任海軍

(長(zhǎng)江科學(xué)院監(jiān)理公司，湖北武漢430010)

深厚砂礫石覆蓋層混凝土防滲墻墻段連接技術(shù)研究

任海軍

(長(zhǎng)江科學(xué)院監(jiān)理公司，湖北武漢430010)

阿爾塔什水利樞紐工程建在深厚的砂礫石覆蓋層上，如何在保證施工質(zhì)量的前提下，優(yōu)化施工方案，改善防滲墻應(yīng)力狀況，是施工技術(shù)研究重點(diǎn)。通過(guò)對(duì)防滲墻的受力特性、深厚覆蓋層的工程特性分析和研究，從防滲墻成墻槽段劃分、墻段連接技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)上，進(jìn)行優(yōu)化施工方案，有效消減了防滲墻在壩體填筑和蓄水過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變集中，保證防滲墻的成墻質(zhì)量和運(yùn)行效果。實(shí)踐證明，防滲墻施工有關(guān)技術(shù)應(yīng)用滿足設(shè)計(jì)要求，也能改善防滲墻受力狀況，為同類工程施工提供參考。

深厚覆蓋層；面板堆石壩；混凝土防滲墻；墻段連接技術(shù)；阿爾塔什水利樞紐工程

0 引 言

隨著新設(shè)備、新技術(shù)的應(yīng)用，在深厚覆蓋層上修筑大壩日趨增多，大壩防滲體系中的混凝土防滲墻深度也屢創(chuàng)新高。國(guó)內(nèi)外近年來(lái)不斷報(bào)道一些“高壩深墻”的水利工程建設(shè)，其中壩高在100 m以上，防滲墻深度超過(guò)70 m的水利工程有7座[1- 4]。國(guó)內(nèi)外覆蓋層厚度最大的是中國(guó)四川冶勒水電站，其覆蓋層厚度為420～500 m，壩高125 m，防滲墻最大深度為135 m；深厚覆蓋層上建壩最高的是中國(guó)四川瀑布溝水電站，壩高186 m，防滲墻最大深度75 m。新疆阿爾塔什水利樞紐工程采用混凝土面板砂礫石堆石壩，覆蓋層厚度最大93.9 m，壩高165 m，防滲墻最大深度90 m，其壩高、覆蓋層深度、防滲墻深度均不遜于國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程。深厚的砂礫石覆蓋層和龐大的壩體，在施工和運(yùn)行過(guò)程中均會(huì)對(duì)防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生較大的影響，通過(guò)可研階段的大量研究和論證，最終選擇“先建墻，后筑壩”。先施工防滲墻，后填筑大壩，防滲墻在大壩填筑過(guò)程中存在向上游的擠壓變形，在蓄水過(guò)程中又存在向下游的回壓變形。

如何采用施工措施，在保證成墻質(zhì)量的前提下，消除或改善混凝土防滲墻在后期變形中因應(yīng)力集中而遭到破壞，是工程建設(shè)中應(yīng)解決的問(wèn)題。結(jié)合阿爾塔什水利樞紐工程深厚覆蓋層工程特性，在施工前期對(duì)防滲墻后期變形特性分析和研究，對(duì)接頭管法、鉆鑿法、雙反弧法、單反弧法、銑削法等幾種接頭方式比較后，最終選用接頭管法的槽孔連接方法。施工結(jié)果表明，采用接頭管法不僅質(zhì)量好，節(jié)約混凝土和鉆孔時(shí)間，有利于縮短工期，而且墻體間的弧形連接，更有利于墻體應(yīng)力狀況改變。

1 壩基深厚覆蓋層工程特性

阿爾塔什水利樞紐工程位于昆侖山西段葉爾羌河中游河段，是葉爾羌河流域內(nèi)最大的控制性山區(qū)水庫(kù)工程，為一等大(1)型工程。擋水壩為混凝土面板砂礫石-堆石壩，河床覆蓋層段趾板采用連接板和一道防滲墻柔性連接，最大墻深90 m，墻寬1.2 m。防滲墻混凝土采用C30W12，上部10 m采用鋼筋混凝土。

壩區(qū)地層復(fù)雜，除寒武系、二迭系、三迭系的地層缺失外，其余各時(shí)代的地層均有出露。壩址選擇在相對(duì)穩(wěn)定的鐵克里克斷塊上，壩區(qū)河床基巖面總體呈寬“U”形，見(jiàn)圖1。

圖1 壩址河床覆蓋層深槽形態(tài)(單位：m)

壩址河床覆蓋層自左岸向右岸逐漸加厚，基底坡角在16°左右，靠近右岸為一深切的古河槽，其底部寬約15 m。覆蓋層總體劃分為：上層為全新統(tǒng)沖積含漂石砂卵礫石層(Q4)，下層為中更新統(tǒng)沖積砂卵礫石層(Q2)，其分界面以河床普遍分布的一層似礫巖的砂卵礫石膠結(jié)層為標(biāo)準(zhǔn)。

2 混凝土防滲墻墻段連接技術(shù)研究

在壩體填筑荷載作用下，深厚覆蓋層將產(chǎn)生較大變形，壩體最大沉降與最大水平位移均發(fā)生在壩的基底面附近，對(duì)于面板堆石壩，趾板與防滲墻的結(jié)合部位也將是變形最大的部位，防滲墻的應(yīng)力集中現(xiàn)象較嚴(yán)重。防滲墻相比覆蓋層屬于剛性建筑物，其剛度比覆蓋層大得多，在壩體填筑荷載作用下，覆蓋層產(chǎn)生較大沉降，覆蓋層與墻側(cè)壁的摩擦作用使防滲墻底部產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，墻頂產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，再加在填壩過(guò)程中覆蓋層對(duì)防滲墻向上游側(cè)的擠壓和蓄水過(guò)程中向下游側(cè)的回壓，防滲墻頂部的應(yīng)力特性更復(fù)雜。墻段連接技術(shù)和合理的槽段劃分能顯著降低墻體拉應(yīng)力，各槽段墻體之間連接技術(shù)也有利于改善墻體應(yīng)力狀況。

2.1 墻段連接技術(shù)比選

目前，我國(guó)水利工程建設(shè)中防滲墻接頭主要采用鉆鑿法、接頭管法、雙反弧法、單反弧法以及銑削法等，不同方法均存在優(yōu)缺點(diǎn)和使用的局限性。

鉆鑿法是施工二期槽段時(shí)在一期墻段兩端套打一鉆的連接方法，在以往國(guó)內(nèi)水利水電工程的防滲墻中采用較多，如三峽工程二期圍堰、瀑布溝等工程，均取得良好的效果。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、對(duì)各種地層和孔深的適應(yīng)性較強(qiáng)，缺點(diǎn)是接頭處需要重復(fù)鉆鑿、工效低、浪費(fèi)墻體材料，鉆鑿過(guò)程中對(duì)接頭處混凝土有損傷，如墻體混凝土強(qiáng)度較大時(shí)孔型、孔斜也不易控制。

雙反弧法是在相鄰的2個(gè)一期墻段間留下一個(gè)接頭孔的位置，先鉆鑿出導(dǎo)向孔，然后采用雙反弧鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔至一期墻段端面、形成槽孔兩端反弧的連接方法，在新疆下坂地等工程中取得良好的應(yīng)用效果。其優(yōu)點(diǎn)是較鉆鑿法不需要重復(fù)鉆鑿接頭孔、效率高、成本低，缺點(diǎn)是墻體接縫數(shù)量較多、對(duì)兩端一期墻孔斜、成孔質(zhì)量控制要求高，否則雙反弧連接不理想，質(zhì)量得不到保證。

圖2 超深槽段防滲墻典型槽段劃分示意(單位：m)

單反弧法是在雙反弧法的基礎(chǔ)上演化而來(lái)的，其連接原理相同，主要區(qū)別是槽段劃分上，雙反弧槽長(zhǎng)一般是墻厚的1.1～1.5倍，只有一個(gè)單孔，而單反弧槽長(zhǎng)可以按二期槽槽長(zhǎng)要求來(lái)劃分，可以有多個(gè)主孔和副孔，在相鄰一期墻澆筑后，在槽段兩端先鉆鑿出導(dǎo)向孔，再用雙反弧鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔至一期墻段端面，最后再進(jìn)行中部槽段鉆鑿，直至整體槽段成槽。在四川冶勒工程中取得良好的應(yīng)用效果。其優(yōu)點(diǎn)是克服雙反弧接頭槽太短、接頭縫較多、施工周期長(zhǎng)的弊病，缺點(diǎn)與雙反弧缺點(diǎn)一樣，仍存在重復(fù)造孔，工作效率仍較低。

銑削法是在2個(gè)一期墻之間留出比銑槽機(jī)銑頭略小的位置，采用液壓銑槽機(jī)同時(shí)將端部一期墻銑出鋸齒形的溝槽而形成兩期槽段之間的連接方法，在三峽工程二期圍堰、黃河小浪底等工程中的應(yīng)用取得良好的效果。其優(yōu)點(diǎn)施工方便、接頭質(zhì)量可靠，缺點(diǎn)是適用于均質(zhì)地層，不適用于漂卵石地層或疏松層內(nèi)夾有大塊石的地層。

接頭管法是在一期墻澆筑時(shí)將剛性接頭管放入

孔內(nèi)固定，待槽孔內(nèi)澆筑的混凝土具有一定強(qiáng)度后，用專用起拔設(shè)備緩慢起拔，在接頭孔內(nèi)形成穩(wěn)定的空孔，便于二期槽孔連接的連接方法。在西藏直孔、旁多、四川獅子坪、瀑布溝等工程中應(yīng)用取得良好的效果。其優(yōu)點(diǎn)是避免重復(fù)鉆鑿接頭孔、接頭基礎(chǔ)面緊密、孔斜和搭接厚度控制有保證，缺點(diǎn)是拔管機(jī)具設(shè)備要求高，拔管時(shí)機(jī)選擇要求高。由于拔管技術(shù)限制、施工事故頻發(fā)，曾在防滲墻施工應(yīng)用中停止不前，隨著近年來(lái)拔管設(shè)備及工藝的不斷改進(jìn)，在深厚覆蓋層大型防滲墻工程中應(yīng)用有了重大突破，拔管深度也屢創(chuàng)新高：四川獅子坪水電站拔管深度100.23 m；西藏旁多水電站拔管深度152.5 m。目前，在現(xiàn)有的墻段連接技術(shù)中，接頭管法是混凝土防滲墻接頭處理的先進(jìn)技術(shù)。

由于阿爾塔什水利樞紐工程大壩防滲墻最深部位深達(dá)90多米，墻體材料為C30高強(qiáng)低?；炷?，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有幾種墻段連接技術(shù)比選，最終選用接頭管法，既可以保證施工質(zhì)量，又可以節(jié)約混凝土和鉆孔時(shí)間，有利于縮短工期。另外，通過(guò)對(duì)接頭管法形成的墻段接頭形式和受力分析，采用接頭管法形成的弧形鉸接接頭，接頭處受力均勻，墻體間泥皮接觸較薄，更有利于墻體應(yīng)力狀況改變。

2.2 合理劃分槽段

根據(jù)壩基深厚覆蓋層工程特性和防滲墻受力變形特性，綜合考慮地層復(fù)雜(存在大漂石、強(qiáng)漏失地層)、施工難度大(墻體深達(dá)90 m)、設(shè)備能力和施工工藝要求等，將防滲墻槽段劃分為超深槽段(≥70 m)和一般槽段(<70 m)。

超深槽段位于樁號(hào)防0+152.000～防0+218.000段，軸線長(zhǎng)約66 m，劃分6個(gè)槽孔。超深槽段一期槽槽長(zhǎng)4.6 m，分為2個(gè)主孔和1個(gè)副孔，主孔為1.2 m，副孔為2.2 m；二期槽槽長(zhǎng)7.8 m，每個(gè)槽孔分為3個(gè)主孔和2個(gè)副孔，主孔為1.2 m，副孔為2.1 m；超深槽段防滲墻典型槽段劃分見(jiàn)圖2。

對(duì)于深度小于70 m的一般槽段，一、二期槽段長(zhǎng)度均為7.2 m，主孔1.2 m，副孔1.8 m。其防滲墻典型槽段劃分見(jiàn)圖3。

圖3 一般槽段防滲墻典型槽段劃分示意(單位：m)

2.3 接頭管法連接技術(shù)

根據(jù)施工工藝和地層特性分析，選定混凝土防滲墻的主要施工機(jī)具為：利勃海爾HS875HD重型機(jī)械抓斗、CZ- 6A沖擊鉆機(jī)、ZX-200泥漿凈化裝置、BG450全液壓拔管機(jī)等。防滲墻成槽采用“兩鉆一抓”法。主孔采用CZ- 6A型沖擊鉆機(jī)鉆鑿成孔；副孔采用利勃海爾HS875HD重型機(jī)械抓斗抓取，底部基巖采用CZ- 6A型沖擊鉆機(jī)鉆鑿。一期槽孔的端孔混凝土拔管后形成二期槽孔的端孔，待相臨的一期槽孔施工完后再回頭施工二期槽孔。

通過(guò)施工過(guò)程中不斷研究和總結(jié)，在深厚覆蓋層中采用接頭管法施工防滲墻，必須嚴(yán)格控制混凝土澆筑及拔管過(guò)程，其關(guān)鍵是準(zhǔn)確控制起拔時(shí)間和起拔力。

接頭管法的起拔力來(lái)自接頭管的自重、混凝土與接頭管的摩擦力、混凝土對(duì)接頭管的粘結(jié)力等方面。其中混凝土與接頭管的摩擦力可以通過(guò)管壁處理進(jìn)行改善，混凝土對(duì)接頭管的粘結(jié)力可以通過(guò)拔管時(shí)間進(jìn)行控制。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究，改善混凝土與接頭管的摩擦力可以采用如下措施：①嚴(yán)格控制造孔孔斜，確保下設(shè)接頭管的垂直度。②嚴(yán)格控制混凝土澆筑速度和均勻上升，減少混凝土對(duì)接頭管側(cè)向擠壓，造成孔斜，有關(guān)研究表明，孔斜在0.08%時(shí)，拔管力增加接近一倍；孔斜達(dá)到0.5%時(shí)，拔管力將增加至13倍。③嚴(yán)格控制逐節(jié)接頭管之間的連接，對(duì)中垂直。④做好接頭管外表面脫模機(jī)涂抹。

接頭管法施工關(guān)鍵是控制混凝土對(duì)接頭管的粘結(jié)力，由于粘結(jié)力是水泥水化作用而產(chǎn)生的，是隨時(shí)間變化而變化的，重點(diǎn)是控制起拔時(shí)間。起拔時(shí)間過(guò)早，混凝土尚未達(dá)到一定的強(qiáng)度，就會(huì)出現(xiàn)接頭孔縮孔和垮塌；起拔時(shí)間過(guò)晚，接頭管表面與混凝土的粘結(jié)力是摩擦力增大，增加了起拔難度，甚至接頭管被鑄死拔不出來(lái)，造成重大事故。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究總結(jié)，接頭管拔管時(shí)間控制應(yīng)做好如下措施：①首先計(jì)算好拔管起拔力，選好拔管設(shè)備，本工程采用選用BG450拔管機(jī)；②做好混凝土配合比試驗(yàn)，確定混凝土初、終凝時(shí)間，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和總結(jié)，拔管時(shí)間應(yīng)選擇1.1倍初凝時(shí)間為宜；③現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，必須準(zhǔn)確的檢測(cè)并確定出混凝土的初終凝時(shí)間，盡量減小人為配料誤差，控制混凝土入倉(cāng)溫度；④澆筑混凝土?xí)r，隨著混凝土面的不斷上升，分階段作混凝土試件，從而更精確的掌握混凝土的初、終凝時(shí)間；⑤控制混凝土澆筑速度和埋管深度，有關(guān)研究證明，隨著埋管深度增加，拔管力增加非常明顯；⑥混凝土澆筑1～2 h后，可以進(jìn)行小幅度拔動(dòng)，通過(guò)拔動(dòng)接頭管約10 cm或扭動(dòng)接頭管，破壞接頭管與混凝土的粘結(jié)力。

通過(guò)實(shí)踐證明，采用先進(jìn)的拔管機(jī)具和科學(xué)的拔管工藝，接頭管法完全可以解決深厚覆蓋層防滲墻接頭施工的難題，且能為后期防滲墻的受力狀況改善創(chuàng)造條件。

3 防滲墻工程質(zhì)量檢測(cè)

為檢查阿爾塔什水利樞紐工程混凝土防滲墻澆筑質(zhì)量，按照SL174—2014《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》有關(guān)要求，沿軸線布設(shè)3個(gè)檢查孔，采用注水試驗(yàn)、孔內(nèi)取芯、墻體混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)等進(jìn)行檢測(cè)。

(1)孔內(nèi)注水檢測(cè)。對(duì)3個(gè)檢查孔進(jìn)行注水試驗(yàn)?？變?nèi)注滿水經(jīng)24 h觀測(cè)，觀察其下降速度，檢查孔水面下降2～5 cm，符合要求。

(2)孔內(nèi)取芯檢測(cè)。3個(gè)檢查孔巖芯采取率為93.3%～93.8%，巖芯呈均長(zhǎng)柱狀，取出的芯樣結(jié)構(gòu)密實(shí)、均勻完整，無(wú)混漿、夾漿現(xiàn)象，巖芯局部有小氣孔，直徑1～3 mm。

(3)墻體混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)。防滲墻混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30W12抗?jié)B混凝土，通過(guò)對(duì)芯樣隨機(jī)抽檢混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性能試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果混凝土抗壓強(qiáng)度34.7～37.9 MPa，抗?jié)B等級(jí)均低于W12。

(4)頂部墻體外觀質(zhì)量。在趾板混凝土基礎(chǔ)開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)防滲墻上部進(jìn)行開(kāi)挖，揭露防滲墻頂部墻體混凝土外觀質(zhì)量良好，墻段連接部位密實(shí)，呈明顯的半圓弧形，有較薄的泥皮。

試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明，防滲墻的施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)采用接頭管法，墻體連接部位呈圓弧形，有利于墻體與墻體之間鉸接質(zhì)量，在墻體擠壓變形過(guò)程中，猶如門(mén)軸可以相對(duì)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，再加上澆筑過(guò)程中形成較薄的泥皮，更有利于改善墻體應(yīng)力狀況。但施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制各槽段成槽質(zhì)量，特別是孔斜的控制。

(2)合理劃分槽段有利于混凝土防滲墻的受力變形，也有利于防滲墻成墻質(zhì)量，在施工過(guò)程中采用先進(jìn)的施工機(jī)具，能有效提高施工質(zhì)量和進(jìn)度。

隨著我國(guó)水利工程建設(shè)發(fā)展，在深厚覆蓋層上修建防滲墻技術(shù)已逐漸成熟，有關(guān)防滲墻受力特性研究還需進(jìn)一步深入，筆者也將結(jié)合阿爾塔什水利樞紐工程防滲墻后期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析和論證有關(guān)施工技術(shù)措施的合理性。

[1]李萬(wàn)奎. 阿爾塔什河床深厚覆蓋層的研究[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào), 2010(8)： 181- 186．

[2]任海軍, 王桂珍, 張可能, 等. 靜壓套管控制灌漿在滲漏圍堰處理中的應(yīng)用[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2008(8)： 47- 50．

[3]SL 174—2014 水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范[S]．

[4]胡慶國(guó), 任海軍, 張可能. 柔性基礎(chǔ)下復(fù)合地基樁體側(cè)摩阻力分布[J]. 中外公路, 2005, 25(5)： 17- 20．

[5]趙存厚, 崔溦, 馬斌. 超深防滲墻連接槽段接頭管拔管技術(shù)數(shù)值模擬研究[J]. 水利水電技術(shù), 2011(10)： 87- 90．

[6]樊曙光, 鄭旭榮. 下坂地水利樞紐工程壩基防滲工程設(shè)計(jì)與施工[J]. 水利水電技術(shù), 2012(10)： 8- 11．

(責(zé)任編輯 王 琪)

Research on Wall Segment Connection Technology of Concrete Cutoff Wall in Deep Sand and Gravel Overburden

REN Haijun
(Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, Hubei, China)

Aertashi Hydro Project is built on deep sand and gravel overburden. How optimize the construction scheme and improve the stress condition of cutoff wall under the premise of ensuring construction quality is the key of construction technology research. By analyzing the stress characteristics of cutoff wall and the engineering characteristics of deep overburden, key construction technologies, such as wall segment partition and wall segment connection technology, are optimized, that effectively improve the stress and strain condition of cutoff wall in dam filling and reservoir storage process and ensure the construction quality and operation of cutoff wall. Actual practice has proved that relevant construction technologies meet design requirements and can improve the stress condition of cutoff wall．

deep overburden; CFRD; concrete cutoff wall; wall segment connection technology; Aertashi Hydro Project

2017- 01-19

任海軍(1980—)，男，甘肅白銀人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事巖土工程科研及監(jiān)理工作．

TV640.31

A

0559- 9342(2017)08- 0076- 04