芻議水庫大壩混凝土加固及防滲技術(shù)
摘要:本文根據(jù)混凝土防滲墻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,結(jié)合實(shí)際情況,介紹混凝土防滲墻(指機(jī)械造(挖)槽,泥漿護(hù)壁、混凝土澆筑)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:水庫大壩;混凝土;防滲墻;設(shè)計(jì)
1混凝土防滲墻概況
混凝土防滲墻是利用造(挖)槽孔機(jī)械設(shè)備,借助泥漿的護(hù)壁作用,在地下挖出窄而深的槽孔,并在其內(nèi)澆注混凝土而形成一道具有防滲功能的連續(xù)的地下墻體�；炷练罎B墻自身要能滿足強(qiáng)度和變形的要求,有足夠的抗?jié)B性和耐久性,能有效地截住滲透水流,控制滲流量,墻體滲透比降和出逸比降均滿足設(shè)計(jì)要求�；炷练罎B墻設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有:造槽孔工法比選;總體布置;墻厚比選;墻體材料比選;泥漿比選;細(xì)部設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)指標(biāo)和質(zhì)量要求。
2造槽孔工法比選
常用的造槽孔工法主要有沖擊式鉆進(jìn)法(鉆劈法)、沖擊式反循環(huán)鉆進(jìn)法、射水法、鋸槽法、抓斗挖槽法(抓取法)和雙輪銑槽法等,施工中又有兩種或兩種以上工法的組合,如“兩鉆一抓”法、“兩鉆三抓(銑)”法和“銑、砸、爆“法等組合方法,以抓斗挖槽法和雙輪銑槽法為先進(jìn)。
2.1沖擊式鉆進(jìn)法
沖擊式鉆進(jìn)法是利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)來提升和下落鉆頭,利用鉆頭提升后自由下落的重力沖擊孔底,使土層(或巖石)破碎而進(jìn)行鉆進(jìn),并用一定濃度的泥漿護(hù)壁(泥漿會(huì)在鉆孔孔壁上形成泥皮,在泥漿壓力作用下使孔壁保持穩(wěn)定而不坍塌,并能防止泥漿滲漏),當(dāng)孔底的鉆渣逐漸增加以后,取出鉆頭放入抽筒掏渣,成孔后采用水下直升導(dǎo)管法澆注混凝土,混凝土靠自重和自流平衡特性而至密實(shí)形成一段混凝土墻體,墻段間一般用鉆鑿法連接。沖擊式鉆進(jìn)法是世界上最早采用的工法,該工法在各種土、砂層、礫石、卵石、漂石、軟巖、硬巖中都能使用,工效較低。國產(chǎn)主要機(jī)型是CZ—22和CZ—30型,鉆具包括鉆頭和抽筒兩部分,鉆頭又可分為空心鉆頭、一字鉆頭、十字鉆頭、圓鉆頭、角錐鉆頭和雙反弧鉆頭等。
2.2沖擊式反循環(huán)鉆進(jìn)法
沖擊式反循環(huán)鉆進(jìn)法是在沖擊式鉆進(jìn)法的基礎(chǔ)上,在空心套筒式鉆頭中心設(shè)置排渣管,利用反循環(huán)砂石泵將鉆渣與循環(huán)漿液經(jīng)排渣管及循環(huán)管路,從孔底連續(xù)地抽入設(shè)在地面的泥漿凈化裝置進(jìn)行凈化,凈化后的泥漿經(jīng)循環(huán)漿池注入槽孔循環(huán)使用,通過這一循環(huán),鉆機(jī)完成鉆進(jìn)及排渣作業(yè),直至造孔完畢。由于采用反循環(huán)出渣方式,從而大大提高了鉆進(jìn)效率。沖擊式反循環(huán)鉆機(jī)最早由法國公司在20世紀(jì)50年代研制成功,我國水利水電基礎(chǔ)工程局于20世紀(jì)90年代研制成功CZF-1200型沖擊式反循環(huán)鉆機(jī),同時(shí)地礦部門也研制成功CJF-20型沖擊式反循環(huán)鉆機(jī),目前國產(chǎn)機(jī)型主要是CZF—1200、CZF—1500、CJF—20和CJF—12型。
2.3射水法
射水法是利用水泵送水至成形器中的射水裝置所形成的高速射流和成形器及導(dǎo)水管本身的沖擊力,以及向下移動(dòng)時(shí)成形器內(nèi)刀片的切削等作用,破壞土層結(jié)構(gòu),水土混合回流后泥沙溢出地面(三代機(jī)是在成形器中設(shè)置排渣管用反循環(huán)砂石泵抽出地面),利用卷揚(yáng)機(jī)操縱成形器不斷地上下移動(dòng),切削修整孔壁,造成有規(guī)則的槽孔,并用一定濃度的泥漿護(hù)壁。成孔后采用水下直升導(dǎo)管法澆注混凝土,混凝土靠自重和自流平特性而自密實(shí)形成一段混凝土墻體,利用成形器側(cè)向水噴嘴沖洗一期槽孔混凝土的側(cè)面,使一、二期混凝土連接緊密,形成地下連續(xù)防滲墻。該工法適用于粒徑小于10cm的砂土、粉土、粘土地基,具有工效高、造價(jià)低的特點(diǎn)。射水法1982年由福建省水利科學(xué)研究所開始研究,目前已發(fā)展到第三代機(jī)型。
2.4鋸槽法
鋸槽法是利用鋸槽機(jī)帶動(dòng)鋸管鋸割地層,鋸出有規(guī)則的槽孔,并用泥漿護(hù)壁,在鋸管上設(shè)置排渣管,用反循環(huán)砂石泵出渣,再以混凝土等成墻材料置換護(hù)壁泥漿,形成具有一定強(qiáng)度和防滲性能的連續(xù)墻體。該工法僅適用于松散的砂土、粉土、粘土地基,工效較高。鋸槽法是由東北巖土工程公司1990年開發(fā)的一種薄防滲墻施工方法。
2.5抓斗挖槽法
抓斗挖槽法是指蚌(蛤)式抓斗,利用機(jī)械作用并借助斗體的自重,打開和關(guān)閉斗門抓取土體并將其帶出孔外,同時(shí)用泥漿護(hù)壁的一種挖槽工法。成孔后采用水下直升導(dǎo)管法澆注混凝土,混凝土靠自重和自流平特性而自密實(shí)形成一段混凝土墻體,墻段連接一般選用接頭管(板)法。該工法適用各種土層和軟巖,特別適合于在含有小漂石和石塊的地基中挖槽。新型抓斗大多配有測(cè)斜和糾偏裝置,可調(diào)整抓斗斗體角度,使挖槽垂直精度達(dá)1P500以上。抓斗挖槽法具有墻體整體性好、厚度均勻、適用地層廣、工效高的特點(diǎn)。液壓抓斗在粘土層中施工工效一般可80～100m2P臺(tái)班。抓斗最早使用時(shí)是用鋼絲繩來懸掛并進(jìn)行控制的,20世紀(jì)60年代后期開始使用液壓抓斗。根據(jù)抓斗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可把抓斗分成鋼絲繩抓斗、液壓抓斗、導(dǎo)桿式抓斗和混合式抓斗等,主要由意大利、日本、英國和德國等國生產(chǎn),我國已批量引進(jìn),并研制開發(fā)成功。
2.6雙輪銑槽法
雙輪銑槽法是驅(qū)使安裝在機(jī)架上的的兩個(gè)鼓輪向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng),鼓輪上的切刀將地層旋銑、切割、擠碎,松動(dòng)后的土、砂、卵石、巖石碎塊用泵抽吸至地面,同時(shí)用泥漿護(hù)壁,成槽孔后采用水下直升導(dǎo)管法澆注混凝土,混凝土靠自重和自流平特性而自密實(shí)形成一段混凝土墻體,墻段連接由雙輪銑槽機(jī)直接切割一序混凝土,在一、二序墻段連接中不需專門的連接件和特殊封堵就能形成良好的墻段接頭。該工法適用各種土層和軟巖,配用特制的滾輪銑刀還可鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖石,利用電子測(cè)斜裝置、導(dǎo)向調(diào)節(jié)系統(tǒng)和可調(diào)角度的鼓輪旋銑器來保證挖槽精度,精度高達(dá)1‰～2‰。該工法具有墻體整體性好、厚度均勻、適用地層廣、成槽深、挖槽精度高和挖掘效率高的特點(diǎn),是最先進(jìn)的造槽機(jī)械。目前世界上最深和最厚的混凝土地下連續(xù)墻都是使用銑槽機(jī)建成的。雙輪銑槽機(jī)又可分為液壓雙輪銑槽機(jī)和電動(dòng)雙輪銑槽機(jī)兩類,主要由意大利、法國、德國和日本等國生產(chǎn),我國已少量引進(jìn),三峽工地曾引進(jìn)過一臺(tái)德國寶峨(BAUER)公司生產(chǎn)的BC-30型液壓雙輪銑槽機(jī)。
2.7兩鉆一抓法
兩鉆一抓法是沖擊式鉆進(jìn)法(或沖擊式反循環(huán)鉆進(jìn)法)與抓斗挖槽法的組合,施工方法是先用沖擊鉆機(jī)或沖擊反循環(huán)鉆機(jī)鉆進(jìn)兩相鄰的主孔,終孔后再用抓斗抓取中間副孔的造(挖)槽孔工法。兩鉆三抓(銑)法是在兩鉆一抓法基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的。造(挖)槽工法都有各自的主要性能和適用范圍(見附表),選擇造(挖)槽孔工法和設(shè)備時(shí),主要應(yīng)考慮幾個(gè)因素的影響:壩體填筑材料,壩基、壩肩地層和巖層特性,水文地質(zhì)條件;開挖深度、寬度和強(qiáng)度;施工條件;機(jī)械設(shè)備的適用條件。根據(jù)我省水庫大壩防滲處理防滲墻深度不大的具體情況,宜優(yōu)先比選射水法、抓斗法等經(jīng)濟(jì)高效工法,或兩鉆一抓法等。
3總體布置
水庫防滲處理防滲布置時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn):
(1)壩基地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件。宜將防滲墻放在堅(jiān)固而不透水的基巖或粘性土層中,盡量避開不利的地質(zhì)構(gòu)造,墻底應(yīng)伸入相對(duì)不透水層,與壩的防滲體、壩基覆蓋層和基巖內(nèi)的防滲設(shè)施應(yīng)緊密地連接成一整體。(2)與原有防滲體及其他建筑物的連接。與土質(zhì)防滲體連接時(shí),應(yīng)作成光滑的楔形,插入土質(zhì)防滲體高度宜為1P10壩高,接觸面允許比降應(yīng)按土料允許比降確定。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)認(rèn)真做好與壩身混凝土構(gòu)筑物的防滲連接,但布置時(shí)應(yīng)盡量避開與壩身混凝土構(gòu)筑物連接,以減少接頭處理。(3)認(rèn)真做好與兩岸的連接設(shè)計(jì)。(4)工程量最小和造價(jià)最低。
4墻厚比選
防滲墻的厚度選擇是混凝土防滲墻設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容,影響防滲墻厚度的因素主要有壩高,滲透穩(wěn)定條件,施工條件和地質(zhì)條件�！赌雺菏酵潦瘔卧O(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)對(duì)此沒有明確規(guī)定,只在規(guī)范第6.2.8條條文說明中提出混凝土防滲墻“一般允許滲透比降80～100作為控制上限值”。我省大中型水庫大壩80%以上壩高在40m以下,水庫主要是20世紀(jì)80年代以前興建的,壩體經(jīng)過幾十年沉降已趨于穩(wěn)定,設(shè)計(jì)中比選防滲墻的厚度時(shí)可用防滲墻允許滲透比降確定,建議普通混凝土防滲墻允許滲透比降取80～100,塑性混凝土防滲墻允許滲透比降取60～80。
5墻體材料比選
墻體材料主要選用普通混凝土和塑性混凝土兩種。普通混凝土選用強(qiáng)度等級(jí)在C10以上,水泥用量在350kg/m3以上,水膠比在0.65以下,具有彈模高、強(qiáng)度大的特點(diǎn),能承受較大的垂直和水平荷載。但由于普通混凝土彈模太高,極限應(yīng)變太小,墻體和周圍壩體間產(chǎn)生的沉降差和變形差使墻體在垂直壓力和側(cè)摩阻力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力易超過普通混凝土允許強(qiáng)度而產(chǎn)生破壞。
塑性混凝土就是在普通混凝土基礎(chǔ)上減少水泥用量,增加粘土和膨潤土用量的混凝土,由水泥、水、粘土(膨潤土)、砂石骨料和外加劑等配制而成,水泥用量70～200kg/m3,膨潤土用量20～50kg/m3,粘土用量150～300kg/m3,其抗壓強(qiáng)度2～5MPa,彈性模量300～1000MPa,滲透系數(shù)K<A×10-6cm/s。與普通混凝土相比具有初始彈性模量低,極限應(yīng)變大,能適應(yīng)較大變形,有利于改善墻體應(yīng)力狀態(tài),同時(shí)它仍具有必要的強(qiáng)度和抗?jié)B性能,墻段連接采用鉆鑿法時(shí)因墻體強(qiáng)度低而便于實(shí)施。在防滲墻墻體材料比選時(shí),建議優(yōu)先選用塑性混凝土。
6泥漿比選
泥漿在建造槽孔時(shí)具有支承孔壁,懸浮、攜帶鉆渣,冷卻和潤滑鉆具的功能,作用非常重要,但設(shè)計(jì)中易被忽視。我省已做加固設(shè)計(jì)水庫所在地的粘土料都未滿足《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》(SL174-96)第4.0.4條“粘粒含量大于50%,塑性指數(shù)大于20,含砂量小于5%,氧化硅與三氧化二鋁含量的比值為3～4的粘土”的要求(水庫除險(xiǎn)加固報(bào)告地勘試驗(yàn)也不做土料礦物成份分析),為保證泥漿的質(zhì)量,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用商品膨潤土制備泥漿,并在泥漿中加入分散劑、增粘劑等外加劑,以提高泥漿性能,保持泥漿的穩(wěn)定性。
7細(xì)部設(shè)計(jì)
7.1防滲墻與地基的連接
通常將墻底嵌入弱風(fēng)化基巖0.5～1.0m,當(dāng)基巖相對(duì)不透水層埋藏較深時(shí),應(yīng)下接灌漿帷幕。
7.2防滲墻與兩岸的連接
當(dāng)兩岸為緩坡時(shí)按一般防滲墻的做法即可;當(dāng)兩岸巖石比較破碎,相對(duì)不透水層埋藏較深的,可考慮在兩岸坡段墻底進(jìn)行帷幕灌漿;當(dāng)兩岸為陡坡時(shí)應(yīng)選用帷幕灌漿。
7.3與頂部的連接
從壩頂直接建造的防滲墻其軸線應(yīng)盡量往上游布置。防滲墻墻頂高程應(yīng)不低于非常運(yùn)用條件的靜水位。墻頂不應(yīng)與壩頂公路硬化路面直接連接,其間應(yīng)留有一定的過渡層。
7.4與混凝土構(gòu)筑物相連
與岸邊混凝土墻連接時(shí)在結(jié)合部進(jìn)行灌漿或用高壓噴射灌漿進(jìn)行連接。
7.5墻段連接
墻段連接的方法很多,要根據(jù)造(挖)槽孔工法而選用鉆鑿法(包括套接接頭、平接接頭、雙反弧接頭),接頭管(板)法和軟接頭法,設(shè)計(jì)時(shí)要考慮合適的槽段長(zhǎng)度,盡量減少墻段連接縫數(shù)。
7.6墻體內(nèi)垂直成孔
防滲墻下接帷幕灌漿時(shí),墻體內(nèi)可采用預(yù)埋管法或拔管法成孔,墻深30m以內(nèi)時(shí)可選用拔管法,墻深30m以上時(shí)應(yīng)選用預(yù)埋管法,必須要求管子有足夠的強(qiáng)度和剛度以及管子在墻體內(nèi)的有效固定措施。
7.7墻內(nèi)觀測(cè)儀器的埋設(shè)
防滲墻內(nèi)埋設(shè)的觀測(cè)儀器主要有測(cè)斜儀、土壓力和水壓力觀測(cè)儀、鋼筋應(yīng)力計(jì)等。儀器埋設(shè)斷面應(yīng)在相鄰混凝土導(dǎo)管間的中心位置上,要根據(jù)埋設(shè)的位置和方向,用合適的方法埋設(shè)固定。
8設(shè)計(jì)指標(biāo)與質(zhì)量要求
設(shè)計(jì)要對(duì)槽孔建造、膨潤土泥漿、清孔、泥漿下混凝土澆筑、成墻混凝土、墻內(nèi)孔管等質(zhì)量提出設(shè)計(jì)指標(biāo),主要指標(biāo)如下:
(1)槽孔建造指標(biāo)�？孜�、孔深、孔斜、槽寬,槽孔間接頭套接厚度,基巖巖樣與槽孔嵌入基巖深度;
(2)膨潤土泥漿指標(biāo)。濃度,密度,粘度,靜切力,pH值;
(3)清孔指標(biāo)�？椎子俜e厚度,接頭孔壁刷洗質(zhì)量,泥漿密度、粘度、含砂量;
(4)泥漿下混凝土澆筑指標(biāo)。混凝土坍落度、擴(kuò)散度,導(dǎo)管間距、埋深,混凝土面高差、上升速度;
(5)成墻混凝土指標(biāo)。強(qiáng)度,彈模,滲透系數(shù),允許滲透比降;
(6)墻內(nèi)孔管指標(biāo)。管位偏差值,管身彎曲度�；炷练罎B墻墻身質(zhì)量檢查應(yīng)在成墻一個(gè)月后進(jìn)行,內(nèi)容為墻體的均勻性、可能存在的缺陷、墻段接縫,墻體混凝土強(qiáng)度、彈模、滲透系數(shù)、允許滲透比降。
