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      水庫工程中塑性混凝土防滲墻的設計與施工
      發布時間:2020-04-30

        摘    要: 塑性混凝土具有大應變、低彈模、低強度等特性,能適應較大的變形,是經濟優良的防滲體材料。通過南水北調東線雙王城水庫工程應用的實例,總結了在沿海地區,地下水水質為硬咸水~鹵水的易塌孔地質條件下塑性混凝土垂直防滲墻施工工藝,為類似工程施工提供借鑒經驗。

        關鍵詞: 防滲墻; 塑性混凝土; 平原水庫;

        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、工程概況

        雙王城水庫位于山東省濰坊市北部,距離黃河入海口80 km,水庫大致為梯形,最大壩高12.5 m,設計最高蓄水深度9.0 m,總庫容6 150萬m3。水庫工程垂直防滲采用塑性混凝土防滲墻,防滲墻軸線平行壩軸線,距圍壩軸線41.5 m,平均深度28 m,厚度30 cm,防滲墻頂高程3.5 m。

        二、工程地質及水文地質

        1.工程地質條件

        防滲墻地層上部為第四系全新統沖積堆積(Q4m)的裂隙黏土、壤土、砂壤土,地層下部為第四系上更新統海積堆積(Q3m)的砂壤土、壤土。地層具體地質概況見表1。

        2.水文地質條件

        庫區淺層地下水為鹵水,以氯化鈉型鹵水為主,類型為第四系松散層孔隙潛水,(1)~(8)層土含水層滲透系數為0.68~10.97m/d。(9)層為相對不透水地層,滲透系數為0.03~0.11 m/d,該土層作為水庫庫盤防滲土層,壩體塑性混凝土垂直防滲墻底部插入(9)層壤土。
       

      水庫工程中塑性混凝土防滲墻的設計與施工
       

        防滲墻地層地下水礦化度范圍值3.00~87.72 g/L,pH值7.39~8.35,全硬度457.2~17 119.8 mg/L,防滲墻地層地下水質差,屬于咸水~鹵水,地下水對施工護壁泥漿有破壞作用。

        三、塑性混凝土防滲墻設計

        水庫垂直防滲采用塑性混凝土防滲墻,防滲墻沿壩軸線內側布置,防滲墻下部插入(9)層壤土,防滲墻上部與壩體復合土工膜連接,防滲墻與庫內(9)層壤土、壩體復合土工膜形成平原水庫完整防滲體系。防滲墻軸線平行于壩軸線,距圍壩軸線41.5 m,防滲墻底部插入(9)層壤土,垂直深度平均為28 m,防滲墻厚度為30 cm,防滲墻頂高程3.5m。塑性混凝土防滲墻設計指標見表2

        表1 地層地質概況
      表1 地層地質概況

        四、塑性混凝土防滲墻施工

        1.施工準備

        (1)塑性混凝土配合比設計

        塑性混凝土具有大應變、低彈模、低強度特性,相對普通混凝土有很好地適應變形能力。本工程塑性混凝土配合比數值由山東省水利科學研究院實驗中心完成確定,水泥用量為140 kg/m3,通過摻加膨潤土、外加劑等材料,配合比滿足低彈模、低強度要求,塑性混凝土氯離子擴散系數、彈模、強度、抗滲等參數符合設計要求。

        (2)試驗段施工

        實驗槽段選擇21~24號槽段,總長42 m,實驗段完成后經山東省水利設計院檢測中心高密度電法進行成墻檢測,墻體連續,成墻質量較好。現場根據規范及設計留置彈模、抗滲、抗壓試塊,經檢測,參數符合設計要求。

        經過試驗段施工確定了施工工藝參數:采用液壓抓斗三抓成槽,槽段按每段7 m劃分,泥漿黏度32~50 s,泥漿比重小于1.15。

        (3)施工道路及地面硬化

        防滲結構施工期間為滿足成槽機、吊車等大型設備施工的要求,沿施工防滲墻邊做8m寬道路兼施工平臺,鋪設40 cm厚磚渣及碎石,碾壓合格,場地滿足施工設備要求。在現場每隔300m開挖砌筑一個200m3左右的泥漿池。

        2.施工工藝

        塑性混凝土防滲墻采用液壓抓斗成槽、直升導管法進行水下塑性混凝土澆筑。抓槽時先建造導墻,為抓斗成槽提供導向,同時防止槽孔上部槽壁坍塌。成槽機就位,履帶垂直防滲墻軸線,抓斗沿導墻中心抓土,泥漿護壁。在挖槽至(9)層壤土下1 m,且深度不小于28 m后結束槽孔挖土,槽孔靜置沉渣后,通過抓斗進行抓槽清孔,清除槽底沉渣;清槽換漿完成后,進行水下塑性混凝土澆筑。塑性混凝土防滲墻施工工藝流程見圖1。

        表2 塑性混凝土防滲墻設計參數
      表2 塑性混凝土防滲墻設計參數

        3.導墻施工

        導墻是成槽尺寸偏差控制的重要保證,在工程實踐中由于導墻施工內側凈尺寸偏小、導墻結構偏小、導墻回填不密實,造成抓斗破壞導墻,導墻下部土方塌槽,影響防滲墻成墻質量。另外本水庫地層大部分為砂壤土,成槽過程中上部砂壤土受到振動易產生液化塌槽。根據地質情況確定防滲墻導墻采用鋼筋混凝土結構,混凝土強度C20,結構配φ12@250鋼筋網。導墻采用“┓┏”形,結構厚30cm,深度100cm,頂寬60 cm。導墻內側凈寬為36 cm,比設計墻厚(30 cm)增加6 cm。導墻縱軸線允許偏差±10 mm,導墻內凈寬允許偏差±5 mm,導墻側壁垂直度<4‰。

        圖1 塑性混凝土防滲墻施工工藝流程
      圖1 塑性混凝土防滲墻施工工藝流程

        4.泥漿生產

        (1)泥漿的制備

        普通泥漿配比適用于地層為普通地下水的情況,本水庫工程地處沿渤海灣鹽堿地,地下水為鹵水,對普通泥漿有破壞作用,地下鹵水引起槽內泥漿性能下降,達不到護壁效果。根據地下水的實際情況,通過試驗確定泥漿配比,在泥漿中加入適量的CMC分散劑,改善泥漿性能,改善后泥漿的性能滿足地下鹵水條件下的防滲墻施工要求。新配泥漿性能如表3。

        (2)泥漿制備的技術要求

        (1)新制泥漿經24小時膨化后再使用。

        (2)對槽內泥漿頂面下1.5 m處及泥漿底面以上1.5 m處取樣檢測,性能達不到標準規定的,進行泥漿處理再利用或者廢棄。

        (3)泥漿攪拌時間大于5分鐘,配比計量重量誤差小于5%。

        (4)每12小時測一次泥漿黏度和比重,塑性混凝土灌注前再測一次。

        (3)泥漿系統的布置

        新鮮泥漿由泥漿攪拌機攪拌生產,通過泥漿泵及泥漿管道將新鮮泥漿送至槽孔,現場設置泥漿池。

        5.抓斗成槽

        防滲墻采用抓斗三抓成槽、泥漿護壁的施工工藝。三抓成槽就是每幅寬7 m槽段分左中右三小槽孔,首先用抓斗抓左右2.7m寬的兩個小槽孔,最后抓取中間1.6m寬的小槽孔,形成整幅7m槽段。液壓抓斗成槽工藝如下:

        表3 新鮮泥漿主要性能指標
      表3 新鮮泥漿主要性能指標

        (1)平行防滲墻軸線修筑施工道路兼平臺,場地平整堅實,將成槽機就位,成槽機履帶垂直于防滲墻軸線。

        (2)先抓兩側2.7 m寬小槽孔,成槽機就位后,調整抓斗位置使抓斗位于防滲墻軸線處,抓斗開始抓挖槽內土方,同時泵送新鮮泥漿進入槽孔護壁,抓斗挖土過程中,不斷補充泥漿,使泥漿充滿槽孔,保持泥漿液面在導墻頂面。挖槽至(9)層壤土下1 m,且深度不小于28 m后,結束槽孔開挖。兩側小槽段(槽孔)開挖至設計深度后,再開挖中間槽孔至設計深度,三槽孔抓挖完成形成完整7 m寬槽段。

        (3)槽段開挖完成后沉淀25分鐘,然后用抓斗直接抓取沉渣清槽,并更換槽孔內的稠泥漿,使泥漿比重小于1.20,沉渣厚度小于100 mm。塑性混凝土施工前,對槽內泥漿比重和含砂量進行檢測,泥漿取樣為泥漿頂面下1.5 m和泥漿底面以上1.5 m處各一次。

        (4)防滲墻槽段順作施工,根據施工流水的要求,首先施工首開槽段,首開槽段兩端均為接頭管,當首開槽段塑性混凝土強度大于2 MPa時,再順序施工后期槽段,后期槽段為一端有接頭管,另一端為已完成槽段。

        6.水下塑性混凝土灌注

        塑性混凝土水下灌注是影響防滲墻成墻連續、槽段接頭質量的重要工序。為滿足塑性混凝土的連續供應,防止出現因機組故障造成混凝土拌和中斷的情況,塑性混凝土拌和供應由兩套獨立拌和系統組成,每套拌和系統混凝土供應能力均能滿足澆筑強度要求。塑性混凝土采用混凝土罐車運輸,混凝土罐車運輸塑性混凝土至槽段灌注部位,直接卸料進入料斗,通過水下導管直升灌注。

        (1)成槽、清槽合格后立即灌注塑性混凝土,每槽段布設兩根導管下料澆筑,導管間距3.8 m,導管與槽段端部距離1.6 m,導管下口與槽底距離小于25 cm。混凝土面上升速度大于2 m/h,塑性混凝土連續灌注到4.0 m高程。

        (2)灌注過程中測定塑性混凝土面高程,記錄塑性混凝土灌注量,根據測量數據確定導管埋深,導管首次埋深大于1.0 m,灌注過程中控制導管埋深大于2 m,導管埋深最大不超過6 m。

        (3)塑性混凝土澆筑接近墻頂時,導管內混凝土與槽孔內混凝土高差較小,此時用泥漿泵輔助將泥漿抽出槽孔外。

        五、塌槽問題處理

        防滲墻施工初期在成槽過程中出現了塌槽問題,槽段塑性混凝土充盈系數較大。

        1.原因分析

        (1)防滲墻地層地下水以鹵化鈉型為主,屬于咸水~鹵水,地下鹵水對泥漿有破壞性,影響泥漿的護壁性能。

        (2)地層為裂隙黏土、壤土、砂壤土,易振動坍塌。

        (3)地下水水位較高,不利于槽壁的穩定。

        2.應對措施

        (1)優化泥漿配比,配比中增加CMC分散劑,提高泥漿比重和黏度,提高泥漿的抗鹵水侵害能力。

        (2)防滲墻成槽挖土期間,重型機械不得在槽孔范圍內施工,減少振動影響槽壁穩定。對容易發生坍塌的地層(2)層、(6)層等砂壤土層,抓斗施工至該土層時慢提慢放,減少抓斗提放產生的振動及泥漿波動沖擊造成槽壁坍塌。

        (3)沿部分槽段兩側采用輕型井點降水法降低地下水水位,同時提高槽段內泥漿液面,將泥漿液面保持在導墻面以上。

        六、塑性混凝土防滲墻施工質量控制措施

        1.防滲墻軸線及尺寸控制

        (1)導墻中線即為防滲墻中心線,其偏差控制為±1 cm。

        (2)導墻頂面高程為4.0 m,偏差控制為±1 cm。

        (3)導墻間凈距為35 cm,偏差控制為±0.5 cm。

        2.原材料質量控制

        (1)水泥:采用濰坊山水普硅42.5級水泥。

        (2)塑性混凝土用膨潤土:質量標準符合原石油工業部部頒標準《鉆井液用膨潤土》(SY 5060—85)要求。

        (3)粗骨料:選用青州產天然礫石,含泥量小于1.0%,泥塊含量小于0.5%。

        (4)細骨料:選用細度模數2.4~3.0范圍的彌河中粗砂,其含泥量小于2%。

        進場原材料按進場數量取樣復檢合格后才能用于塑性混凝土。

        3.抓斗成槽質量控制要點

        (1)沿施工平臺設置排水溝,防止雨水等滲入槽內,破壞孔壁穩定。

        (2)成槽過程中,孔內泥漿面應保持在導墻頂面附近,抓斗進出導墻附近時輕放慢提,防止泥漿波動沖擊造成導墻下砂壤土坍塌。

        (3)在成槽機挖土時,懸吊抓斗的吊繩保持垂直張緊狀態,以保證槽孔平整垂直。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,對槽孔孔斜率、槽深、中心偏差進行檢查,檢查合格后方可清槽換漿。

        4.塑性混凝土澆筑質量控制

        (1)塑性混凝土必須有開盤記錄、配比單,水泥、膨潤土、粉煤灰、砂石骨料、外加劑等需有復試檢測報告;塑性混凝土擴散度、塌落度現場檢測,現場施工時每10幅槽段留取彈模試塊1組,每3幅槽段留取抗滲試塊1組,每槽留取抗壓強度試塊1組。

        (2)對塑性混凝土的技術要求:擴散度為34~38 cm,坍落度為18~22 cm,采用濰坊山水42.5普通硅酸鹽水泥,摻加高效減水劑,摻量為4 kg/m3。

        (3)塑性混凝土必須連續灌注,導管布設控制間距不大于3.8m,導管埋深控制大于2m,小于6m。

        七、塑性混凝土防滲墻質量檢測

        (1)防滲墻按照規范要求留置抗滲、抗壓、彈模試塊進行塑性混凝土抗滲、彈模、強度等參數檢測。每10幅槽段取彈模試塊1組,每3幅槽段取抗滲試塊1組,每槽留1組塑性混凝土抗壓試塊,留置試塊的滲透系數、彈模、強度經檢測均合格,滿足設計及規范要求

        (2)高密度電法無損檢測測試塑性混凝土防滲墻墻身均勻性具有良好的效果,成墻施工結束后委托山東水利工程試驗中心采用高密度電法無損檢測,沿墻體軸線進行連續性和整體性檢測,墻體完整連續。

        (3)隨機選取3處防滲墻段進行淺層開挖,開挖外露墻體較平整,墻體連續無缺陷,槽段接縫較好,未發現明顯缺陷。

        八、結語

        南水北調東線通水后,雙王城水庫開始分階段蓄水,通過對滲壓計及測壓管水位、壩后截滲溝水位的觀測,防滲墻防滲效果良好。通過塑性混凝土防滲墻質量檢測和工程運行檢驗,工程質量良好。

        參考文獻

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