王曉飛
(中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司三公司,成都,610213)
“先填壩后防滲處理”在大竹河水庫(kù)土石壩施工中的應(yīng)用
王曉飛
(中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司三公司,成都,610213)
土石壩“先填壩后防滲處理”施工模式通過(guò)在大竹河水庫(kù)的實(shí)踐,為后續(xù)類(lèi)似工程開(kāi)創(chuàng)了一條新路子、一個(gè)新工法,其優(yōu)點(diǎn)頗多:(1)減輕了建設(shè)初期的施工壓力;(2)在壩體填筑至一定高程具備擋水能力后,給防滲施工留足了充裕的時(shí)間;(3)通過(guò)一段時(shí)間的壩體沉降變形,壩體已基本趨于穩(wěn)定,對(duì)后施工的防滲體影響破壞更?。?4)用混凝土防滲墻替代瀝青心墻和粘土心墻,對(duì)施工環(huán)境及地域因素的要求較低,工藝更成熟可靠,且與瀝青心墻和粘土心墻分層碾壓相比,混凝土防滲墻的整體性更好、防滲效果更佳;(5)這種施工模式后期維修費(fèi)用低,總成本更節(jié)約。
土石壩 先填壩后防滲處理 施工模式 大竹河水庫(kù)
本文結(jié)合攀枝花市仁和區(qū)大竹河水庫(kù)大壩滲漏處理工程,進(jìn)行“先填壩后防滲處理”施工模式(以下簡(jiǎn)稱(chēng)新施工模式)研究,論證該模式的可行性及應(yīng)用前景。
傳統(tǒng)施工模式為:先做壩基防滲處理,完成后進(jìn)行壩體填筑,填筑同時(shí)做壩體防滲(一般為粘土心墻或?yàn)r青混凝土心墻),直至設(shè)計(jì)高程。
新施工模式為:先進(jìn)行壩體填筑,填筑至接近壩頂高程(此時(shí)壩頂寬度需滿(mǎn)足防滲施工最小平臺(tái)寬度)時(shí)做壩體防滲墻及墻下灌漿,完成后進(jìn)行壩體上部結(jié)構(gòu)施工。
與傳統(tǒng)施工模式相比,新施工模式具有以下優(yōu)越性:
1.1 壩基防滲墻施工時(shí)間不受汛期制約
傳統(tǒng)施工模式:在枯水期通過(guò)上下游圍堰擋水進(jìn)行壩基防滲施工,往往工期短、任務(wù)重、施工壓力極大。
新施工模式:在枯水期直接進(jìn)行填筑作業(yè),當(dāng)汛期來(lái)臨時(shí)壩體高程已具備擋水能力,壩體本身作為擋水體,其性能優(yōu)于臨時(shí)圍堰,通過(guò)施工導(dǎo)流其后續(xù)施工基本不受汛期影響,可合理安排壩體防滲墻及墻下灌漿施工時(shí)間,工期相對(duì)寬裕,減少施工壓力。
1.2 壩體沉降變形對(duì)壩體防滲體的影響減小
傳統(tǒng)施工模式:在壩體填筑的同時(shí)做壩體防滲體,在填筑過(guò)程中壩體沉降變形相對(duì)最大,若采取的防滲體適應(yīng)沉降變形的能力差,將直接影響壩體防滲效果。
新施工模式:在壩體基本填筑到壩頂以后再進(jìn)行壩體防滲施工,此時(shí)的壩體已經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的沉降變形,其進(jìn)一步沉降變形的趨勢(shì)減緩,對(duì)之后施工的壩體防滲體影響減小。
1.3 對(duì)環(huán)境、地域、沉降變形適應(yīng)性強(qiáng)
傳統(tǒng)施工模式:粘土心墻施工受地域影響大,瀝青心墻施工受外部環(huán)境影響大。
新施工模式:壩體防滲墻造孔施工基本不受外部環(huán)境、地域的影響,墻體材料包括剛性材料和柔性材料,適應(yīng)壩體沉降變形的能力強(qiáng)。
1.4 防滲性能優(yōu)異、技術(shù)成熟、質(zhì)量可靠
傳統(tǒng)施工模式:粘土心墻的滲透系數(shù)一般不大于i×10-5cm/s,防滲性能受當(dāng)?shù)卣惩亮显促|(zhì)量的影響較大;瀝青心墻的滲透系數(shù)一般不大于i×10-7cm/s,受施工工藝影響瀝青心墻延軸線方向水平向分層過(guò)多,層間結(jié)合的薄弱環(huán)節(jié)占防滲體總面積的比重大,對(duì)施工環(huán)節(jié)要求較高,易出現(xiàn)層間結(jié)合不緊密問(wèn)題,且出現(xiàn)問(wèn)題后修復(fù)難度極大。
新施工模式:壩體防滲墻的滲透系數(shù)一般不大于i×10-7cm/s,通??梢赃_(dá)到i×10-8cm/s~i×10-9cm/s,防滲性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)模式;施工技術(shù)成熟,從施工密云水庫(kù)第一道防滲墻至今,廣泛應(yīng)用于各類(lèi)大、中、小型工程,基本無(wú)不成功案例;防滲體為連續(xù)的混凝土結(jié)構(gòu),質(zhì)量可靠。
1.5 維修費(fèi)用低,總成本節(jié)約
傳統(tǒng)施工模式:粘土心墻、瀝青心墻在建設(shè)期投資比防滲墻略低,但維修費(fèi)用高、難度大、壽命期短,累計(jì)總成本高。
新施工模式:防滲墻在建設(shè)期投資略高,但質(zhì)量可靠,壽命期長(zhǎng),后期基本無(wú)維修費(fèi)用,累計(jì)總成本低。
在攀枝花市仁和區(qū)大竹河水庫(kù)大壩滲漏處理工程中,首先將壩頂從高程1217m拆除至高程1214m,在施工平臺(tái)寬度滿(mǎn)足工作面要求后進(jìn)行了壩體防滲墻及墻下灌漿施工,新建了一整套壩體防滲體系,徹底解決了大壩滲漏問(wèn)題,消除了壩體安全隱患。
2.1 大壩滲漏處理背景資料
大竹河水庫(kù)于2009年12月30日開(kāi)工,2011年7月6日大壩填筑到1217設(shè)計(jì)壩頂高程,2011年10月10日開(kāi)始蓄水。2012年11月30日,蓄水至1201.48m,觀測(cè)發(fā)現(xiàn)大壩下游壩體浸潤(rùn)線較高,大壩滲流量為16.93L/s。2013年9月19日蓄水至1212.19m,滲流量增大至23.81L/s,上午7時(shí),水庫(kù)大壩下游高程1182m~1185m壩坡表面出現(xiàn)浸濕溢出,浸濕溢出平行壩軸線呈帶狀分布,面積約150m2,隨后逐漸擴(kuò)大,壩面出水呈流淌狀,水庫(kù)工程建設(shè)管理局根據(jù)相關(guān)部門(mén)指示,立即采取緊急措施放水降低庫(kù)水位。
根據(jù)工程原勘察、設(shè)計(jì)、施工、大壩安全檢測(cè)資料及出現(xiàn)滲漏問(wèn)題后開(kāi)展的檢測(cè)和滲漏分析成果,對(duì)大壩滲漏進(jìn)行綜合分析,得出:瀝青混凝土心墻、大壩壩基及兩岸壩肩均存在滲漏,同時(shí)壩體填筑料透水性不強(qiáng)且不均一。
2.2 大壩滲漏處理方案的確定
2.2.1 大壩滲漏處理防滲體形式的確定
大壩滲漏處理防滲體形式的確定主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段:
第一階段:五種大壩滲漏處理方案比選。從防滲可靠性、施工技術(shù)及風(fēng)險(xiǎn)對(duì)五種滲漏處理方案的可行性進(jìn)行分析、比較,得出:①原瀝青心墻防滲體修補(bǔ)方案無(wú)法實(shí)施;②上堵下排方案可能會(huì)降低壩體浸潤(rùn)線,但存在較多不確定因素,防滲可靠性及耐久性較差,不能徹底解決本工程的滲漏問(wèn)題;③壩體灌漿方案灌漿防滲體的滲透系數(shù)一般為i×10-4~i×10-5cm/s(i=1~10),能夠解決本工程的滲漏問(wèn)題,但施工難度大、施工經(jīng)驗(yàn)少、防滲可靠性差;④混凝土防滲墻方案廣泛應(yīng)用于除險(xiǎn)加固工程,防滲效果好、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)成熟、施工質(zhì)量可控,耐久性好;⑤上游垂直防滲+壩面防滲方案對(duì)上游壩坡穩(wěn)定不利,且施工項(xiàng)目多、難度大,存在施工導(dǎo)流及施工安全風(fēng)險(xiǎn)、施工工期不可控制等問(wèn)題,不適用于本工程的滲漏處理。
第二階段:重點(diǎn)對(duì)混凝土防滲墻方案和壩體灌漿方案進(jìn)行對(duì)比?;炷练罎B墻方案通過(guò)成槽在壩體壩基中形成連續(xù)均勻的防滲墻體,加上墻下帷幕灌漿,形成封閉的防滲體系。防滲墻滲透系數(shù)可達(dá)到i×10-7cm/s,墻體允許滲透比降大于70,防滲效果可靠,耐久性好。新設(shè)的混凝土防滲墻彈性模量能適應(yīng)壩體的變形,墻體應(yīng)力小于允許值,可避免開(kāi)裂。此外,混凝土防滲墻技術(shù)成熟,在類(lèi)似工程成功實(shí)例較多,施工質(zhì)量可控,防滲效果可靠。
壩體灌漿方案通過(guò)灌漿在壩體、壩基中形成連續(xù)的、具有一定厚度的防滲體,結(jié)合原防滲系統(tǒng)聯(lián)合防滲。根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn),在過(guò)渡料碎石夾風(fēng)化砂、壩殼料風(fēng)化砂中進(jìn)行灌漿難度較大,漿材擴(kuò)散半徑難以控制,實(shí)施前需進(jìn)行灌漿試驗(yàn),研究漿材的可灌性及可控性,同時(shí)確定孔位布置設(shè)計(jì)、鉆孔、漿材配制、灌漿、檢查等一系列設(shè)計(jì)指標(biāo)及施工工藝;壩體灌漿帷幕的防滲性、耐久性與受灌地層、灌漿材料、漿液充填的密實(shí)性等有關(guān),根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn),灌漿防滲體的滲透系數(shù)一般為i×10-5cm/s,結(jié)石強(qiáng)度較低,總體防滲性能不如混凝土防滲墻;類(lèi)似工程成功經(jīng)驗(yàn)較少,施工質(zhì)量不可控,滲漏處理效果難以保證,若灌漿實(shí)施后未能達(dá)到預(yù)期效果,需進(jìn)一步采取防滲補(bǔ)強(qiáng)處理。
從防滲效果及可靠性方面比較,混凝土防滲墻方案明顯優(yōu)于壩體灌漿方案。因此,壩體混凝土防滲墻及墻下灌漿方案作為大壩滲漏處理最終方案。
2.3 防滲墻施工
2.3.1 防滲墻施工工藝
防滲墻施工采用“兩鉆一抓”法造孔,“氣舉法”清孔,“泥漿下導(dǎo)管直升法”澆筑混凝土的工藝,墻段間連接采用“拔管法”。槽孔劃分為兩期,先施工一期槽,再施工二期槽。
2.3.2 防滲墻施工參數(shù)及要求
(1)壩體防滲墻起止樁號(hào)為K0-9.00m~K0+220.60m,共劃分37個(gè)槽段,槽段長(zhǎng)度為6.8m(主孔長(zhǎng)度為0.8m,副孔長(zhǎng)度為2.2m),其中兩壩肩DF-0、DF-36為明挖明澆防滲墻,其余防滲墻為成槽施工。墻底進(jìn)入弱風(fēng)化基巖0.5m~1m,且墻底不高于原瀝青混凝土心墻基座0.5m;
(2)高程1213.50m以下防滲墻為槽孔澆筑,高程1213.50m以上防滲墻為立模現(xiàn)澆。高程1213.50m以下防滲墻厚度為0.8m,高程1213.50m~1216.30m防滲墻厚度為0.9m,墻體最大深度為65.1m;
(3)防滲墻墻體材料物理力學(xué)指標(biāo)要求:①抗壓強(qiáng)度≥10MPa;②彈性模量小于15GPa;③滲透系數(shù)K≤i×10-7cm/s;④抗?jié)B等級(jí)≥W8。
2.3.3 防滲墻質(zhì)量檢測(cè)
防滲墻墻體質(zhì)量檢查包括鉆孔取芯、鉆孔注水試驗(yàn)、物探聲波CT、單孔聲波,孔內(nèi)全景數(shù)字成像、巖芯樣室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)等。分別在K0+167.67m、K0+014.07m、K0+192.87m布置3個(gè)檢測(cè)孔(倒垂孔),利用鉆孔進(jìn)行取芯試驗(yàn)、孔內(nèi)彈模測(cè)試、孔內(nèi)注水試、孔內(nèi)聲波測(cè)試和孔內(nèi)全景錄像,同時(shí)還利用部分灌漿預(yù)埋管孔對(duì)墻體進(jìn)行聲波CT對(duì)穿檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如下:
(1)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)墻體聲波波速在2850~3570m/s之間,平均波速在2970m/s~3270m/s之間,波速滿(mǎn)足C10塑性混凝土波速要求;
(2)防滲墻混凝土力學(xué)指標(biāo):抗壓強(qiáng)度10.9MPa~19.6MPa,平均14.8MPa;彈性模量8.6GPa~15.6GPa,平均11.6GPa;滲透系數(shù)4.99×10-8cm/s~6.1×10-7cm/s;抗?jié)B等級(jí)≥W8;均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;
(3)通過(guò)聲波CT穿透和孔內(nèi)全景數(shù)字成像檢測(cè),在檢測(cè)區(qū)域墻體范圍內(nèi)未揭示有明顯異常,混凝土勻質(zhì)密實(shí)。
2.4 帷幕灌漿施工
2.4.1 帷幕灌漿施工工藝
帷幕灌漿采用“自上而下、孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)鉆灌法”。墻下帷幕在第一段灌漿結(jié)束后鑲筑φ89mm孔口管,并與原預(yù)埋灌漿管搭接1m,鑲管待凝時(shí)間不小于24h,采用“地毯式”鑲管法,Ⅰ序孔鑲管后即可依次鑲筑相鄰的Ⅱ序孔和Ⅲ序孔。左右岸壩肩及搭接帷幕在非灌漿段鉆孔結(jié)束后即鑲筑φ89mm孔口管。墻下帷幕、搭接帷幕及右壩肩帷幕灌漿分三序施工,先施工Ⅰ序孔,再Ⅱ序孔,最后施工Ⅲ序孔,左壩肩補(bǔ)強(qiáng)帷幕灌漿為單序施工。
2.4.2 帷幕灌漿施工參數(shù)及要求
(1)鉆孔孔徑不小于φ56mm,孔斜滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,孔底沉積厚度小于20cm;
(2)在每一段鉆孔結(jié)束后對(duì)該段進(jìn)行裂隙沖洗和壓水試驗(yàn),壓水試驗(yàn)和裂隙沖洗結(jié)合進(jìn)行,采用簡(jiǎn)易壓水法,壓力為灌漿壓力80%,壓力超過(guò)1MPa時(shí)采用1MPa;壓水試驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)立即連續(xù)進(jìn)行灌漿作業(yè);
(3)墻下帷幕接觸段灌漿結(jié)束后待凝24h掃孔做簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn),透水率≤5Lu后采用0.5∶1的水泥漿鑲鑄φ89mm內(nèi)管,內(nèi)管底部到達(dá)第一段底,頂部與預(yù)埋灌漿管接觸段不小于50cm,且深入混凝土防滲墻不小于1m,鑲管后待凝72h才能下一段的施工;
(4)按照壓水試驗(yàn)呂榮值確定開(kāi)灌水灰比的漿液比級(jí),Ⅰ、Ⅱ序孔采用普通水泥灌漿,Ⅲ序孔采用濕磨細(xì)水泥灌漿,濕磨細(xì)水泥漿液經(jīng)檢測(cè)滿(mǎn)足細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)后(D95<40μm、D50<12μm)用于灌漿作業(yè)并定期進(jìn)行細(xì)度檢測(cè),濕磨細(xì)水泥漿液開(kāi)灌水灰比采用3∶1,漿液配制根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)摻加1%高效減水劑;
(5)灌漿過(guò)程中,根據(jù)各段次的不同,按設(shè)計(jì)要求控制各段次的灌漿壓力,根據(jù)灌漿吸漿量的變化和漿液的變換原則及時(shí)調(diào)整漿液濃度,在規(guī)定的壓力下,當(dāng)注入率不大于1L/min時(shí),繼續(xù)灌注30min,灌漿可以結(jié)束,灌漿結(jié)束后,應(yīng)使用水灰比為0.5∶1的漿液置換孔內(nèi)稀漿或積水,采用全孔灌漿法封孔,灌漿壓力為該孔最大灌漿壓力,封孔灌漿時(shí)間不小于1h;
(6)帷幕灌漿質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為:左壩肩K0+230.60m~K0+335.90m段全、強(qiáng)風(fēng)化基巖灌漿帷幕要求透水率不大于10Lu,弱風(fēng)化基巖灌漿帷幕要求透水率不大于5Lu;K0-19.00m~K0+230.60m段灌漿帷幕要求透水率不大于5Lu;右壩肩K0-80.00m~K0-19.00m段灌漿帷幕要求透水率不大于10Lu。檢查孔壓水試驗(yàn)合格率不小于90%,混凝土防滲墻下第一段帷幕灌漿合格率為100%。
2.4.3 帷幕灌漿質(zhì)量檢測(cè)
防滲墻下帷幕灌漿質(zhì)量檢查包括鉆孔取芯、鉆孔壓水試驗(yàn)、物探聲波CT、單孔聲波,孔內(nèi)全景數(shù)字成像等。分別在防滲墻軸線上按灌漿總孔數(shù)的10%左右進(jìn)行抽檢,共布置18個(gè)檢測(cè)孔,本次檢測(cè)孔的孔位是在灌漿前預(yù)先確定,在防滲墻施工過(guò)程中安裝預(yù)埋管,通過(guò)預(yù)埋管掃孔實(shí)施墻下帷幕灌漿檢查孔。同時(shí)利用部分檢測(cè)孔對(duì)墻下帷幕進(jìn)行了CT對(duì)穿檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如下:
(1)18個(gè)檢測(cè)孔共壓水175段,透水率在0.00~3.42Lu之間,均小于5Lu,透水率稍大的孔段多為墻體與基巖接觸段。僅從壓水透水率評(píng)價(jià),單孔壓水合格率100%,單元壓水合格率100%;
(2)通過(guò)聲波CT穿透和孔內(nèi)全景數(shù)字成像檢測(cè),在檢測(cè)區(qū)域帷幕范圍內(nèi)總體未揭示有明顯異常。
2.5 壩體安全檢測(cè)
2.5.1 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)
混凝土防滲墻在澆筑初期上部局部出現(xiàn)了很小的拉應(yīng)力,目前均呈壓應(yīng)變。其分布基本遵循下部大上部小、下游大上游小的分布規(guī)律,即儀器埋設(shè)越深,受到的壓應(yīng)力越大,壓應(yīng)力下大上小符合物體受力規(guī)律,最大壓應(yīng)變?yōu)?34.33με,小于設(shè)計(jì)允許值989με。
2.5.2 變形檢測(cè)
2.5.2.1 內(nèi)部變形。防滲墻混凝土累積位移量范圍為:-0.099mm~2.436mm之間,從位移分布情況看,高程越高,防滲墻向下游的水平位移越大,但最大位移值僅為2.436mm,防滲墻內(nèi)部未出現(xiàn)影響墻體安全的水平位移。
2.5.2.2 表面變形。壩頂表面變形包括水平位移和豎向位移。主要表現(xiàn)為向下游方向的水平位移,其位移累積量變化范圍在0.56mm~1.80mm之間。豎向位移方向主要表現(xiàn)為垂直向下位移,其位移累積量變化范圍在0~2mm之間。
2.5.3 滲流檢測(cè)
防滲墻上游測(cè)壓管水位過(guò)程線與庫(kù)水位基本同步,測(cè)壓管水位隨庫(kù)水位的升降而升降,測(cè)壓管水位與庫(kù)水位之間存在明顯的相關(guān)性,其管水位主要受庫(kù)水位變化的影響。防滲墻后測(cè)壓管水位隨庫(kù)水位升降而有所變化,但影響很小且與庫(kù)水位之間存在明顯的水位差,從過(guò)程線看,其水位變化周期明顯滯后于庫(kù)水位變化周期。從資料分析可以看出,壩段防滲墻墻前至墻后滲流水位降幅明顯,這說(shuō)明防滲墻起到了隔滲效果。隨著庫(kù)水位升高,防滲墻后水位沒(méi)有明顯變化,未出現(xiàn)異常滲流現(xiàn)象。
2.6 大壩滲漏處理效果
大壩滲漏處理前:最低水位1173.62m,量水堰觀測(cè)到的滲流量為1.66L/s;蓄水至1201.48m,觀測(cè)發(fā)現(xiàn)大壩下游壩體浸潤(rùn)線較高,大壩滲流量為16.93L/s;蓄水至1212.19m,大壩滲流量為23.81L/s,且隨水位上升有進(jìn)一步加劇趨勢(shì)。
大壩滲漏處理后:最低水位1173.62m,量水堰觀測(cè)到的滲流量為0.8L/s;蓄水至1215m,大壩滲流量為1.5L/s,壩體滲流量減小明顯,根據(jù)目前滲流觀測(cè)情況并結(jié)合第三方檢測(cè)數(shù)據(jù)分析,本次滲漏處理效果良好,消除了壩體蓄水安全隱患,達(dá)到了業(yè)主、設(shè)計(jì)預(yù)期效果。從安全檢測(cè)資料看,防滲墻應(yīng)力應(yīng)變、撓度變形、滲流監(jiān)測(cè)、滲流量、大壩水平位移、豎向位移觀測(cè)儀器正常,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及使用要求,大壩運(yùn)行正常。
通過(guò)在攀枝花市仁和區(qū)大竹河水庫(kù)大壩滲漏處理工程中采用“先填壩后防滲處理”施工的成功應(yīng)用,證明這種新施工模式是可行的,防滲效果是優(yōu)異的,防滲體系是可靠的。該施工模式具有廣闊的應(yīng)用前景,可廣泛應(yīng)用于類(lèi)似病險(xiǎn)水庫(kù)大壩的滲漏處理,在新建土石壩中也具有較大推廣價(jià)值。
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王曉飛(1981-),男,漢族,四川成都人,本科,工程師。