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水库工程中塑性混凝土防渗墙的设计与施工

时间:2020-04-30

  摘    要: 塑性混凝土具有大应变、低弹模、低强度等特性,能适应较大的变形,是经济优良的防渗体材料。通过南水北调东线双王城水库工程应用的实例,总结了在沿海地区,地下水水质为硬咸水~卤水的易塌孔地质条件下塑性混凝土垂直防渗墙施工工艺,为类似工程施工提供借鉴经验。

  关键词: 防渗墙; 塑性混凝土; 平原水库;

  Abstract: Plastic concrete, featured as large strain, low elastic modulus and low strength, can adapt to relatively big deformation and be used as economical seepage prevention materials. Taking Shuangwangcheng Reservoir in the Eastern Route of South-to-North Water Diversion Project as an example, it summarizes the construction technology of plastic concrete vertical cutoff wall in coastal areas under the geological conditions of collapsing hole and brackish water and brine in the aquifer. The case study can provide valuable experiences for the construction of similar projects.

  Keyword: seepage prevention wall; plastic concrete; reservoir in plain area;

  一、工程概况

  双王城水库位于山东省潍坊市北部,距离黄河入海口80 km,水库大致为梯形,最大坝高12.5 m,设计最高蓄水深度9.0 m,总库容6 150万m3。水库工程垂直防渗采用塑性混凝土防渗墙,防渗墙轴线平行坝轴线,距围坝轴线41.5 m,平均深度28 m,厚度30 cm,防渗墙顶高程3.5 m。

  二、工程地质及水文地质

  1.工程地质条件

  防渗墙地层上部为第四系全新统冲积堆积(Q4m)的裂隙黏土、壤土、砂壤土,地层下部为第四系上更新统海积堆积(Q3m)的砂壤土、壤土。地层具体地质概况见表1。

  2.水文地质条件

  库区浅层地下水为卤水,以氯化钠型卤水为主,类型为第四系松散层孔隙潜水,(1)~(8)层土含水层渗透系数为0.68~10.97m/d。(9)层为相对不透水地层,渗透系数为0.03~0.11 m/d,该土层作为水库库盘防渗土层,坝体塑性混凝土垂直防渗墙底部插入(9)层壤土。
 

水库工程中塑性混凝土防渗墙的设计与施工
 

  防渗墙地层地下水矿化度范围值3.00~87.72 g/L,pH值7.39~8.35,全硬度457.2~17 119.8 mg/L,防渗墙地层地下水质差,属于咸水~卤水,地下水对施工护壁泥浆有破坏作用。

  三、塑性混凝土防渗墙设计

  水库垂直防渗采用塑性混凝土防渗墙,防渗墙沿坝轴线内侧布置,防渗墙下部插入(9)层壤土,防渗墙上部与坝体复合土工膜连接,防渗墙与库内(9)层壤土、坝体复合土工膜形成平原水库完整防渗体系。防渗墙轴线平行于坝轴线,距围坝轴线41.5 m,防渗墙底部插入(9)层壤土,垂直深度平均为28 m,防渗墙厚度为30 cm,防渗墙顶高程3.5m。塑性混凝土防渗墙设计指标见表2

  表1 地层地质概况
表1 地层地质概况

  四、塑性混凝土防渗墙施工

  1.施工准备

  (1)塑性混凝土配合比设计

  塑性混凝土具有大应变、低弹模、低强度特性,相对普通混凝土有很好地适应变形能力。本工程塑性混凝土配合比数值由山东省水利科学研究院实验中心完成确定,水泥用量为140 kg/m3,通过掺加膨润土、外加剂等材料,配合比满足低弹模、低强度要求,塑性混凝土氯离子扩散系数、弹模、强度、抗渗等参数符合设计要求。

  (2)试验段施工

  实验槽段选择21~24号槽段,总长42 m,实验段完成后经山东省水利设计院检测中心高密度电法进行成墙检测,墙体连续,成墙质量较好。现场根据规范及设计留置弹模、抗渗、抗压试块,经检测,参数符合设计要求。

  经过试验段施工确定了施工工艺参数:采用液压抓斗三抓成槽,槽段按每段7 m划分,泥浆黏度32~50 s,泥浆比重小于1.15。

  (3)施工道路及地面硬化

  防渗结构施工期间为满足成槽机、吊车等大型设备施工的要求,沿施工防渗墙边做8m宽道路兼施工平台,铺设40 cm厚砖渣及碎石,碾压合格,场地满足施工设备要求。在现场每隔300m开挖砌筑一个200m3左右的泥浆池。

  2.施工工艺

  塑性混凝土防渗墙采用液压抓斗成槽、直升导管法进行水下塑性混凝土浇筑。抓槽时先建造导墙,为抓斗成槽提供导向,同时防止槽孔上部槽壁坍塌。成槽机就位,履带垂直防渗墙轴线,抓斗沿导墙中心抓土,泥浆护壁。在挖槽至(9)层壤土下1 m,且深度不小于28 m后结束槽孔挖土,槽孔静置沉渣后,通过抓斗进行抓槽清孔,清除槽底沉渣;清槽换浆完成后,进行水下塑性混凝土浇筑。塑性混凝土防渗墙施工工艺流程见图1。

  表2 塑性混凝土防渗墙设计参数
表2 塑性混凝土防渗墙设计参数

  3.导墙施工

  导墙是成槽尺寸偏差控制的重要保证,在工程实践中由于导墙施工内侧净尺寸偏小、导墙结构偏小、导墙回填不密实,造成抓斗破坏导墙,导墙下部土方塌槽,影响防渗墙成墙质量。另外本水库地层大部分为砂壤土,成槽过程中上部砂壤土受到振动易产生液化塌槽。根据地质情况确定防渗墙导墙采用钢筋混凝土结构,混凝土强度C20,结构配φ12@250钢筋网。导墙采用“┓┏”形,结构厚30cm,深度100cm,顶宽60 cm。导墙内侧净宽为36 cm,比设计墙厚(30 cm)增加6 cm。导墙纵轴线允许偏差±10 mm,导墙内净宽允许偏差±5 mm,导墙侧壁垂直度<4‰。

  图1 塑性混凝土防渗墙施工工艺流程
图1 塑性混凝土防渗墙施工工艺流程

  4.泥浆生产

  (1)泥浆的制备

  普通泥浆配比适用于地层为普通地下水的情况,本水库工程地处沿渤海湾盐碱地,地下水为卤水,对普通泥浆有破坏作用,地下卤水引起槽内泥浆性能下降,达不到护壁效果。根据地下水的实际情况,通过试验确定泥浆配比,在泥浆中加入适量的CMC分散剂,改善泥浆性能,改善后泥浆的性能满足地下卤水条件下的防渗墙施工要求。新配泥浆性能如表3。

  (2)泥浆制备的技术要求

  (1)新制泥浆经24小时膨化后再使用。

  (2)对槽内泥浆顶面下1.5 m处及泥浆底面以上1.5 m处取样检测,性能达不到标准规定的,进行泥浆处理再利用或者废弃。

  (3)泥浆搅拌时间大于5分钟,配比计量重量误差小于5%。

  (4)每12小时测一次泥浆黏度和比重,塑性混凝土灌注前再测一次。

  (3)泥浆系统的布置

  新鲜泥浆由泥浆搅拌机搅拌生产,通过泥浆泵及泥浆管道将新鲜泥浆送至槽孔,现场设置泥浆池。

  5.抓斗成槽

  防渗墙采用抓斗三抓成槽、泥浆护壁的施工工艺。三抓成槽就是每幅宽7 m槽段分左中右三小槽孔,首先用抓斗抓左右2.7m宽的两个小槽孔,最后抓取中间1.6m宽的小槽孔,形成整幅7m槽段。液压抓斗成槽工艺如下:

  表3 新鲜泥浆主要性能指标
表3 新鲜泥浆主要性能指标

  (1)平行防渗墙轴线修筑施工道路兼平台,场地平整坚实,将成槽机就位,成槽机履带垂直于防渗墙轴线。

  (2)先抓两侧2.7 m宽小槽孔,成槽机就位后,调整抓斗位置使抓斗位于防渗墙轴线处,抓斗开始抓挖槽内土方,同时泵送新鲜泥浆进入槽孔护壁,抓斗挖土过程中,不断补充泥浆,使泥浆充满槽孔,保持泥浆液面在导墙顶面。挖槽至(9)层壤土下1 m,且深度不小于28 m后,结束槽孔开挖。两侧小槽段(槽孔)开挖至设计深度后,再开挖中间槽孔至设计深度,三槽孔抓挖完成形成完整7 m宽槽段。

  (3)槽段开挖完成后沉淀25分钟,然后用抓斗直接抓取沉渣清槽,并更换槽孔内的稠泥浆,使泥浆比重小于1.20,沉渣厚度小于100 mm。塑性混凝土施工前,对槽内泥浆比重和含砂量进行检测,泥浆取样为泥浆顶面下1.5 m和泥浆底面以上1.5 m处各一次。

  (4)防渗墙槽段顺作施工,根据施工流水的要求,首先施工首开槽段,首开槽段两端均为接头管,当首开槽段塑性混凝土强度大于2 MPa时,再顺序施工后期槽段,后期槽段为一端有接头管,另一端为已完成槽段。

  6.水下塑性混凝土灌注

  塑性混凝土水下灌注是影响防渗墙成墙连续、槽段接头质量的重要工序。为满足塑性混凝土的连续供应,防止出现因机组故障造成混凝土拌和中断的情况,塑性混凝土拌和供应由两套独立拌和系统组成,每套拌和系统混凝土供应能力均能满足浇筑强度要求。塑性混凝土采用混凝土罐车运输,混凝土罐车运输塑性混凝土至槽段灌注部位,直接卸料进入料斗,通过水下导管直升灌注。

  (1)成槽、清槽合格后立即灌注塑性混凝土,每槽段布设两根导管下料浇筑,导管间距3.8 m,导管与槽段端部距离1.6 m,导管下口与槽底距离小于25 cm。混凝土面上升速度大于2 m/h,塑性混凝土连续灌注到4.0 m高程。

  (2)灌注过程中测定塑性混凝土面高程,记录塑性混凝土灌注量,根据测量数据确定导管埋深,导管首次埋深大于1.0 m,灌注过程中控制导管埋深大于2 m,导管埋深最大不超过6 m。

  (3)塑性混凝土浇筑接近墙顶时,导管内混凝土与槽孔内混凝土高差较小,此时用泥浆泵辅助将泥浆抽出槽孔外。

  五、塌槽问题处理

  防渗墙施工初期在成槽过程中出现了塌槽问题,槽段塑性混凝土充盈系数较大。

  1.原因分析

  (1)防渗墙地层地下水以卤化钠型为主,属于咸水~卤水,地下卤水对泥浆有破坏性,影响泥浆的护壁性能。

  (2)地层为裂隙黏土、壤土、砂壤土,易振动坍塌。

  (3)地下水水位较高,不利于槽壁的稳定。

  2.应对措施

  (1)优化泥浆配比,配比中增加CMC分散剂,提高泥浆比重和黏度,提高泥浆的抗卤水侵害能力。

  (2)防渗墙成槽挖土期间,重型机械不得在槽孔范围内施工,减少振动影响槽壁稳定。对容易发生坍塌的地层(2)层、(6)层等砂壤土层,抓斗施工至该土层时慢提慢放,减少抓斗提放产生的振动及泥浆波动冲击造成槽壁坍塌。

  (3)沿部分槽段两侧采用轻型井点降水法降低地下水水位,同时提高槽段内泥浆液面,将泥浆液面保持在导墙面以上。

  六、塑性混凝土防渗墙施工质量控制措施

  1.防渗墙轴线及尺寸控制

  (1)导墙中线即为防渗墙中心线,其偏差控制为±1 cm。

  (2)导墙顶面高程为4.0 m,偏差控制为±1 cm。

  (3)导墙间净距为35 cm,偏差控制为±0.5 cm。

  2.原材料质量控制

  (1)水泥:采用潍坊山水普硅42.5级水泥。

  (2)塑性混凝土用膨润土:质量标准符合原石油工业部部颁标准《钻井液用膨润土》(SY 5060—85)要求。

  (3)粗骨料:选用青州产天然砾石,含泥量小于1.0%,泥块含量小于0.5%。

  (4)细骨料:选用细度模数2.4~3.0范围的弥河中粗砂,其含泥量小于2%。

  进场原材料按进场数量取样复检合格后才能用于塑性混凝土。

  3.抓斗成槽质量控制要点

  (1)沿施工平台设置排水沟,防止雨水等渗入槽内,破坏孔壁稳定。

  (2)成槽过程中,孔内泥浆面应保持在导墙顶面附近,抓斗进出导墙附近时轻放慢提,防止泥浆波动冲击造成导墙下砂壤土坍塌。

  (3)在成槽机挖土时,悬吊抓斗的吊绳保持垂直张紧状态,以保证槽孔平整垂直。槽孔位中心偏差控制小于3 cm、槽孔斜率控制小于0.6%。

  (4)成槽完成后,对槽孔孔斜率、槽深、中心偏差进行检查,检查合格后方可清槽换浆。

  4.塑性混凝土浇筑质量控制

  (1)塑性混凝土必须有开盘记录、配比单,水泥、膨润土、粉煤灰、砂石骨料、外加剂等需有复试检测报告;塑性混凝土扩散度、塌落度现场检测,现场施工时每10幅槽段留取弹模试块1组,每3幅槽段留取抗渗试块1组,每槽留取抗压强度试块1组。

  (2)对塑性混凝土的技术要求:扩散度为34~38 cm,坍落度为18~22 cm,采用潍坊山水42.5普通硅酸盐水泥,掺加高效减水剂,掺量为4 kg/m3。

  (3)塑性混凝土必须连续灌注,导管布设控制间距不大于3.8m,导管埋深控制大于2m,小于6m。

  七、塑性混凝土防渗墙质量检测

  (1)防渗墙按照规范要求留置抗渗、抗压、弹模试块进行塑性混凝土抗渗、弹模、强度等参数检测。每10幅槽段取弹模试块1组,每3幅槽段取抗渗试块1组,每槽留1组塑性混凝土抗压试块,留置试块的渗透系数、弹模、强度经检测均合格,满足设计及规范要求

  (2)高密度电法无损检测测试塑性混凝土防渗墙墙身均匀性具有良好的效果,成墙施工结束后委托山东水利工程试验中心采用高密度电法无损检测,沿墙体轴线进行连续性和整体性检测,墙体完整连续。

  (3)随机选取3处防渗墙段进行浅层开挖,开挖外露墙体较平整,墙体连续无缺陷,槽段接缝较好,未发现明显缺陷。

  八、结语

  南水北调东线通水后,双王城水库开始分阶段蓄水,通过对渗压计及测压管水位、坝后截渗沟水位的观测,防渗墙防渗效果良好。通过塑性混凝土防渗墙质量检测和工程运行检验,工程质量良好。

  参考文献

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