷不带泥屑，并且孔底淤泥不再增加。

5.4.3 清孔换浆结束标准

表1 现场泥浆性能指标控制标准

结束标准：清孔换浆结束 1 h 后，槽孔内淤泥厚度≤10.0 cm；泥浆质量≤1.30 g/cm3；500/700 漏斗黏度≤30 s；含砂量≤6%。

5.5 水下混凝土浇筑

（1）控制好原料。工程质量的好坏取决于原材料的质量，所以在施工时，要对施工原料质量进行严格试验，各项指标要符合要求，严禁使用不合格的施工原料，要确保施工的安全。

（2）搅拌和输送混凝土。混凝土的搅拌和输送要进行严格的要求，要根据具体情况随时配制混凝土。在进行配比时，需要适当的调整稳定和湿度，适当地将水泥含量增加。

5.6 接头管施工

根据我方以往防渗墙施工经验和工程的实际情况，本工程防渗墙接头采用“接头管法”，在实施一、二序槽段连接时下设接头管。这种方法优点是施工方便，无需增加其他大型设备，能节约混凝土。且该方法增大一、二序槽段混凝土的接触面积，使墙段接头较好，并能加快施工进度。

5.7 塑性混凝土原材料的选择

防渗墙所用的 C15 塑性混凝土，其特征在于添加膨润土。塑性混凝土是一种水泥用量很少并加入了膨润土的混凝土，其水泥胶结物的黏结力低，从而使其强度大大降低，塑性变大。塑性混凝土防渗墙具有弹性模量低、极限应变大的优良特性，大大提高了防渗墙的安全性。

塑性混凝土的优良性能主要取决于它的以下特性。

（1）塑性混凝土具有极低的变形模量，而且可以人为控制其配合比，使其变形模量在较大范围内变化。

（2）塑性混凝土具有与土层形态非常相似的应力应变曲线，可以人为地选择与周围土层应力应变曲线相吻合的塑性混凝土配合比。

（3）塑性混凝土的极限应变值比普通混凝土大得多。普通混凝土的受压极限应变值εmax为 0.08 %～ 0.30 %，而塑性混凝土在无侧限条件下的极限应变超过 1.00%，比普通混凝土大几倍甚至几十倍。

（4）在三向受力条件下塑性混凝土的强度有很大的提高，而且几乎与围压呈直线增大。这就意味着随着围压的增加，塑性混凝土的强度增加了，防渗墙的安全度得以提高。

由于闸室段防渗墙处于闸室下部，与闸室、上游防冲板相连接，为了保证其能够承受闸体的沉降变形，又能保持良好的完整性从而达到完整的防渗性能，因此需要使用变形能力强、又有一定强度的塑性混凝土。其所用原料集料、胶凝材料、减水剂的用量如下：集料 1774 kg，胶凝材料 285 kg，减水剂 38.5 kg，水 200 kg。其中所用原料水的用量为 200 kg，按水和胶凝材料的重量比计算，水胶比即水与凝胶材料比值为 0.7。

所述的中砂，细度模数为 2.7，孔隙率 42 %，表观密度 2610 kg/m³，粒径为0.35～0.50 mm；所述的碎石由 5 mm≤粒径D＜20 mm 的碎石和 20 mm≤粒径D≤40 mm 的碎石混合而成，按质量比，即5 mm≤粒径D＜20 mm 的碎石：20 mm≤粒径D≤40 mm 的碎石为 1.0∶1.5；所述的胶凝材料由水泥和膨润土组成，按质量比计算，水泥：膨润土为 3.75∶1；

C15 塑性混凝土性能指标如下：①入槽坍落度 18～22 cm；②扩散度 34～40 cm；③坍落度保持 15 cm 以上，时间应≥1 h；④初凝时间≥6 h；⑤终凝时间不宜＞24 h；⑥混凝土密度≥2100 kg/m3； ⑦ R28≥10 MPa；⑧弹性模量≤18000 MPa（2017年2月6日设计提出增加混凝土强度，相应提高弹性模量≤23000 MPa）；⑨K≤i×10-7cm/s（i=1～9）。

5.8 防渗墙下帷幕灌浆

5.8.1 技术要求

闸室段混凝土防渗墙下强风化基岩顶部高程高于 673.0 m 部分，防渗墙底须增加帷幕灌浆，帷幕灌浆孔原定于预埋钢管，间距 1.5 m，但是由于现场槽段为 2.8 m，布置的时候不易固定，底部易产生偏移出现较多的废孔的情况，所以采用后期钻孔的方式进行。

（1）帷幕灌浆为单排。孔距 1.5 m。灌浆底线深入墙底以下 5.0 m，分 2 段、2 序施工，第一段 2.0 m，第 2 段 3.0 m。帷幕灌浆要求灌后基岩透水率≤10 Lu（1 Lu 相当于渗透系数为 10-5cm/s）。

（2）在正式开始帷幕灌浆施工前，在地质条件类似的区域应进行生产性试验，取得灌浆施工工艺参数。

5.8.2 钻孔与取芯、压水试验考虑

（1）检查孔及灌浆孔孔径为Φ76 mm，钻进采用回转式钻机，金刚石钻头及硬质合金钻头共同协作钻进。

（2）灌浆底线深入墙底以下 5 m。

（3）钻孔取芯。①由于防渗墙后期要钻芯取样，则现场将防渗墙取芯钻孔与防渗墙下帷幕灌浆检查钻孔一并考虑，先进行钻孔取芯，再利用该孔进行帷幕灌浆施工。②所有检查段应全孔段压水取芯，要求芯样获得率达到 80 %

5.8.3 灌浆压力选择

灌浆采用孔口封闭，自下而上全孔一次性灌浆。一序孔灌浆压力分别为 0.3～2.0 MPa；二序孔灌浆压力为 0.3～3.0 MPa，三序孔灌浆压力 0.4～3.0 MPa。灌浆全过程中认真观测并记录抬动表的变化情况，当抬动表变化值超过 0.1 mm 时立刻停止升压。

5.8.4 浆液水灰比和浆液变换标准

灌浆水灰比：灌浆水灰比采用 5∶1 、 3∶1 、 2∶1、 1∶1 、 0.8∶1.0 共 5 个水灰比级，开灌水灰比为 5∶1。帷幕灌浆浆液变换标准如下：当灌浆压力保持不变，注入率持续减小时，或注入率保持不变而灌浆压力持续升高时，不得改变水灰比；当某一比级浆液注入量已达 300 L以上，或灌注时间已达 30 min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应换浓一级水灰比浆液灌注；当注入率大于 30 L/min 时，应根据施工具体情况，可视具体情况逐级变浓。

5.8.5 灌浆结束标准和封孔

在规定的灌浆压力下，当注入率不大于 1.0 L/min，继续灌注 30 min，灌浆即可结束。全孔灌浆结束，经验收合格后用水泥浆进行封孔。