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      淺談混凝土防滲墻在水庫除險加固工程中的應用
      發布時間:2014-08-05

        [摘要]結合觀上水庫地質條件,介紹了水庫除險加固的設計方案,闡述了混凝土防滲墻工程布置、墻型選擇、墻體厚度、墻體材料等各個參數的確定及具體的施工過程,通過加固,達到了預期效果,可為類似工程除險加固提供參考。

        [關鍵詞]混凝土防滲墻;除險加固;觀上水庫

        1 工程概況

        觀上水庫位于原平市城區西南15 km的永興河出山口處,是一座以城鎮防洪、農業灌溉、城市供水為主,兼顧養魚、發電、旅游等綜合效益的中型水庫,總庫容1 560 萬m3,控制流域面積150 km2。水庫始建于1958 年,1960 年攔洪蓄水,1976 年進行加壩改建。水庫樞紐由大壩、溢洪道、灌溉洞、水電站組成。大壩為水中填土均質壩,最大壩高32.8 m,壩頂高程935.44 m,壩頂長485.3 m,寬4.0 m。建庫50 多年來,壩基滲漏及滲透變形破壞嚴重,經部、省專家組鑒定為“三類壩”,是水利部認定急需改造的病險庫之一。

        2 水庫除險加固任務

        工程建設主要內容為大壩防滲加固、溢洪道改建、新增灌溉排砂洞、上壩交通道路工程及增設大壩觀測設施。

        大壩防滲加固工程原初步設計方案為:根據壩基滲漏和滲透變形隱患,在大壩上游壩腳處做混凝土垂直防滲墻工程;防滲墻頂至大壩壩頂沿上游壩坡鋪設土工布,以增加壩體的防滲性;對下游壩坡及大壩壩頂進行加固。由于工程量大、工期長,在壩腳處空庫施工做混凝土防滲墻與灌溉用水的矛盾難以協調,且地質鉆探表明,1976 年所加壩體施工質量欠佳,單純采用土工布防滲達不到全面加固壩體的目的。因此,為最大限度地體現工程防滲加固效果,結合水庫實際,具體施工方案確定為:1976 年所加壩體壩頂以下2 m全部清除,碾壓密實后作為混凝土防滲墻施工平面,混凝土防滲墻自此穿過壩體、壩基砂卵石覆蓋層至基巖面,并深入巖面下1 m,下游壩坡及大壩壩頂進行相應加固。

        3 混凝土防滲墻設計

        3.1 工程布置

        結合加固質量及施工平面布置要求,防滲墻軸線布置于壩軸線上游2.66 m處,平行于壩軸線。防滲墻頂布置于現壩頂2 m以下,墻頂高程932.94 m,墻頂長487.62 m,墻基(包括岸坡結合帶)深入巖面下1 m。

        3.2 墻型選擇

        防滲墻技術自1958 年引進我國以來,已形成了剛性墻和柔性墻兩個不同系列。20 世紀80 年代以來,從降低運行過程中墻體自身實際應力出發,運用于土石壩防滲加固的混凝土防滲墻逐漸由最初的剛性墻向柔性墻發展。本次設計采用當地黏土為塑性材料的槽板式柔性混凝土防滲墻。

        3.3 墻體厚度

        混凝土防滲墻厚度應綜合考慮墻體的抗滲性、耐久性及造孔施工機具的高效作業等因素。根據忻州市米家寨水庫已建混凝土防滲墻工程經驗,用主、副孔方法建造防滲墻時,墻厚0.8 m可使沖擊鉆機在最高效率區工作,且厚度0.8 m的墻體在中小型水庫防滲加固實踐中運用較廣,已積累了豐富的經驗。柔性墻體目前所能承受的滲透比降可達90 以上。有關資料表明,柔性墻體允許滲透比降為70。觀上水庫防滲墻承受最大水頭50 m,墻厚0.8 m,可滿足滲透穩定要求,因此確定墻厚為0.8 m。

        3.4 墻體材料

        防滲墻能否滿足使用要求,墻體材料的合理選擇及科學配比至關重要。觀上水庫混凝土防滲墻是從土壩壩頂穿過壩體和壩基覆蓋進入基巖的。由于土壩建成已有50 余年,壩體變形基本完成,因而墻體兩側因變形差引起的摩擦力及墻頂豎向荷載很小,防滲墻所受荷載以水平荷載為主,與米家寨水庫混凝土防滲墻工作條件相同。根據米家寨水庫已建混凝土防滲墻在水壓力和地震荷載作用下的應力反算結果可知,柔性混凝土防滲墻無論是在高水頭作用還是在地震荷載作用下均不會出現高應力狀態。由于其應力應變關系與其周圍土層的力學性能適應較好,墻體結構應力狀態有較高的安全余量。因而,該類型的防滲墻設計指標應以在靜水壓力作用下的滲透穩定性和耐久性為主。墻體抗壓強度指標可在2~5 MPa 之間酌定。

        混凝土防滲墻所能承擔的水力坡降按70 考慮,在墻體承受水頭50 m、墻厚0.8 m時,從墻體抗滲透穩定和耐久性考慮,可由梯比里斯建筑物與水能科學研究所公式估算墻體滲透系數指標如下:

        K=acl/TBJ .

        式中:K——防滲墻滲透系數;

        a——使混凝土強度降低50%,淋蝕混凝土石灰所需之摻水量1.54~2.2 m3/kg;

        c——1 m3混凝土的水泥量,根據米家寨水庫已建防滲墻施工試驗配比,取169 kg/m3;

        l——滲徑長度,即墻體有效厚度0.8 m;

        B——安全系數,根據米家寨水庫已建防滲墻工程經驗,取8~20;

        J——允許水力坡降,取70;

        T——使用年限,取50年。

        代入上式可得K=(1.3~2.4)×10-8 cm/s。根據已建米家寨水庫混凝土防滲墻材料配合比試驗結果表明,只要混凝土配合比適當,K≤ 3.91×10-8 cm/s 能達到要求,能夠保證墻體抗滲透的穩定性和耐久性。

        結合《混凝土防滲墻施工技術規范》,參考塑性混凝土防滲墻施工實踐及有關理論研究成果,并在已建米家寨水庫施工配合比試驗的基礎上,觀上水庫混凝土防滲墻主要設計施工參數如下:抗壓強度5 MPa,彈性模量1 000 MPa,滲透系數3.91×10-8 cm/s,坍落度18~22 cm,擴散度34~38 cm。

        在保證抗滲透穩定和耐久性的前提下,從就地取材、節約材料、降低成本等方面考慮,主要材料選用普硅42.5 水泥、當地崖底黏土(黏粒含量40%左右)、云中河砂及當地加工的石子。施工前進行配比試驗,確定合理的材料配合比以及外加劑摻入量、水灰比、水膠比等控制參數。

        3.5 墻體與邊界的連接

        根據混凝土防滲墻軸線地質鉆探結果,覆蓋層下及兩岸坡基巖強風化層厚度大于10 m,從防滲堵漏角度考慮,防滲墻應深入弱風化巖石內0.5~0.8 m。但已建工程經驗表明,防滲墻插入基巖深度大于1 m時,固端彎矩將會使墻體的受力狀況趨于復雜,出現防滲效果不利的較大拉應力,且施工難度增大。當高水頭和防滲要求較高時,一般采用在防滲墻底部增設灌漿帷幕的方法。該工程主要是除險加固,且風化層單位吸水率小于10 Lu,滲透系數雖大于防滲墻但接近于壩體土,水庫滲漏帶及滲變隱患主要存在于砂卵石覆蓋層內,因而從消除滲變隱患、減少滲漏考慮,防滲墻深入巖面以下1 m即可滿足要求。

        3.6 造孔泥漿

        造孔泥漿主要是固結孔壁、懸浮、攜帶鉆渣和冷卻鉆具,因此,泥漿應具有良好的物理性能、流變性能、穩定性及抗污染性能。拌制泥漿的黏土的物理特性為:黏粒含量大于50%,塑性指標大于20,含砂量小于5%。

        4 混凝土防滲墻施工

        4.1 造孔

        第一,孔位確定。首先根據設計移交的坐標控制點復核坐標系統,測出防滲墻軸線,然后根據防滲墻的長度、深度及地質條件劃分槽段。導向槽做好后,用隔泥板將每個槽分隔開,用黏土將導向槽填滿,然后測定防滲墻軸線,并在導向槽兩端固定標記,測定每個孔的位置(主孔和副孔),并用紅漆標在導向槽的下游側,以便施工定位。

        第二,主、副孔劃分。主孔為Ⅰ序孔,孔徑0.8 m,孔間距2.0 m,采用沖擊鉆孔造孔;副孔為Ⅱ序孔,長度1.2 m,采用“一鉆兩劈”法劈打成槽。防滲墻分Ⅰ序槽段和Ⅱ序槽段。造孔時,選用CZ-22 型沖擊鉆,采用多臺鉆機分序、分段、同向、同時作業,每臺鉆機配置2 個空心鉆頭和1 個十字鉆頭。同時結合實際情況采用反循環泵清渣。

        第三,鉆孔施工。先鋪設鉆機道軌平臺,再安裝移動臺車,在臺車上固定沖擊鉆。造孔前調整鉆機,使鉆頭垂直對準孔位,施工時先Ⅰ序孔,待相鄰兩個Ⅰ序槽孔澆筑完成后,再打Ⅱ序孔,同一槽孔內先打主孔,后打副孔,最后劈打小墻。槽孔完成后進行混凝土澆筑,混凝土澆筑完成12 h 后,立刻鉆打接頭孔。

        第四,泥漿固壁。泥漿質量對成孔成槽非常重要,施工中應嚴格控制泥漿標準:密度1.1~1.2 g/cm3,黏度18~25 s,含砂量小于5%。在造孔過程中始終保持孔內泥漿面在導墻頂面下30~50 m,以防塌孔。

        4.2 清孔換漿

        造孔達到設計要求后,采用抽筒抽渣法和反循環泵吸法進行清孔換漿,孔底淤積厚度不大于10 cm,孔內泥漿密度不大于1.2 g/cm3,黏度不大于30 s,含砂量不大于10%。清孔換漿合格后進行混凝土澆筑。

        4.3 混凝土澆筑

        混凝土澆筑順序為:配置導管、安裝導管、混凝土拌制、混凝土澆筑。選配3 套直徑219 mm的無縫鋼管作為混凝土澆筑導管,根據已驗收槽孔的孔深確定導管長度,由專人進行配置,統一編號,分段組裝,以便澆筑混凝土和提升導管。在已驗收的槽孔內安置3 根導管,間隔2 m。導管下端距孔底20 cm,頂部一般設置數節長度為0.3~1.0 m 的短管。導管固定在槽孔口,由沖擊鉆、卷揚機配合提升,導管上端安置拉料漏斗,澆筑前將隔離球放入導管內。導管連接必須密封可靠;炷翝仓捎眉邪柚,黏土采用泥漿加入的方法,管道泵壓力輸送,直升導管法澆筑。

        澆筑混凝土時,先注入少量水泥砂漿,隨即澆入足量的混凝土,確保擠出隔離球,并埋住導管底部。澆筑應連續作業,導管埋入混凝土中的深度應在1~6 m之間,同一槽孔內混凝土面應均勻上升,上升速度不得小于2 m/h,同一上升面各點高差控制在0.5 m以內。在澆筑過程中,至少每隔30 min 測量一次槽孔內混凝土面的高度,繪制混凝土上升曲線圖,以指導混凝土澆筑施工和導管拆卸,校對混凝土澆筑質量、檢驗澆筑質量。當混凝土面上升距孔口10 m左右時,因沉積泥漿含砂量大,稠度增加,混凝土澆筑壓差減小,澆筑難度加大,增用6 BS 砂漿泵抽排泥漿;炷磷罱K澆筑頂面應高于導槽底部混凝土面50 cm。待成墻后,人工鑿除樁頭,鑿至設計墻頂高程。

        4.4 接頭處理

        接頭處理是防滲墻施工的關鍵工序,直接關系到墻體質量和防滲效果。Ⅰ序槽孔澆筑完成后12 h,立即在其兩端主孔位置再鉆一孔,即Ⅰ序槽和Ⅱ序槽的接頭孔。Ⅱ序槽孔清孔換漿結束前,應清除接頭孔壁的泥漿,方可進行混凝土的澆筑。

        5 結語

        在觀上水庫除險加固工程中,采用混凝土防滲墻對其壩體和壩基處理后,取得了很好的效果。目前,觀上水庫已蓄水5 年,運行情況良好。



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