塑性混凝土防滲墻在屯六水庫除險加固中的應(yīng)用

鄧禮強

（廣西壯族自治區(qū)水利工程與河道管理中心，南寧 530000）

塑性混凝土是一種低彈模、低強度、大應(yīng)變、強抗?jié)B的柔性工程材料。與普通混凝土相比，塑性混凝土的水泥用量低、膨潤土（黏土）用量高，因此其變形模量與大壩土體的變形模量相近，可以很好地與大壩基礎(chǔ)相適應(yīng)。

二十世紀(jì)六十年代起，國外開始研究塑性混凝土防滲墻技術(shù)并逐步將研究結(jié)果應(yīng)用于堤防、圍堰、大壩等各類水利工程中[1]。我國塑性混凝土防滲墻研究和應(yīng)用起始于二十世紀(jì)八十年代，后在三峽水利樞紐、小浪底水利樞紐、丹江口水庫等多座水庫大壩用于防滲加固[1-2]。鑒于塑性混凝土防滲墻成熟的施工工藝以及良好的防滲效果，因此屯六水庫大壩也采用塑性混凝土防滲墻進(jìn)行防滲處理。

1 屯六水庫工程及地質(zhì)概況

屯六水庫位于南寧市，正常水位146.62 m，總庫容2.26 億m3，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、供水、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合效益的大（2）型水庫。百步壩是屯六水庫的副壩之一，為均質(zhì)土壩，壩頂高程152.86 m，最大壩高33.71 m，壩長為129.5 m，壩頂寬約7.0 m。2019年屯六水庫大壩安全鑒定類別為三類壩，百步壩經(jīng)現(xiàn)場勘查，當(dāng)庫水位為145.5 m時，壩腳處存在流量約為0.17 L/s的鐵銹色滲水，壩體外坡128.4 m 高程處存在有3.0 m2的散滲區(qū)域。百步壩下伏基巖為K1X1 泥質(zhì)粉砂巖夾砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及少量含礫砂巖。泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖以紫紅色為主，薄～中厚層狀，砂巖、含礫砂巖為灰色、灰黃色，中厚～厚層狀。全風(fēng)化層厚0.6～6.2 m，強風(fēng)化層厚3.4～22.0 m，弱風(fēng)化層厚1.9～7.3 m。

屯六水庫百步壩防滲墻軸線平行壩軸線，約在壩軸線上游側(cè)2.5 m處，防滲墻設(shè)計總長132.0 m，深度由兩側(cè)逐步向中部加深，最大墻深為34.0 m，最小墻深為7.0 m。防滲墻頂部設(shè)計高程為151.0 m，墻底深入強風(fēng)化基巖面1.0 m，總成墻面積為2 808.0 m2，總澆筑塑性混凝土1 684.8 m3。

2 防滲墻原材料及設(shè)計配比

2.1 塑性混凝土原材料

（1）水泥。采用普通硅酸鹽水泥。經(jīng)檢測其表觀密度、標(biāo)準(zhǔn)稠度、安定性、凝結(jié)時間、細(xì)度、抗壓、抗折等技術(shù)指標(biāo)均符合《水工混凝土施工規(guī)范》（SL677-2014）要求。

（2）骨料。經(jīng)檢驗，塑性混凝土使用的粗、細(xì)骨料質(zhì)地堅硬、清潔、級配良好，細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.8，粗骨料粒徑為5～20 mm。在施工前經(jīng)原孔篩檢驗，其超徑、遜徑含量分別小于5%和10%，滿足設(shè)計規(guī)范要求。

（3）外加劑。使用鉆井級膨潤土和緩凝性高效凝水劑。膨潤土可降低混凝土的彈性模量[3]、減小滲透系數(shù)、增大極限應(yīng)變，提高防滲墻的安全性和防滲效果。高效減水劑能夠降低塑性混凝土拌和用水量，提高混凝土的流動性和坍落度。

（4）水。塑性混凝土直接使用庫水拌和，經(jīng)對庫水檢驗分析，其物理化學(xué)性質(zhì)符合《水工混凝土施工規(guī)范》（SL677-2014）要求。

2.2 施工配合比

在實際工程中，一般采用降低水泥用量、增加膨潤土用量的方法降低混凝土的彈性模量、增加墻體的極限應(yīng)變，但是墻體的抗壓性能會因為水泥用量的減少而降低，導(dǎo)致安全性能不足。反之，水泥用量越多，彈性模量越高，極限應(yīng)變越低，墻體的應(yīng)變能力就會不足。因此水泥和膨潤土的配合用量決定了墻體的質(zhì)量和應(yīng)變性能。一般來講塑性混凝土的凝膠材料用量不能少于240 kg/m3，其中水泥和膨潤土用量分別不得少于80 kg/m3和40 kg/m3，兩者的合計用量不低于160 kg/m3，砂率不宜小于45%，且在滿足流動性要求的前提下，盡量降低用水量[4]。根據(jù)百步壩土層特性和現(xiàn)場試拌情況，確定了最終塑性混凝土的施工配合比（見表1）。該配合比方案下的塑性混凝土初凝和終凝時間分別為≥6 h、≤24 h，其試驗混凝土塊的檢測結(jié)果見表2。

表1 塑性混凝土施工配合比kg/m3

表2 塑性混凝土試驗結(jié)果

3 施工工藝

塑性混凝土防滲墻施工流程見圖1。

圖1 塑性混凝土防滲墻施工流程圖

3.1 施工平臺及導(dǎo)墻施工

百步壩防滲墻軸線設(shè)計在壩軸線上游側(cè)，因此施工平臺只能設(shè)置在防滲墻軸線下游側(cè)（見圖2）。由于防滲墻軸線距原壩頂下游側(cè)外沿寬度不滿足液壓抓斗機8.0 m 施工平臺寬度的要求，因此在防滲墻施工前通過在下游側(cè)修筑臨時漿砌石擋墻，然后以回填土石夯實的方式將壩頂施工平臺加寬，以保證液壓抓斗機施工平臺的寬度。

圖2 百步壩防滲墻施工平臺示意圖

導(dǎo)墻也稱導(dǎo)向墻，是在防滲墻施工平臺的較淺深度建造的，平行防滲墻軸線，起導(dǎo)向、保護(hù)孔口土體穩(wěn)定和承重作用的臨時性擋土墻。綜合考慮防滲墻設(shè)計厚度、深度以及大壩土質(zhì)情況等，導(dǎo)墻采用全斷面開挖后立模澆筑C25 鋼筋混凝土斷面，結(jié)構(gòu)配Φ12@250鋼筋網(wǎng)。導(dǎo)墻施工前進(jìn)行測量放樣，確保導(dǎo)墻軸線與防滲墻軸線之間的偏離不大于1.5 cm。導(dǎo)墻頂呈直線，底部高程為151.0 m，墻體高1.5 m，寬1.5 m，內(nèi)側(cè)凈寬0.7 m。導(dǎo)墻施工完畢后兩側(cè)回填土方夯實，并每間隔數(shù)米修建混凝土內(nèi)支撐，防止導(dǎo)墻在液壓抓斗機成槽過程中發(fā)生傾覆和位移，造成防滲墻位置偏差。導(dǎo)墻靠水庫上游側(cè)修建混凝土回漿溝以便于成槽和澆筑混凝土過程中泥漿的回收與再利用。

3.2 槽段劃分及成槽驗收

將132.0 m 的防滲墻劃分為22 個槽段，每個槽段長6.0 m，一共21個墻體接頭，槽段從左壩肩至右依次標(biāo)號。槽段分為Ⅰ期槽孔和Ⅱ期槽孔，Ⅰ、Ⅱ期槽孔間隔布設(shè)（見圖3），先施工Ⅰ期槽孔，待Ⅰ期槽孔混凝土初凝后進(jìn)行Ⅱ期槽孔施工。

圖3 塑性混凝土防滲墻槽段劃分示意圖

防滲墻使用重型液壓抓斗機純抓法“三抓成槽”。即由于每段槽孔寬6.0 m，抓斗展開幅度為2.8 m，因此需分三次將一個槽段抓完，抓取的次序為先兩端、后中間。采用接頭管法和平切法結(jié)合的方式進(jìn)行墻體間的連接，因此在Ⅰ期槽孔造孔時需向Ⅱ期槽孔位置兩側(cè)分別多抓取0.3 m 左右，便于下設(shè)墻體接頭管。

成槽驗收主要分為兩階段，第一階段為基巖面鑒定，當(dāng)抓斗機接觸到基巖面時，對每抓的孔底基巖進(jìn)行鑒定并記錄孔底高程。第二階段為成槽驗收，進(jìn)行基巖鑒定以后，抓斗機繼續(xù)向下抓取1.0 m基巖，隨后進(jìn)行孔深、孔斜驗收?？咨钍褂媒?jīng)檢查校準(zhǔn)的孔深測繩進(jìn)行測量，將孔底深度與上一階段的基巖面深度進(jìn)行對比，確保防滲墻嵌入基巖1.0 m。

3.3 泥漿固璧及清孔換漿

泥漿是塑性混凝土防滲墻施工的重要組成部分，其作用是維持孔壁穩(wěn)定、懸浮土渣以及冷卻抓斗設(shè)備。當(dāng)抓斗機開始抓挖槽內(nèi)土方時，應(yīng)同時向槽內(nèi)泵送提前生產(chǎn)好的泥漿進(jìn)行固璧，在成槽過程中泥漿高度應(yīng)該始終控制在導(dǎo)墻頂面以下30～50 cm。本工程泥漿使用膨潤土和純堿進(jìn)行配置，新制取的泥漿在制漿池經(jīng)過24 h溶脹后使用。

在成槽過程中，槽孔內(nèi)的土壤顆粒和碎石不斷進(jìn)入泥漿中，導(dǎo)致泥漿的固壁和懸渣能力不滿足要求，因此需要使用漿液凈化系統(tǒng)將泥漿中的土壤顆粒和碎石去除，然后將處理后的泥漿重新返回槽孔中固壁。本工程使用的清孔方法為氣舉反循環(huán)法[5]，主要設(shè)備是空氣壓縮機和分沙機。吊車將高壓風(fēng)管和排渣管懸吊在槽孔底部左右移動，空壓機輸出的高壓風(fēng)通過改變排渣管內(nèi)外的氣壓來升揚孔底土渣較多的泥漿，含砂量較高的泥漿經(jīng)分沙機處理后返回槽孔，清孔直至分沙機不再篩分出砂礫為止（見圖4）。當(dāng)同一槽孔底部高差較大時，清孔從深度較淺的一側(cè)開始。

圖4 氣舉反循環(huán)法示意圖

清孔結(jié)束后1 h內(nèi)，使用取漿器在距離槽底0.5 m處取泥漿，將取漿器內(nèi)的泥漿分別倒入泥漿比重稱、馬氏漏斗、濾網(wǎng)漏斗中進(jìn)行性能測試。泥漿指標(biāo)的合格標(biāo)準(zhǔn)為在清空換漿結(jié)束后1 h 內(nèi)，孔內(nèi)淤積不高于10 cm、孔內(nèi)泥漿密度不大于1.15g/cm3、黏度（馬氏漏斗）32～50 s、含沙量不大于4%。若泥漿指標(biāo)不符合要求，則應(yīng)根據(jù)泥漿檢測結(jié)果進(jìn)行再度清孔或換漿處理，清孔換漿經(jīng)確認(rèn)合格前，不能進(jìn)行下道工序施工。若在清孔換漿工序結(jié)束后4 h內(nèi)未進(jìn)行混凝土澆筑，則在開澆前重新檢查槽孔淤積厚度，必要時再次進(jìn)行清孔，以保證開澆前孔底淤積厚度不超過10 cm。

3.4 墻體澆筑

塑性混凝土由攪拌車通過分料斗、溜槽和澆筑漏斗進(jìn)入澆筑導(dǎo)管進(jìn)行澆筑。澆筑導(dǎo)管由若干節(jié)直徑25.0 cm 的鋼管連接組成，鋼管外部設(shè)置快速連接絲和便于起吊、安裝的懸掛設(shè)施，內(nèi)部裝有橡膠密封圈。每一節(jié)鋼管在使用前和施工過程中均應(yīng)檢查是否因受壓變扁、變彎、是否有較大磨損、是否存在密閉不實等情況，若存在以上問題，該節(jié)鋼管不能使用。每個槽段下設(shè)兩組澆筑導(dǎo)管，兩組導(dǎo)管下設(shè)控制在距孔段1.5 m 左右，Ⅱ期槽段導(dǎo)管可布設(shè)在距孔段1.0 m左右，導(dǎo)管先下設(shè)到底，隨后向上提起15～25 cm[6]，并在混凝土開澆前保持固定。

由于基巖面高程不一，導(dǎo)致成槽深度略有差別，當(dāng)孔底高差較大時，混凝土澆筑從孔深較大的一側(cè)開始。為了排出澆筑導(dǎo)管中的泥漿，保證混凝土澆筑質(zhì)量，開澆前在每個導(dǎo)管下入直徑略小于導(dǎo)管的可自由浮沉的充氣球。具體步驟為，第一車混凝土澆筑時，先使用隔離鋼板阻斷澆筑漏斗與導(dǎo)管，并在澆筑漏斗中注入足夠數(shù)量的混凝土，隨后抽出隔離板，使漏斗中的塑性混凝土瞬間充滿導(dǎo)管，進(jìn)而擠壓充氣球向下運動擠出導(dǎo)管內(nèi)泥漿，同時將導(dǎo)管底端埋入混凝土中，避免后續(xù)澆筑過程中泥漿進(jìn)入導(dǎo)管[7]?；炷恋臐仓ぷ鞑灰酥袛?，澆筑過程中應(yīng)控制槽孔內(nèi)的混凝土面始終以大于2 m/h 的速率勻速上升。澆筑時，使用測繩每隔0.5 h對槽孔內(nèi)各處混凝土進(jìn)行一次測量記錄，每隔2 h對導(dǎo)管內(nèi)混凝土面進(jìn)行一次測量記錄，目的是保持槽孔混凝土面高差最大不超過0.5 m，同時應(yīng)根據(jù)測量結(jié)果，適當(dāng)上提澆筑導(dǎo)管，保持埋在混凝土中的導(dǎo)管長度在2～6 m。同時使用便拆式擋板覆蓋在孔口頂部，防止孔口周邊的泥石塊和澆筑過程中散落的混凝土進(jìn)入到槽孔內(nèi)，影響防滲墻質(zhì)量。

3.5 墻段連接

目前國內(nèi)外塑性混凝土防滲墻普遍是分槽段進(jìn)行施工，然后使用特定的接頭方法對槽段進(jìn)行連接進(jìn)而形成完整的防滲墻。百步壩防滲墻采用接頭管法和平切法相結(jié)合的方式進(jìn)行墻段間的連接，即Ⅰ期槽段澆筑前，通過在Ⅰ期墻段端頭下設(shè)6.0 m接頭管，從而在防滲墻頂部形成兩個表面光滑的接頭孔，接頭孔起到連接墻體和為Ⅱ期槽孔施工導(dǎo)向的作用。Ⅱ期槽孔施工時，液壓抓斗機沿接頭管方向成槽，并將Ⅰ期槽段接頭管下已初凝的混凝土套抓20～30 cm，保證接頭的質(zhì)量。在施工過程中，嚴(yán)格控制拔管的時間，拔管過早混凝土尚未穩(wěn)定，容易造成槽孔內(nèi)的混凝土塌孔，拔管過晚則造成混凝土“抱管”。Ⅰ期槽段混凝土初凝后可進(jìn)行Ⅱ期槽段施工，Ⅱ期槽在清空換漿結(jié)束之前，用具有一定重量的圓形鋼絲刷對Ⅰ期槽孔端頭孔壁上的泥皮進(jìn)行刷洗，通過吊車調(diào)整鋼絲繩位置，從上至下分段進(jìn)行清洗，直至刷子上基本不在帶有泥屑，孔底淤泥不再增加[8]。

4 關(guān)鍵問題處理及質(zhì)量控制

（1）關(guān)鍵問題處理。由于百步壩建設(shè)時間較早，大壩主體由人工進(jìn)行夯實，存在壓實度不夠、土層松散、孔隙率大、壩體碎石夾雜等情況，導(dǎo)致百步壩15 號槽在成槽過程中發(fā)生了槽段坍塌現(xiàn)象。在發(fā)生槽段坍塌后，為了保證大壩安全和施工質(zhì)量，進(jìn)行了15 號槽段的黏土回填壓實[9]，待塌孔地段穩(wěn)定后重新成槽，并同時改善泥漿質(zhì)量，加強泥漿的固壁效果。

（2）質(zhì)量控制。施工期質(zhì)量監(jiān)督和成墻后質(zhì)量檢查是防滲墻施工需要重點把控的環(huán)節(jié)。在百步壩的防滲墻施工過程中主要對槽孔終孔質(zhì)量、清空換漿質(zhì)量、混凝土澆筑質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的把控。槽孔終孔質(zhì)量控制主要是對終孔深、孔斜、孔型、槽寬以及嵌入基巖深度進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)。清孔換漿質(zhì)量控制主要是對槽底淤積厚度、泥漿密度、黏度、含砂量和接頭部位墻體的刷洗質(zhì)量進(jìn)行檢查。澆筑質(zhì)量控制主要是對澆筑導(dǎo)管的間距和埋深、泥漿下混凝土面上升速率、槽孔內(nèi)和澆筑導(dǎo)管內(nèi)混凝土面的高度進(jìn)行檢查。同時在澆筑過程中，對澆筑現(xiàn)場的混凝土進(jìn)行彈模、抗?jié)B、抗壓試塊取樣，抗壓試塊每個槽段成型1 組，抗?jié)B試塊每3 個槽段成型1 組，抗?jié)B試塊每10個槽段成型1組，按照標(biāo)準(zhǔn)對取樣混凝土試件進(jìn)行保養(yǎng)，齡期28 d 后送檢。經(jīng)檢測，取樣試件的相應(yīng)指標(biāo)均滿足要求。

在最后一個槽段施工結(jié)束28 d后，對施工完成后的墻體質(zhì)量采用地質(zhì)鉆孔的方法進(jìn)行檢查。鉆孔的中心位置需要與防滲墻軸線重合，鉆孔位置分別選擇墻體成孔和墻縫成孔。鉆孔直徑為110 mm，鉆孔深度為防滲墻底部往上2.0 m 處，鉆進(jìn)過程中分段取芯樣，鉆孔進(jìn)行注水試驗，芯樣進(jìn)行室內(nèi)性能實驗。經(jīng)檢測，百步壩塑性混凝土防滲心墻槽段接縫良好，各性能指標(biāo)均滿足要求。封閉檢查孔前先對孔進(jìn)行沖洗，合格后，用水泥漿進(jìn)行封孔。

5 結(jié)語

屯六水庫百步壩防滲墻的槽段劃分合理，施工采用純抓法成槽，清孔換漿過程使用空壓機和分沙機相結(jié)合的氣舉循環(huán)法，采用壓球法進(jìn)行混凝土澆筑，采用接頭管法和平切法進(jìn)行槽段連接，全部成槽完畢后對墻體和接縫孔進(jìn)行鉆孔檢驗。施工過程中，通過對導(dǎo)墻軸線放樣、槽段劃分、泥漿制備、成槽孔深、孔斜、清孔換漿、原材料質(zhì)量、入孔混凝土質(zhì)量等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的監(jiān)督控制，保證了百步壩塑性混凝土防滲墻的防滲效果，可以為同類工程提供參考。