深厚覆盖层坝基混凝土防渗墙的设计与效果

2022-09-16刘丹

河北水利 2022年8期

□刘丹

混凝土防渗墙具有渗透稳定可靠性高、渗漏量控制效果明显、成墙深度大等优点，在深厚覆盖层坝基中被广泛应用。某中型水库地基为深厚覆盖层地基，漂石含量高、坝址处存在孤石、地形条件复杂，为不对称U形河谷，地基处理难度大。因此，防渗墙墙体厚度的确定、槽孔建造的关键、施工质量的控制措施，均为工程的技术难点。通过计算、对比确定墙体厚度，分析槽孔建造关键因素，提出适合工程实施的地基处理方案，论述质量保证措施，为以后相似地质条件防渗墙工程建设提供借鉴与参考。

1.工程基本情况

某中型水库工程等别为Ⅲ等，大坝建筑物级别为3级，大坝为土质心墙分区坝，坝顶长533.0m，最大坝高46.0m。坝基覆盖层主要为砂卵石、漂石，是坝基渗漏的主要通道，勘察揭露最大埋深达83m，漂石含量17.7%，设计采用混凝土防渗墙加防渗帷幕方案，水库最大墙深达到83m，是目前为止河北省第一深墙，在如此复杂地基上修建防渗墙，其墙体厚度的确定、槽孔建造施工工艺的选取以及施工质量的控制措施等问题均是施工防渗墙的技术难点。大坝及防渗墙三维示意图见图1。

图1 大坝及防渗墙三维示意图

2.防渗墙墙体设计

混凝土防渗墙应具有所需要的强度，足够的抗渗性和耐久性，混凝土防渗墙常用厚度为0.6m~1.2m。防渗墙厚度过大，会造成大量浪费；偏小则不能满足防渗、强度等功能要求，甚至会危及大坝安全，因此防渗墙的厚度应合理确定。防渗墙厚度确定的影响因素有墙体材料、抗渗及耐久性要求、防渗墙结构应力应变的影响、地质条件的影响、施工条件的影响、环境水质，并结合已建工程经验综合确定。

工程砂卵石覆盖层最大深度达83m，并且覆盖层中漂石含量较多，粒径600mm以上大块漂石占到17.7%，砂卵石岩性为石英砂岩，硬度较高，更加大了施工难度。若防渗墙厚度过小，施工时遇到大块漂石，钻头重量小，处理功效慢，甚至导致塌孔；防渗墙底部基岩透水率为10~100Lu，局部还存在断层，根据坝基渗流计算，对防渗墙底部基岩进行帷幕灌浆，需要在防渗墙墙体内预埋帷幕灌浆管，若防渗墙厚度过小会造成施工不便，不易保证成墙质量；防渗墙属于地下工程，不便于后期修补，一旦出现质量问题，严重影响工程效益的发挥；经查阅文献，对20世纪90年代以后国内已建墙深超过60m的混凝土防渗墙进行统计，初选防渗墙厚度1m。

根据《水工设计手册》，考虑防渗墙的抗渗性及耐久性，防渗墙厚度计算公式如下：

经计算，综合考虑已建工程，确定防渗墙设计厚度取1.0m。经三维有限元渗流计算以及三维有限元应力变形分析计算，坝体及坝基防渗体系的设计具有良好的防渗作用，混凝土防渗墙中的流速分布较为均匀，最大为4.11×10-7m/s，最大渗透比降为41.1，防渗墙位移及应力分布合理。

3.槽孔建造关键因素

3.1 施工工艺的选取

槽孔建造的设备以及槽孔建造方法，需要结合地层情况、墙体的结构形式以及设备的适用条件等进行选择，结合工程实际情况也可选用多种设备组合施工，常用的成槽方法有铣削法、钻抓法和钻劈法等。钻劈法槽段分为I、II期槽，各期槽段均可由3个主孔和两个副孔形成，先钻凿主孔后钻凿副孔。钻凿主孔采用冲击钻机造孔，然后钻劈副孔形成槽段。对于墙底嵌入基岩部分，采用冲击钻机配重锤冲砸破碎；钻抓法采用冲击钻破除抓斗成槽机抓斗两侧卵石，形成圆形孔洞，使成槽机抓斗均能放入孔洞中，顺利将两孔洞中间墙体挖除。鉴于本工程防渗墙最大深度约为80m，抓斗需采用钢绳抓斗，孔间距一般不大于抓斗最大开度的2/3，通常可采用两钻一抓或三钻两抓；双轮铣槽机是一个带有液压和电气控制系统的钢制框架，底部安装有3个液压马达，两边马达分别带动两个装有铣齿的滚筒，铣槽时两个滚筒低速转动，方向相反，铣齿将岩体破碎，中间马达驱动泥浆泵，通过铣轮中间的吸砂口将石渣与泥浆一起排出地面，如此反复最终成槽。

钻劈法结构简单，便于操作、维修，成墙效果较好，但效率较低；钻抓法较钻劈法效率可提高1~3倍，应用较为广泛，但不适用于粒径大且密实度较高地层；双轮铣作业效率高，成槽质量好，施工成本高，硬度大的卵石层功效不明显，尚需冲击钻配合。结合本工程地质条件，考虑砂卵石硬度高，含大量漂石，墙体深度大于80m深，混凝土防渗墙主要采用冲击钻机“钻劈法”成槽。造孔过程中，当遇到大孤石时，在孔内下设导向钢管，在导向管内下钻孔。钻孔完毕，将药卷放置在小口径PVC管内形成爆破筒，用细铅丝吊放爆破筒到孔内爆破，将槽孔范围内的孤石破碎成粒径小于30cm～40cm的碎块后再进行钻孔施工，孔内钻孔爆破采用非聚能圆筒形爆破筒进行。

3.2 泥浆性能的要求

泥浆的性能对成槽时的孔壁稳定起着重要作用，泥浆应具有良好的稳定性、较强的抑制性、较大的悬浮以及携带岩屑的能力、较小的失水量以及适当的相对密度等物理力学性能，并且能在槽壁上形成一层薄而致密的泥皮，这样才能在槽孔建造时对槽壁起到很好的支撑作用以及稳定地层的作用，减少塌孔等问题的出现。结合本工程实际，综合考虑本工程的施工难度，为槽孔施工争取宝贵的时间，保证槽孔建造过程中槽壁的稳定，需要对泥浆性能提出较高的要求。首先拌制泥浆的土料要选择钻井级膨润土，泥浆黏度计、动塑比、滤矢量等严格按照规范要求控制。泥浆的配合比，应根据地层特性、成槽方法、泥浆用途，通过试验选定。为保证槽段之间连接，二期槽孔清孔换浆结束前，应清除接头槽壁上的泥皮。

3.3 槽孔孔斜率的控制

槽孔建造的终孔质量检查包括孔深、槽孔中心偏差、孔斜率、槽宽和孔形。槽孔的孔斜率是槽孔建造质量的控制性因素，要保证墙体达到设计厚度、槽段内连接可靠。考虑本工程防渗墙深度较大，单纯的控制孔斜率会导致绝对偏差值较大，所以对孔斜率和孔斜的绝对偏差值都做出了严格要求，成槽施工时孔斜率＜4‰，偏差绝对值不应大于设计墙厚的1/3。考虑坝基覆盖层中漂石含量较高，可能存在大孤石，对遇孤石地层及基岩陡坡等特殊情况，应控制在6‰以内。对于槽孔孔斜率的检查，根据现场实际情况，条件允许情况下，以超声波检测为主，局部辅以重锤法检测，严格控制槽孔质量。

4.防渗墙质量保障措施

4.1 机械保障措施

根据本工程的特点进行防渗墙成墙设备选型，成墙的机械满足墙深、墙厚、孔斜等相应的技术要求。严禁使用本身不对称，各个方向配重不一的钻头，或由于焊接造成钻头偏心，导致孔斜；泥浆制浆设备采用高速制浆机，配置相应的过滤装置；为保证混凝土具有良好的和易性，采用混凝土拌和车水平运输混凝土，其数量大于计划浇筑强度的1.2倍；浇筑导管要有足够的刚度和强度，管间连接和密封必须可靠；接头管能承受最大的混凝土压力和起拔力，管壁表面应平滑，管间连接方式可靠。选用有足够起拔能力的专用拔管机。