塑性混凝土在水电工程大坝防渗墙工程中的应用研究

2023-11-17单强SHANQiang齐书杰QIShujie

价值工程 2023年31期

单强 SHAN Qiang；齐书杰 QI Shu-jie

（①河南省河川工程监理有限公司，郑州 450000；②河南省水利第一工程局集团有限公司，郑州 450000）

0 引言

从多年的试验研究和工程项目实践中可以看出，刚性混凝土防渗墙在大型建筑工程中，尤其是水电工程大坝中发挥了重要的作用，这不仅仅是在国内，在国外应用同样广泛。然而在应用中，也存在着一些问题，如刚性混凝土的弹性模量太高，极限应变不大等。一般而言，刚性混凝土的弹性模量在200～300 万N/cm2以上，而这将远远高出周围地基。由此，基于上部强大的荷载作用，会加大防渗墙顶部和周围地层的沉降差和变形，而防渗墙自身所承受的垂直压力和侧摩阻力将是巨大的，最终使得墙体内部的实际应力值远远高于混凝土允许的抗拉强度值，墙体的实际应变也会急剧增大，所以，刚性混凝土内部裂缝产生，降低了防渗的效果。

然而，使用塑性混凝土解决了这个工程难题。相比较刚性混凝土，塑性混凝土自身优势更加凸显，其有着较低的初始弹模，较大的极限应变，也能够更好地应对大幅度的变形，对防渗墙体应力状态的改变能够进行很好的改善。与此同时，塑性混凝土在实际应用中能够减少水泥的用量，降低工程成本，所以其广泛应用于我国的水利工程中。

1 水库概况

研究对象某水库从运行以来，渗水漏水现象一直存在，该水库主要是防洪、灌溉、发电、养殖，水库的总容量为427.5 万m3。在应用期间，已做过帷幕灌浆，但是渗水和漏水的问题仍未改善，包括下游坝坡位置，两坝肩山体结合位置等，渗水漏水量仍旧很大，影响水库的正常水流量。

2 防渗墙施工设计

结合水库的实际地理位置和渗漏情况，进行塑性混凝土防渗墙的施工设计，具体方案如下：将混凝土防渗墙建造在大坝的轴线位置上，顶部和终浇高程分别为84.4m 和82.9m，墙体内不透水层控制在1m 到2m 的范围，其中渗透系数为N×10-6cm/s，弹性模量和抗压强度分别为500～2000MPa 和R281.5～5.0MPa。对空斜率的要求为：特殊地层≤6‰，接头孔≤4%。

3 大坝混凝土防渗墙施工方案

3.1 主要施工方法简述

施工方法主要有以下几点组成：

①成槽采用液压抓斗；

②采用膨润土泥浆护壁；③“泵吸反循环法”或“气举法”置换泥浆清孔；

④混凝土搅拌站拌和混凝土；

⑤混凝土输送泵输送混凝土；

⑥泥浆下直升导管法浇筑混凝土；

⑦采用“接头管法”进行I、II 期槽段连接；

⑧25T 吊车辅助混凝土浇筑。

在施工的前期阶段，要将混凝土和泥浆进行配比，试验其性能，并送审批。在防渗墙中心位置进行试验，分别将造孔、墙体混凝土浇筑、泥浆固壁、成槽等环节取得相关资料去送审批准，之后再进行施工。

3.2 施工准备

3.2.1 勘察地质情况对施工范围内的地质情况、水文情况、地层情况进行了解，为施工工艺的选择提供支撑。

3.2.2 清理场地整理平整施工场地，将施工内地下3 m 内的施工障碍物进行清除处理。

3.2.3 进行试验在与防渗墙施工部位工程地质条件相类似的地段进行实验，以获取相应数据参数。

3.3 施工方法

在防渗墙施工的过程中，要将其分为若干的槽段，将跳槽段设为施工顺序，即完成了I 序槽段，直接进入II 序槽段。其中主要施工工序为：测量定位→导墙建造→抓孔成槽→清底→灌注混凝土等，其施工流程如图1 所示。

图1 槽孔式混凝土防渗墙的施工工艺流程图

3.4 导墙施工

3.4.1 导墙结构

导墙所采用的结构均为现浇钢筋混凝土，其强度等级是C20，跟脚要落在坚硬土层上，因此实际施工中，可以结合实际来调整。在确保导墙稳定性的同时，也要确保其有一定的承载力，用以抵抗泥浆起落时的冲击力，具体结构如图2 所示。

图2 导墙结构示意图

导墙制作流程：测量定位→土方开挖→钢筋制安→立模→砼浇筑→拆模、内支撑。

3.4.2 精度要求

在导墙内侧宽的设计上，在防渗墙宽加出5cm，纵轴线与墙面允许偏差为±10mm，内外墙间距允许偏差为±5mm。

3.5 泥浆制作

①在泥浆材料的制备中，主要采用的是优质膨润土和少量粘土，泥浆材料的使用前都要进行检测，符合检测标准后才能使用。质量控制主要指标为：比重1.1～1.3，粘度18～25S，含砂率≤5%，胶体率95%，必要时，加适量的添加剂，制备泥浆性能指标应符合表1 中规定。

表1 制备泥浆的性能指标表

②泥浆的拌制。

泥浆拌制系统要设置在防渗墙轴线以下的位置，在1平方米内的搅拌机需要布置6 台。贮浆池容量300m3。泥浆制浆系统配制的泥浆通过φ150mm 管线输送到泥浆中转站，再由中转站分送各施工槽孔。

③泥浆处理。

在泥浆处理的过程中，要始终遵循以施工便利为根本原则，具体泥浆循环工序流程见图3。

图3 泥浆循环工序流程图

3.6 成槽施工

在成槽施工工序中，采用冲击钻机钻凿端孔，接着用抓斗抓取副孔土体成槽，最后入岩用冲击钻。在速度推进的过程中，也可直接用液压抓斗施工成槽。

3.7 清槽

在清槽的过程中，对槽底进行清渣，以提高防渗墙承载力，提高成槽的质量。

3.8 墙体塑性混凝土浇筑

①塑性混凝土拌制。

对塑性混凝土进行拌制，所采取的是混凝土拌和站集中拌制，其原材料都要符合相关要求，另外，在称重时，偏差不超过《水工砼施工规范》（DLT5144-2001）的规定，要求称重设备要精准无误，拌和程序和时间均应通过试验确定。拌和系统流程见图4。

图4 拌和系统流程图

②塑性混凝土采用泥浆下直升导管法进行浇筑。

导管内径250mm，密闭承压试验合格后进行安装，安装底部出口与槽底距离不大于250mm，导管采用吊车吊装并固定高度。塑性混凝土开浇前，每个导管均下入可浮起的木制隔离球塞，并注入适量的水泥砂浆，备好足够数量的塑性混凝土，初浇储料斗容量为1.5m3，以使导管中的木球塞被挤出后，能将导管底部埋入塑性混凝土内。

③在进行塑性混凝土浇筑的过程中，要对测量数据进行认真记录，将各单元槽段的制作抗压强度进行试件测试，将每五个槽段的制作抗渗以及弹性模量试件进行分组测试，取样要随机进行。

3.9 接头孔施工

一、二期槽孔间混凝土套接处理，采用φ400mm 接头管法，保证槽孔可靠连结。接头管直径φ400mm，壁厚12mm，节长度3～6m，2 根接头管下设在I 期槽孔内。当一期槽成槽验收合格后，在槽两端下接头管，砼浇筑后，根据控制时间与起拔力，起拔接头管。接头管起拔后，槽段形状如图5。

图5 一期槽段成型后的平面示意图

4 施工过程检测控制

在施工过程中，检测控制的项目有泥浆质量检测、水下砼浇筑检测和造孔成槽检测等，以下分别介绍三种主要检测项目的内容。

①泥浆质量检测，即是对泥浆的质量进行的检测，泥浆质量包含：槽孔泥浆、新造泥浆的比重、含砂率等等，是否达到相应标准。

②水下砼浇筑检测，即对塑性混凝土浇筑过程和质量进行的检测，塑性混凝土浇筑过程包含：浇筑速度、浇筑高度等等，是否达到相应标准。

③造孔成槽检测，即对成槽深度和垂直度进行的检测，在进行垂直检测时，要注意将垂直度控制在1/300h，另外由于液压抓斗自身装有纠偏表，在操作中可适当进行处理。

5 施工质量控制

5.1 槽孔质量控制

对施工质量控制之槽孔控制主要包含：防渗墙槽孔质量、二期槽清孔换浆、清孔换浆质量等。

①防渗墙槽孔质量检测，即对孔位偏差、槽壁平整度、接头孔孔位中心、中孔入岩深度等进行质量检测。

②二期槽清孔换浆质量检测，即对接头槽壁泥皮、孔底淤积厚度等进行检测，其中用钢丝刷钻头进行清洗，之后进行检测。

③清孔环江质量检测，检测包含：孔底淤泥厚度、槽内泥浆密度、含砂率等等。

5.2 混凝土浇筑质量控制

对混凝土浇筑质量进行的检测控制，主要包含：原材料、搅拌机、混凝、导管、槽孔口等等，对原材料进行分筛试验，并结合一定的配比度；校核搅拌机；检测混凝土塌落度以及扩散度；检测导管埋深度是否符合相应要求；检测混凝土面上升高度，确保其在合理范围；检测槽孔口盖板；定时对槽孔内混凝土面深度进行控制检测，并绘制相应的指示图；对混凝土防渗墙进行质量检测；对混凝土设计墙顶高度进行检测控制；对混凝土浇筑的连续度进行监测等等。

6 塑性混凝土防渗墙应用效果及经济效益分析

6.1 防渗效果

在塑性混凝土防渗墙应用中，对厚40cm 的防渗墙进行检测，发现采取墙体钻孔取芯检测不适宜，而最后选择了槽孔口混凝土随机取样，并对其进行了抗渗、试压、弹模试样等，其中抗渗试样和弹模试样都做了10 组，而试压做了24 组。各组试样都达到了设计的质量要求，在混凝土防渗墙分工程中的质量都为优良的等级。在塑性混凝土防渗墙浇筑完成之后，渗漏的面积在逐渐减少，在完工后的30天，渗漏和潮湿情况基本消失，由此可见塑性混凝土防渗墙应用效果非常良好。

6.2 经济效益

从塑性混凝土防渗墙的应用和防渗效果中可以看出，成效显著，且所取得的经济效益非常明显。这里以某项目围堰所选择的常规混凝土防渗墙为分析对象，此工程中砼100#的混凝土中，每立方米用350kg 的混凝土水泥，然而仅用了170kg 的防渗墙塑性混凝土水泥，从这组对比数据中可以很明显地看出经济效益，该项目在防渗墙总计混凝土应用约为19180 平方米，按照每平方米节约13 元来看，整个项目防渗墙节约大概在26 万元左右。现阶段下，混凝土配比水泥用量仍然处在高位，这里可以根据有限元分析成果，对配比进行调整和优化。