刍议水库大坝混凝土加固及防渗技术
摘要:本文根据混凝土防渗墙技术的发展现状,结合实际情况,介绍混凝土防渗墙(指机械造(挖)槽,泥浆护壁、混凝土浇筑)设计要点。
关键词:水库大坝;混凝土;防渗墙;设计
1混凝土防渗墙概况
混凝土防渗墙是利用造(挖)槽孔机械设备,借助泥浆的护壁作用,在地下挖出窄而深的槽孔,并在其内浇注混凝土而形成一道具有防渗功能的连续的地下墙体。混凝土防渗墙自身要能满足强度和变形的要求,有足够的抗渗性和耐久性,能有效地截住渗透水流,控制渗流量,墙体渗透比降和出逸比降均满足设计要求。混凝土防渗墙设计的主要内容有:造槽孔工法比选;总体布置;墙厚比选;墙体材料比选;泥浆比选;细部设计;设计指标和质量要求。
2造槽孔工法比选
常用的造槽孔工法主要有冲击式钻进法(钻劈法)、冲击式反循环钻进法、射水法、锯槽法、抓斗挖槽法(抓取法)和双轮铣槽法等,施工中又有两种或两种以上工法的组合,如“两钻一抓”法、“两钻三抓(铣)”法和“铣、砸、爆“法等组合方法,以抓斗挖槽法和双轮铣槽法为先进。
2.1冲击式钻进法
冲击式钻进法是利用曲柄连杆机构将回转运动变为往复运动来提升和下落钻头,利用钻头提升后自由下落的重力冲击孔底,使土层(或岩石)破碎而进行钻进,并用一定浓度的泥浆护壁(泥浆会在钻孔孔壁上形成泥皮,在泥浆压力作用下使孔壁保持稳定而不坍塌,并能防止泥浆渗漏),当孔底的钻渣逐渐增加以后,取出钻头放入抽筒掏渣,成孔后采用水下直升导管法浇注混凝土,混凝土靠自重和自流平衡特性而至密实形成一段混凝土墙体,墙段间一般用钻凿法连接。冲击式钻进法是世界上最早采用的工法,该工法在各种土、砂层、砾石、卵石、漂石、软岩、硬岩中都能使用,工效较低。国产主要机型是CZ—22和CZ—30型,钻具包括钻头和抽筒两部分,钻头又可分为空心钻头、一字钻头、十字钻头、圆钻头、角锥钻头和双反弧钻头等。
2.2冲击式反循环钻进法
冲击式反循环钻进法是在冲击式钻进法的基础上,在空心套筒式钻头中心设置排渣管,利用反循环砂石泵将钻渣与循环浆液经排渣管及循环管路,从孔底连续地抽入设在地面的泥浆净化装置进行净化,净化后的泥浆经循环浆池注入槽孔循环使用,通过这一循环,钻机完成钻进及排渣作业,直至造孔完毕。由于采用反循环出渣方式,从而大大提高了钻进效率。冲击式反循环钻机最早由法国公司在20世纪50年代研制成功,我国水利水电基础工程局于20世纪90年代研制成功CZF-1200型冲击式反循环钻机,同时地矿部门也研制成功CJF-20型冲击式反循环钻机,目前国产机型主要是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装置所形成的高速射流和成形器及导水管本身的冲击力,以及向下移动时成形器内刀片的切削等作用,破坏土层结构,水土混合回流后泥沙溢出地面(三代机是在成形器中设置排渣管用反循环砂石泵抽出地面),利用卷扬机操纵成形器不断地上下移动,切削修整孔壁,造成有规则的槽孔,并用一定浓度的泥浆护壁。成孔后采用水下直升导管法浇注混凝土,混凝土靠自重和自流平特性而自密实形成一段混凝土墙体,利用成形器侧向水喷嘴冲洗一期槽孔混凝土的侧面,使一、二期混凝土连接紧密,形成地下连续防渗墙。该工法适用于粒径小于10cm的砂土、粉土、粘土地基,具有工效高、造价低的特点。射水法1982年由福建省水利科学研究所开始研究,目前已发展到第三代机型。
2.4锯槽法
锯槽法是利用锯槽机带动锯管锯割地层,锯出有规则的槽孔,并用泥浆护壁,在锯管上设置排渣管,用反循环砂石泵出渣,再以混凝土等成墙材料置换护壁泥浆,形成具有一定强度和防渗性能的连续墙体。该工法仅适用于松散的砂土、粉土、粘土地基,工效较高。锯槽法是由东北岩土工程公司1990年开发的一种薄防渗墙施工方法。
2.5抓斗挖槽法
抓斗挖槽法是指蚌(蛤)式抓斗,利用机械作用并借助斗体的自重,打开和关闭斗门抓取土体并将其带出孔外,同时用泥浆护壁的一种挖槽工法。成孔后采用水下直升导管法浇注混凝土,混凝土靠自重和自流平特性而自密实形成一段混凝土墙体,墙段连接一般选用接头管(板)法。该工法适用各种土层和软岩,特别适合于在含有小漂石和石块的地基中挖槽。新型抓斗大多配有测斜和纠偏装置,可调整抓斗斗体角度,使挖槽垂直精度达1P500以上。抓斗挖槽法具有墙体整体性好、厚度均匀、适用地层广、工效高的特点。液压抓斗在粘土层中施工工效一般可80～100m2P台班。抓斗最早使用时是用钢丝绳来悬挂并进行控制的,20世纪60年代后期开始使用液压抓斗。根据抓斗的结构特点,可把抓斗分成钢丝绳抓斗、液压抓斗、导杆式抓斗和混合式抓斗等,主要由意大利、日本、英国和德国等国生产,我国已批量引进,并研制开发成功。
2.6双轮铣槽法
双轮铣槽法是驱使安装在机架上的的两个鼓轮向相反方向转动,鼓轮上的切刀将地层旋铣、切割、挤碎,松动后的土、砂、卵石、岩石碎块用泵抽吸至地面,同时用泥浆护壁,成槽孔后采用水下直升导管法浇注混凝土,混凝土靠自重和自流平特性而自密实形成一段混凝土墙体,墙段连接由双轮铣槽机直接切割一序混凝土,在一、二序墙段连接中不需专门的连接件和特殊封堵就能形成良好的墙段接头。该工法适用各种土层和软岩,配用特制的滚轮铣刀还可钻进坚硬岩石,利用电子测斜装置、导向调节系统和可调角度的鼓轮旋铣器来保证挖槽精度,精度高达1‰～2‰。该工法具有墙体整体性好、厚度均匀、适用地层广、成槽深、挖槽精度高和挖掘效率高的特点,是最先进的造槽机械。目前世界上最深和最厚的混凝土地下连续墙都是使用铣槽机建成的。双轮铣槽机又可分为液压双轮铣槽机和电动双轮铣槽机两类,主要由意大利、法国、德国和日本等国生产,我国已少量引进,三峡工地曾引进过一台德国宝峨(BAUER)公司生产的BC-30型液压双轮铣槽机。
2.7两钻一抓法
两钻一抓法是冲击式钻进法(或冲击式反循环钻进法)与抓斗挖槽法的组合,施工方法是先用冲击钻机或冲击反循环钻机钻进两相邻的主孔,终孔后再用抓斗抓取中间副孔的造(挖)槽孔工法。两钻三抓(铣)法是在两钻一抓法基础上加以改进的。造(挖)槽工法都有各自的主要性能和适用范围(见附表),选择造(挖)槽孔工法和设备时,主要应考虑几个因素的影响:坝体填筑材料,坝基、坝肩地层和岩层特性,水文地质条件;开挖深度、宽度和强度;施工条件;机械设备的适用条件。根据我省水库大坝防渗处理防渗墙深度不大的具体情况,宜优先比选射水法、抓斗法等经济高效工法,或两钻一抓法等。
3总体布置
水库防渗处理防渗布置时主要考虑以下几点:
(1)坝基地质条件和水文地质条件。宜将防渗墙放在坚固而不透水的基岩或粘性土层中,尽量避开不利的地质构造,墙底应伸入相对不透水层,与坝的防渗体、坝基覆盖层和基岩内的防渗设施应紧密地连接成一整体。(2)与原有防渗体及其他建筑物的连接。与土质防渗体连接时,应作成光滑的楔形,插入土质防渗体高度宜为1P10坝高,接触面允许比降应按土料允许比降确定。设计时应认真做好与坝身混凝土构筑物的防渗连接,但布置时应尽量避开与坝身混凝土构筑物连接,以减少接头处理。(3)认真做好与两岸的连接设计。(4)工程量最小和造价最低。
4墙厚比选
防渗墙的厚度选择是混凝土防渗墙设计的一个重要内容,影响防渗墙厚度的因素主要有坝高,渗透稳定条件,施工条件和地质条件。《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)对此没有明确规定,只在规范第6.2.8条条文说明中提出混凝土防渗墙“一般允许渗透比降80～100作为控制上限值”。我省大中型水库大坝80%以上坝高在40m以下,水库主要是20世纪80年代以前兴建的,坝体经过几十年沉降已趋于稳定,设计中比选防渗墙的厚度时可用防渗墙允许渗透比降确定,建议普通混凝土防渗墙允许渗透比降取80～100,塑性混凝土防渗墙允许渗透比降取60～80。
5墙体材料比选
墙体材料主要选用普通混凝土和塑性混凝土两种。普通混凝土选用强度等级在C10以上,水泥用量在350kg/m3以上,水胶比在0.65以下,具有弹模高、强度大的特点,能承受较大的垂直和水平荷载。但由于普通混凝土弹模太高,极限应变太小,墙体和周围坝体间产生的沉降差和变形差使墙体在垂直压力和侧摩阻力作用下产生的应力易超过普通混凝土允许强度而产生破坏。
塑性混凝土就是在普通混凝土基础上减少水泥用量,增加粘土和膨润土用量的混凝土,由水泥、水、粘土(膨润土)、砂石骨料和外加剂等配制而成,水泥用量70～200kg/m3,膨润土用量20～50kg/m3,粘土用量150～300kg/m3,其抗压强度2～5MPa,弹性模量300～1000MPa,渗透系数K<A×10-6cm/s。与普通混凝土相比具有初始弹性模量低,极限应变大,能适应较大变形,有利于改善墙体应力状态,同时它仍具有必要的强度和抗渗性能,墙段连接采用钻凿法时因墙体强度低而便于实施。在防渗墙墙体材料比选时,建议优先选用塑性混凝土。
6泥浆比选
泥浆在建造槽孔时具有支承孔壁,悬浮、携带钻渣,冷却和润滑钻具的功能,作用非常重要,但设计中易被忽视。我省已做加固设计水库所在地的粘土料都未满足《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》(SL174-96)第4.0.4条“粘粒含量大于50%,塑性指数大于20,含砂量小于5%,氧化硅与三氧化二铝含量的比值为3～4的粘土”的要求(水库除险加固报告地勘试验也不做土料矿物成份分析),为保证泥浆的质量,设计时应选用商品膨润土制备泥浆,并在泥浆中加入分散剂、增粘剂等外加剂,以提高泥浆性能,保持泥浆的稳定性。
7细部设计
7.1防渗墙与地基的连接
通常将墙底嵌入弱风化基岩0.5～1.0m,当基岩相对不透水层埋藏较深时,应下接灌浆帷幕。
7.2防渗墙与两岸的连接
当两岸为缓坡时按一般防渗墙的做法即可;当两岸岩石比较破碎,相对不透水层埋藏较深的,可考虑在两岸坡段墙底进行帷幕灌浆;当两岸为陡坡时应选用帷幕灌浆。
7.3与顶部的连接
从坝顶直接建造的防渗墙其轴线应尽量往上游布置。防渗墙墙顶高程应不低于非常运用条件的静水位。墙顶不应与坝顶公路硬化路面直接连接,其间应留有一定的过渡层。
7.4与混凝土构筑物相连
与岸边混凝土墙连接时在结合部进行灌浆或用高压喷射灌浆进行连接。
7.5墙段连接
墙段连接的方法很多,要根据造(挖)槽孔工法而选用钻凿法(包括套接接头、平接接头、双反弧接头),接头管(板)法和软接头法,设计时要考虑合适的槽段长度,尽量减少墙段连接缝数。
7.6墙体内垂直成孔
防渗墙下接帷幕灌浆时,墙体内可采用预埋管法或拔管法成孔,墙深30m以内时可选用拔管法,墙深30m以上时应选用预埋管法,必须要求管子有足够的强度和刚度以及管子在墙体内的有效固定措施。
7.7墙内观测仪器的埋设
防渗墙内埋设的观测仪器主要有测斜仪、土压力和水压力观测仪、钢筋应力计等。仪器埋设断面应在相邻混凝土导管间的中心位置上,要根据埋设的位置和方向,用合适的方法埋设固定。
8设计指标与质量要求
设计要对槽孔建造、膨润土泥浆、清孔、泥浆下混凝土浇筑、成墙混凝土、墙内孔管等质量提出设计指标,主要指标如下:
(1)槽孔建造指标。孔位、孔深、孔斜、槽宽,槽孔间接头套接厚度,基岩岩样与槽孔嵌入基岩深度;
(2)膨润土泥浆指标。浓度,密度,粘度,静切力,pH值;
(3)清孔指标。孔底淤积厚度,接头孔壁刷洗质量,泥浆密度、粘度、含砂量;
(4)泥浆下混凝土浇筑指标。混凝土坍落度、扩散度,导管间距、埋深,混凝土面高差、上升速度;
(5)成墙混凝土指标。强度,弹模,渗透系数,允许渗透比降;
(6)墙内孔管指标。管位偏差值,管身弯曲度。混凝土防渗墙墙身质量检查应在成墙一个月后进行,内容为墙体的均匀性、可能存在的缺陷、墙段接缝,墙体混凝土强度、弹模、渗透系数、允许渗透比降。