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我国水工混凝土防渗墙技术进展

摘要：混凝土防渗墙是覆盖层地基和土石坝(围堰)工程的主要防渗措施。自1998年长江三峡工程二期围堰混凝土防渗墙取得成功以后,我国的防渗墙技术总体上达到了国际领先水平,近年来并不断有新的发展。关键词：混凝土防渗墙　技术　进展
收稿日期; 2006 - 12 - 22 作者简介:夏可风(1943 - ) ,男,教授级高级工程师,从事专业41年。
1　概述
　　我国的水利水电工程采用混凝土防渗墙技术始于上世纪50年代。1958年湖北省明山水库创造了预制连锁管柱桩防渗墙。同年在山东省青岛月子口水库用这种办法在砂砾石地基中首次建成了深20m、有效厚度43cm的桩柱式混凝土防渗墙。1959年在北京市密云水库砂砾石地基中创造出一套用钻劈法建造深44m、厚80 f 的槽孔型混凝土防渗墙的新方法,取得了巨大成功。
目前混凝土防渗墙已是覆盖层地基和土石坝(围堰)工程的主要防渗措施,并且扩展到其他领域,近半个世纪以来防渗墙技术不断向深度、难度和广度发展,取得新的进展。
2　防渗墙技术进展
2. 1　工程规模增大,施工难度提高
　　(1)工程规模大　河北黄壁庄水库除险加固工程副坝混凝土防渗墙长度4860m、防渗面积27. 1万m2、浇筑混凝土28. 4万m3。所在地层为多层结构,砂层、卵石层和基岩溶蚀是造孔施工的主要困难。该工程是我国工程量最大的混凝土防渗墙,经过4年施工于2003年完成。
四川狮子坪水电站,坝基覆盖层主要为含漂卵砾石,深90～102m,混凝土防渗墙墙厚1. 2m,最大墙深101. 8m,这是已完成的最深的混凝土防渗墙,它标志着我国混凝土防渗墙的施工能力已经跨过百m深的水平。
(2)施工强度高　施工强度最高的是金沙江向家坝水利枢纽一期围堰混凝土防渗墙,该防渗墙面积近5. 2万m2 ,厚0. 8m,最大深度81. 8m,地层主要为砂卵砾石,要求5个月完成,组织了137台冲击钻机、6台抓斗和1台液压铣槽机同时施工,最大施工强度达到造孔1. 6万m2 /月,成墙2. 4万m2 /月。
(3)施工条件困难　四川冶勒水电站坝基覆盖层主要为弱胶结卵砾石层,深度超过420m,坝基及岸坡混凝土防渗墙分上下两段建造,上段在地面施工,下段在专门开挖的隧洞中施工,隧洞的顶部即上下两墙的连接处进行水泥灌浆。防渗墙总深度140m,防渗面积5. 5万m2 ,其中下墙最大深度达到84. 85m,墙厚1.0m,为国内在隧洞中建成的防渗墙的最大深度,工程于2004年建成,现在运行良好。
(4)综合难度大　长江三峡二期上游围堰是综合难度最大的代表性工程。二期上游围堰长1439. 59m,高82. 5m,堰基为水下抛填卵石、原始砂卵石层、粉细砂层、风化花岗岩体等,架空卵石、不稳定粉细砂、风化花岗岩中的块球体,以及河槽侧面基岩陡坡等不利地质条件给施工带来了极大的困难。围堰防渗曾咨询国外著名承包商,提出采用2道混凝土防渗墙和5排高喷防渗墙,工期要2个枯水期。我国设计和施工单位联合攻关,实际采用1道塑性混凝土防渗墙,河床深处局部2 道防渗墙,最大墙深73. 5m,成墙面积4. 1万m2 ,墙下基岩通过预埋灌浆管进行帷幕灌浆。
三峡二期围堰在我国首次引进了最先进的液压铣槽机,配合抓斗、冲击钻机,自1997年11月至次年5月完成。完成后基坑渗水量仅为设计的1 /20。该项目获得国家科技进步二等奖。
2. 2　施工方法不断改进
(1)传统冲击钻机不断改进　传统的钢绳冲击钻机引进50年来,由于它具有能够适应各种地层、操作维修简便、价格低廉等优点,至今仍被广泛使用,而且不断地改进。主要的改进之处有:增加反循环出渣系统,变使用抽筒间断出渣为使用泥浆反循环连续出渣,加大电机功率,改进钻头形式,增大钻头重量,钻头重量由以往的1. 5 t增加到3～5 t;改进机械结构,延长易损零配件寿命,提高机械的综合性能。由于这些改进,增加了钻机的冲击功和耐用性,钻孔工效显著提高。
(2)先进施工设备获得推广应用　抓斗挖槽机和液压铣槽机逐渐推广应用。特别是抓斗,由于其对地层的适应性较广,可以配备重凿( 8～12 t)对坚硬地层进行冲凿,工效高而设备价格适中,因此在许多工程中成为主力施工设备。钻抓法和纯抓法也成为应用越来越多的施工方法。
液压铣槽机工效高,造孔质量好。冶勒水电站坝基隧洞中施工的防渗墙采用了高度仅为5. 2 m的低净空液压铣槽机,在粉质土、砂卵石和胶结岩中造孔平均工效达到68m2 /d,施工工效为同时施工的冲击反循环钻机的20倍。其主要缺点是设备价格昂贵,可适用的地层在我国西南地区不多。
(3)采用先进的清孔技术　清孔是混凝土防渗墙施工的关键工序,以往由于清孔不彻底而导致防渗墙质量缺陷的情况屡有发生。现在除了冲击反循环钻机可以采用泵吸反循环清孔外,气举反循环也较多地应用到工程中。四川田湾河仁宗海水电站82. 5m深混凝土防渗墙采用气举反循环进行清孔施工,获得良好效果。
(4)墙段接头技术国际领先　墙段接头技术取得了关键性的突破,中国水利水电基础工程局科研所研制的专利“拔管技术”首次在黑龙江尼尔基水库坝基4万余m2 的防渗墙工程中, 112 个一期槽孔、222 个接头孔全部采用拔管法施工,墙厚80cm,最大深度39. 75m, 100%获得成功,为加快该工程的进度作出了巨大贡献。此后在其他工程中,拔管深度不断加大,直至达到93. 5m (四川狮子坪水电站,接头管直径1. 0m) ,为深墙和高强度的混凝土防渗墙施工提供了有力的技术支持。
我国小浪底水利枢纽主坝二期防渗墙由法国地基公司施工,该项目采用横向低强混凝土接头和液压铣槽机造孔,砂卵石地层,防渗墙最大深度70. 3m,厚1. 2m,长151m,仅93d就完成了全墙5101m2 的施工任务。由于该工程价格高、投入大,至今没有国内承包商打破记录。
(5)人工挖孔成墙　尽管各种造孔机械竞相改进,但在某些特定的条件下原始的人工挖孔成墙仍有优势。陕西黑松林水库坝基防渗加固工程混凝土防渗墙部分墙段(长42m,最大深度30. 5m)采用人工挖槽方式施工,主要地层为黄土和砂卵石层,基岩为砂岩,未进行支护。施工表明在砂卵石和基岩的人工开挖工效高于冲击钻机工效。还有一些条件适宜的工程也采用过这种造孔方式,施工顺利。
(6)混凝土或砂浆薄防渗墙　由于堤防和小型水库防渗的需求,薄型混凝土防渗墙、砂浆防渗墙近10年来获得了巨大的发展。这种防渗墙采用薄型抓斗、射水成槽机、锯槽机或链斗式挖槽机在堤坝或地基中挖掘槽孔(或连续的沟槽) ,然后浇筑塑性混凝土或混凝土而成。不同的挖槽机械,适用的地层不同,可施工的防渗墙厚度和深度也不同。一般的薄型防渗墙厚度为20～40cm,深度20～40m。此法在挖掘连续的沟槽以后,也可以进行垂直铺塑(防渗膜)形成地基防渗结构。
砂浆防渗墙通常是在地层中挤入成槽器具,通过它向地层注入浆液或砂浆,凝固后形成连续的防渗墙体。成墙深度一般在18m 以内,墙体厚度在7. 5 ～15cm之间。适用地层为砂性土和粒径较小的砂砾石层。这类方法主要有振动板桩墙法、振动切槽法、振动沉模法。
2. 3　墙体材料
近期以来,防渗墙墙体材料呈现多样化。塑性混凝土、普通混凝土、高强混凝土和钢筋混凝土都有应用。
由于结构受力的需要,小浪底水利枢纽坝基防渗墙采用了强度等级35MPa的高强混凝土,冶勒水电站坝基防渗墙混凝土强度等级达到C90 40,是我国水工混凝土防渗墙材料强度最高的。高强混凝土防渗墙施工的困难主要在于墙段连接,一般来说必须采用技术或设备要求较高的拔管法或铣削法施工。
塑性混凝土已广泛应用到围堰、堤防和小型水利工程中。长江三峡工程二期围堰防渗墙全部采用了塑性混凝土和“柔性材料”(一种风化砂砂浆) 。围堰施工时塑性混凝土机口取样试验R28 = 5. 04MPa, E =1. 284GPa, K = 2. 5 ×10 - 8 cm / s。经过4年多运行,拆除的墙体取样试验成果R = 11. 4MPa, E = 5. 052GPa,K = 3. 2 ×10 - 10 cm / s。可以看出塑性混凝土后期强度、抗渗性能增长较多,这与其他试验研究和观测成果也是一致的,塑性混凝土不仅可以用于临时工程、小型工程,完全也可以用于永久性工程和大型工程。我国的塑性混凝土水泥用量一般为140～320kg/m3 ,国外通常少于100 kg/m3。
自凝灰浆由水泥、水、膨润土加入缓凝剂和分散剂配制而成,在防渗墙槽孔挖掘过程中不断将这种浆液注入槽孔中起护壁作用,在槽孔开挖完成以后,护壁浆液自行凝固成为防渗墙体。固化灰浆防渗墙则是使用普通泥浆护壁造孔,槽孔完成后将槽内泥浆置换或在泥浆中添加混合料,形成固化灰浆凝固成墙。
自凝灰浆和固化灰浆防渗墙作为一种快速和廉价的防渗技术,在我国大亚湾核电站、长江三峡三期围堰和一些大型深基坑防水幕施工中被采用,施工速度快,防渗效果好。其中南水北调中线一期穿黄工程北岸竖井外围挡水帷幕固化灰浆防渗墙深71. 6m,是国内外最深的。
2. 4 　护壁泥浆技术
由于工程所在地粘土资源的困难、环保的要求和膨润土泥浆的质量优势,近10年来,防渗墙造孔护壁材料越来越普遍地采用了商品膨润土泥浆,这是我国混凝土防渗墙施工技术水平提高的重要标志之一。
泥浆的处理剂不断有新产品推出,MMH正电胶即是其中的一种,以正电胶为主处理剂配制的泥浆称为正电胶浆液。不久前田湾河水电站混凝土防渗墙工程在松散粉细砂等易坍孔扩孔的地层中,使用正电胶泥浆造孔,不仅泥浆性能大大改善,有效地抑制了地层坍塌,同时节约了大量的膨润土。
国外采用了一种新型的环保泥浆(超级泥浆) ,我国也进行了试验性应用。这种泥浆以高分子聚合物聚丙烯酰胺与水调制而成,是一种无土泥浆,它不与造孔产生的泥渣发生物理或化学反应,滤出的渣土可及时分离运走,泥浆循环使用,不产生大量的废浆。目前这种泥浆材料尚未实现国产化,大面积推广尚需时日。
基于环保和降低成本的考虑,泥浆净化和循环使用已经成为施工的基本要求。
2. 5　墙下帷幕灌浆
由于防渗墙的施工深度有限,或者防渗墙下面的基岩透水性大,所以在许多工程中采用了防渗墙下接帷幕灌浆的防渗结构形式。冶勒水电站坝基防渗墙部分地段下设3排孔的帷幕灌浆,其中2排孔通过防渗墙内预埋灌浆管进行,灌浆管平均埋设深度66m,最大78m,墙下灌浆深度最大57. 5m。第3排孔在防渗墙下游施工,钻灌深度75. 5～119. 5m。新疆下坂地水库坝基主要为冰积和冲洪积覆盖层,最大深度149m,设计采用上墙下幕垂直防渗方案,墙深85m,墙下帷幕由5排孔组成, 1排孔灌浆通过在混凝土防渗墙内埋管进行,其他4排孔分别在防渗墙前后的覆盖层中钻灌。下坂地现场帷幕灌浆试验深度达到150m,采用孔口封闭灌浆法,这是我国最深的覆盖层灌浆的记录。下坂地工程现正在施工中。
2. 6　深基坑地连墙技术
水工混凝土防渗墙技术为其它建筑领域的深基坑施工创造了有利的条件。润扬长江公路大桥是我国公路桥梁建设史上规模最大、标准最高、技术最复杂的特大型桥梁工程, 其南汊悬索桥主跨径长达1490m,位居中国第一、世界第三,南汊桥北锚碇要承受6. 8万t的主缆拉力,被誉为“神州第一锚”,是大桥的关键部分,它要建设在一个江心洲的软弱淤泥及松疏粉细砂层上,并且穿过软弱地层坐落和深入到基岩。要开挖一个世界罕见、国内第一的特大深基坑,中国的建桥专家曾为之进行了长期的研究,比较了多种施工方案,最后选定水工混凝土防渗墙施工方法,仅用了5个月的时间完成了长69m,宽50m,厚1. 2m,平均深56. 5m的大型地下连续墙。润扬大桥北锚碇地连墙还拥有我国最重的钢筋笼( 99. 4 t) 、最深的V型钢板接头(53. 2m) 、嵌入坚硬基岩最深(花岗岩7. 1m)等多个单项全国第一。润扬大桥北锚碇地连墙的设计水平和施工质量受到了交通部领导和国内外专家的高度评价。此后利用类似技术还施工了武汉阳逻长江公路大桥南锚碇地连墙、广州黄埔大桥南汊桥北锚碇地连墙、南水北调穿黄隧洞南北岸工作井等工程,它们的有些技术指标超过了润扬大桥。
与一般水工混凝土防渗墙不同,深基坑地连墙由于同时具有承重、挡土、防渗的功能,施工后其墙内土体要开挖掉,因此在混凝土强度、钢筋笼设置、墙间接缝等方面要求更高。上述工程的建成标志着我国的深基坑技术已经达到很高的水平。
2. 7　防渗墙的质量检查和事故
防渗墙工程是隐蔽工程,工程质量主要依靠施工过程(工序)质量来保证。混凝土防渗墙墙体质量检查基本的方法仍是抽样进行钻孔取芯、注水试验,或墙顶开挖观察等。随着物探技术的发展和成熟,声波透射等也越来越多地应用到工程上。声波透射可以通过钻孔进行,也可以专门预埋测试管进行,还可以利用预埋的灌浆管进行。
防渗墙施工一般来说是很安全的,但情况不明或处置不当也可能酿成重大事故,特别是在病险水库处理时尤应谨慎。近年来有一些工程在坝体混凝土防渗墙施工时发生了重大事故,导致了巨大的经济损失和严重拖延工期。比较典型的是河北省某水库副坝混凝土防渗墙施工中多次发生槽孔坍塌、坝体塌坑、坝体塌陷,其中最严重的一次塌坑面积46. 2m ×53. 5m,影响范围127m ×79. 5m,最大塌陷深度12. 1m,一次流失坝体土体积3900m3。分析事故的原因,一是地质条件复杂,坝基卵石层存在强渗漏带,基岩上部有溶隙、溶槽、溶洞等集中渗漏通道;其次是施工工艺不适当,护壁泥浆质量不好,堵漏措施不力等。
事故能控制在施工过程中还是幸运的,更有甚者如四川某工程的围堰防渗墙由于片面追求低价中标等诸多原因,造成质量低劣,竣工后基坑抽水时多处发生渗透破坏,从而不得不进行全面“补强”,实际是重建一道面积为6万多m2 新防渗墙,造成巨大的经济损失,这可能是国内外防渗墙历史上最为严重的事故和教训。
3　工程实例
3. 1　工程概况　　某地下变电站地连墙工程全部为地下结构,基坑开挖深度33. 4m,地下主体结构采用框架剪力墙结构,基坑维护采用圆形地下连续墙。地连墙施工为本次输变电工程中的重要环节,地连墙外径130m,周长408. 41m,墙厚1. 20m。地连墙选用液压双轮铣与抓斗联合成槽施工,槽段连接采用工字钢接头。
该项工程由中国水电基础局有限公司承建,于2006年1月18日正式成墙施工, 7月13日地下连续墙竣工,成槽18060. 62m3 ,浇水下混凝土16909. 61m3。
3. 2　工程地质和水文地质条件
根据前期勘探孔资料,地连墙施工范围内地基土层自上而下大致分为三个层段:
(1)人工填土　多为建筑地基,由碎砖、木桩、混凝土基础及一部分塘泥组成,松散,厚度一般在3. 0～5. 0m;
　　(2)粘土层　该层上部为粉质粘土,饱和,可塑,局部夹少量薄层粉土,厚度0. 4～2. 4m,锥尖阻力一般为0. 66MPa;中部为淤泥质粘土,饱和,流塑,局部夹粉土、粉砂,为上海地区典型的软土层,厚度9. 4 ～17.6m,锥尖阻力一般为0. 55MPa;下部为粉质粘土,很湿,软塑,夹砂质粘土,厚度6. 3～13. 0m,锥尖阻力一般为0. 72～0. 98MPa;
　　(3)砂层　该层为粉砂,饱和,中密～密实,夹少量粘性土,含云母,厚度6. 2～11. 6m,锥尖阻力一般为19. 28MPa。砂层下部为粉质粘土,平均层厚14. 76m。本工程基坑面积大,开挖深,基坑围护所在的粉质粘土与粉砂互层、砂性土可能对基坑产生流砂、管涌、坑底突涌以及承压水沿地连墙、抗拔桩侧壁渗透。
现场地基浅层地下水属潜水类型,补给来源主要为降水、地表径流,水位动态为气象型。 3. 3　地连墙施工 3. 3. 1　施工工艺流程　见图1。

3. 3. 2 　槽段划分　圆形地连墙外径130m, 周长408. 41m。分六个区施工,其中A、C、E三个区设有“T”型槽段,单元槽分Ⅰ、Ⅱ期施工, Ⅰ期槽40个, Ⅱ期槽37个,槽段划分情况见图2。

3. 3. 3　成槽方法
　　(1)使用抓斗抓取上部人工填土、粉质粘土和砂质粉土层,施工Ⅰ期槽孔时,抓斗分三抓成槽;施工Ⅱ期槽孔时,采用三抓或一抓成槽。
　　(2)抓斗抓至砂层后,使用液压铣铣削下部砂层至孔底,施工方法与抓斗相同,施工Ⅰ期槽孔时,分三铣成槽;施工Ⅱ期槽孔时,采用三铣或一铣成槽。
　　(3)成槽质量控制标准及措施
1)质量控制标准槽孔长度允许误差: ±3cm; 槽孔宽度: ≥1. 2m,允许偏差±2cm; 槽口位置偏差: ≤3cm; 成槽偏斜率: ≤1 /600 (1. 67‰) ; 墙顶中心线允许偏差: ±2cm;
2)质量控制措施　导墙施工时准确定位,确保槽孔口位置的准确。抓斗开槽时严格按照设计槽孔偏差控制斗体下放位置,将斗体中心线对正槽孔中心线,缓慢下放斗体抓取地层,以此保证槽孔垂直。液压铣的铣削导架上配备有测斜仪,随时可以监测成槽的偏斜情况,从而指导操作手调整施工,控制成槽偏斜率在设计允许的范围内。
　　成槽达到设计深度后,进行槽孔验收,验收项目包括槽孔深度、宽度和偏斜情况。采用超声波测井仪进行测量。该仪器可同时测绘X轴和Y轴两个方向的孔形,并打印地连墙槽形图谱,对图谱进行数据分析,可以直接指导下一步施工。
3. 3. 4　墙段连接方法　本工程墙段连接采用工字钢法。在Ⅰ期槽钢筋笼的两端焊接工字钢作为墙段接头,钢筋笼及工字钢下设安装后,开始浇筑混凝土,同时,随着混凝土面的上升在槽孔两侧的空腔内填碎石,要求碎石顶面高出混凝土面一定高度。Ⅱ期槽成槽后,下设钢筋笼,浇筑混凝土,从而实现墙段连接。
3. 3. 5　固壁泥浆及清孔换浆方法　地连墙槽孔施工时,采用膨润土泥浆进行护壁。膨润土选用山东潍坊钙基二级膨润土。
　　槽孔终孔验收合格后,采用液压铣及泥浆净化系统联合进行清孔换浆。经净化后的泥浆流回到槽孔内,如此循环往复,直至回浆达到混凝土浇筑前槽内泥浆的标准。
清孔换浆过程控制措施及质量标准:
1) 严格控制新制泥浆性能,调整配合比,满足槽孔稳定和固壁要求; 2) 循环泥浆性能检测,质量未达到标准的泥浆应及时改善,措施包括调整材料用量、加入高质量的泥浆混合。　　清孔换浆工作结束后1h,进行检查,合格标准为:孔底淤积厚度≤10cm;密度≤1. 18 g/m3 ; 1006型漏斗粘度19～25 s。
3. 3. 6　混凝土浇筑　混凝土浇筑施工要点:
　　(1)采用泥浆下直升导管法浇筑,各套浇筑导管同时开浇。导管距孔底15～25cm左右,跑球法开浇; 　　(2)槽孔浇筑导管距孔端1. 0～1. 5m,中心距不大于4. 0m,根据本工程槽孔划分情况,布置一套或两套混凝土浇筑导管;
(3)各导管均匀进料,混凝土面高差不大于0. 5m,导管埋深宜控制在2 ～8m,不得小于1m,不宜超过10m;
(4)浇筑过程中每隔1～2h检测槽口熟料的坍落度,要求熟料入仓时坍落度18～22cm;
(5)浇筑过程中,每间隔30min或每浇筑2～3车混凝土后测一次槽内混凝土面。在现场绘制浇筑图,以此作为拆卸导管的依据。在开浇和终浇阶段应缩短测量混凝土上升面的间隔时间。
(6)混凝土面平均上升速度不得小于2m /h,终浇高程不低于% 3. 0m;
(7)混凝土开浇时,应保证混凝土供应连续。若出现中断后,必须在40min内恢复。
4　结束语
　　(1)随着我国水利水电和整个国民经济建设的发展,混凝土防渗墙应用越来越广泛,施工技术快速进步, 1998年完成的三峡二期围堰混凝土防渗墙标志着我国的防渗墙技术总体上已达到国际领先水平。
(2)我国西部地区还有不少工程位于深厚覆盖层地基上,需要建造深度大于100m的混凝土防渗墙,更深更厚墙体材料更优的地连墙在其他建筑领域也有需求,围堰工程的混凝土防渗墙要求尽可能地高强度快速施工,这些都给混凝土防渗墙技术的进一步发展带来了机遇和挑战。
(3)大型高效的防渗墙施工设备国产化率仍然不高,需要工程机械和相关单位协力攻关取得突破。同时国内的市场环境抑制了防渗墙工程价格,使得许多工程施工无法采用先进设备和先进技术,有的甚至进行常规生产都有困难。一些大型混凝土防渗墙创造的高强度施工记录也多是加大施工密度,依靠人海战术(当然需要严格高效的管理) 。这种局面需要改变。
(4)防渗墙技术是成熟的,工程质量是可靠的,但对施工队伍及其管理者的素质要求也较高,忽视这一点也会造成灾难性的后果。

原作者：夏可风

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发布：2007-08-14 12:40 编辑：泛普软件 · xiaona [打印此页] [关闭]

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