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水利水电塑性混凝土防渗墙施工工艺

摘要:塑性混凝土防渗墙作为一种新型的防渗技术,在国内外水利水电工程中得到了广泛应用。文章以该技术为研究对象,首先阐述其基本组成及性能特点,并对其具体施工流程及工艺要点展开探讨,随后总结其在水利水电工程中的应用效果,如围堰工程、坝基施工、水库加固除险等,最后提出施工过程质量控制措施,旨在提升该技术的应用水平。

关键词:水利水电工程;塑性混凝土;防渗墙;施工工艺;应用

塑性混凝土防渗墙广泛应用于我国的水利水电工程,如大坝加固、水库除险、围堰施工等。与普通混凝土防渗墙相比,塑性混凝土防渗墙弹性模量和强度较低,抗变形能力较强,减少了周边沉降对墙体的破坏,且具有较强的防渗能力,还能减少水泥用量,降低工程造价,施工过程更为简易。

1材料组成及性能

1.1材料组成

胶凝材料的选择是塑性混凝土与普通混凝土的主要区别[1]。在塑性混凝土生产中加入膨润土、黏土、粉煤灰和外加剂,可改善性能。塑性混凝土的水泥主要采用复合硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥等。细骨料选用石英含量较高的光滑圆河砂或细度模数为2.4~2.8的人工砂。粗骨料最大粒径不大于40mm,一级骨料最大粒径为20~31.5mm。可根据实际情况适当选择粉煤灰,一般采用二级以上粉煤灰。如果水泥或混凝土的强度比大,也可以使用重粉煤灰。一般选用2级以上的膨润土,黏土的黏粒含量大于50%。

1.2性能

(1)工作性能。为了提高塑性混凝土的可塑性,在其生产过程中适当减少水泥用量,加入黏土、膨润土等胶凝材料,提高其和易性和流动性。塑性混凝土可在泵送过程中自找平、自密实,以保证硬化塑性混凝土的质量和性能符合设计和规范要求,避免混凝土出现分层、离析、蜂窝、麻面和不密实现象,从而影响水利水电工程的建设和质量。(2)弹性模量。塑性混凝土防渗墙在实际工程中受到各种力的作用,弹性模量代表混凝土受力时的变形能力。在塑性混凝土中掺入黏土和膨润土会大大降低其弹性模量,在各种力的作用下具有很强的变形能力,避免了防渗墙内部应力过大而引起的墙体过度变形,影响工程质量。因此,塑性混凝土比普通混凝土更被广泛地应用于水利水电工程防渗墙的施工中。(3)抗压强度。通常,塑性混凝土抗压强度为1~4MPa。在水利水电工程防渗墙施工中,掺加粉煤灰或外加剂可提升抗压强度[2]。水泥、膨润土、黏土、水胶比等材料的质量和配比可影响塑性混凝土的抗压强度。根据设计和规范要求选择骨料级配和粒径,控制含泥量和水灰比,确保建筑材料质量符合规范要求。(4)抗渗性。在塑性混凝土中加入黏土和膨润土,以减少水泥用量,同时保持良好的凝聚力,使塑性混凝土墙具有较强的抗渗性[3-4]。与刚性混凝土相比,塑性混凝土渗透系数更高,通常为10-7~10-9cm/s,符合多种规模水利水电工程的要求,且混凝土中的水泥和膨润土随着时间的推移不断发生水化反应,促进了混凝土密度和强度的不断增加,是水利水电工程中塑性混凝土防渗墙密实度和抗渗性的重要保障。

2施工工艺

图1为水利水电工程塑性混凝土防渗墙施工流程图。其主要施工程序为:施工准备、导墙施工、泥浆配置、造孔成槽、泥浆护壁、清孔清槽、混凝土浇筑。

2.1施工平台

在水利水电工程防渗墙施工中,要保证施工平台平整稳定,施工所用的机械设备能平稳地放置在平台上。保持现场运输道路畅通,宽度设计符合车辆运行等相关标准。施工平台高度满足规范,超过地下水位1.5m,施工废水、渣土顺利排放,根据现场实际情况适当减少施工平台的挖填量。

2.2导墙施工

在深沟开挖前,应修建导墙。导墙的结构和尺寸是根据水利水电工程防渗墙确定的。一般采用矩形、直角梯形等,并参照防渗墙轴线开挖导槽。导墙的厚度和深度应符合设计和规范要求。导墙的材料和施工机械应根据施工荷载确定。工程中常用的混凝土导墙,其高度为0.5~2m,底部与原土层紧密相连,顶部比场地高0.1m,避免地表水的渗入。为避免导墙位移,导墙外侧可夯实处理,导墙内侧用黏性土夯实,防止泥浆渗入导墙,并设置木支撑。为保证防渗墙的垂直度符合要求,导墙中心线和垂线分别与防渗墙平行、垂直,偏差范围在10mm以内[5]。

2.3造孔成槽

造孔成槽是水利水电工程中塑性混凝土防渗墙施工质量和工期的重要工序。槽孔施工需分段进行。在保证造孔、墙体施工安全和质量的前提下,根据现场地质、水文条件、单槽孔制作时间、墙体结构、施工机械及混凝土供应、搅拌及运输能力等综合因素,将槽孔进行分段建造。槽长一般为6~8m,在分段过程中,需减少墙段的接缝,尽量增加槽的长度,以加快施工速度,保证施工安全。沟槽段的施工方法有抓取法、钻孔抓斗法等,其中抓取法因其工作效率高而成为常用的成槽方法。制孔过程中常用的施工机械为冲击钻,型号分为CZ-20、CZ-22等,在槽孔施工时,中心线一般与防渗墙轴线重合,槽壁保持平直,避免偏斜。开孔成槽时,避免废渣、杂物落入槽孔内影响泥浆性能。槽内泥浆面低于槽顶0.3~0.5m,避免发生泥浆的离析、沉淀等现象。

2.4泥浆护壁

泥浆护壁能保护孔壁结构的稳定性,避免施工过程中槽孔坍塌,保证导槽施工质量和安全。在普通泥浆护壁的制作过程中,经常加入膨润土、黏性土等材料,以提高其性能,保证泥浆的密度、流动性和稳定性[6]。在现场施工前,必须检查泥浆的质量和性能。制浆工艺符合规范要求,按标准设定配合比,根据试验确定制浆时间和方法。搅拌过程中应随时测量并记录浆液比例。根据施工需要,就近设置造浆场,一般位于渠道内,满足2~3个槽孔的施工要求。泥浆池容积为100m3/座,设制泥浆池、沉淀池、存储池。泥浆池采用自动制浆系统,用1.0m3高速搅拌机搅拌10min以上,在沉淀池中沉淀24h后,用泥浆泵送至施工现场。

2.5清孔清

成孔成槽完成后,必须对槽孔进行清理,防止成孔、成槽产生的泥沙影响塑性混凝土防渗墙的承载力和抗渗性[7]。在孔槽施工完成后,施工单位应先自检,监理进行验收,验收合格后进入清槽工作。用定位法固定抓斗的位置,用抓斗抓取槽底沉渣和沉淀物,用擦洗锤将沟槽接缝处,直至泥浆清理干净。采用泵洗法将沉淀物吸入泵管内,然后排出喷嘴,将优质泥浆泵送入槽内。施工过程应规范合理,避免坍塌,循环作业直至清槽工作完成。清孔1h后检查孔内泥浆和沉渣,保证泥浆比重<1.15g/cm3,含砂量≤6%,沉渣厚度<0.1m。

2.6混凝土浇筑

混凝土浇筑对水利水电工程塑性混凝土防渗墙的质量起着至关重要的作用[8-10]。浇注必须连续进行,浇注速度必须保持稳定。如果出现停电或其他意外情况导致浇筑中断,现场人员必须及时采取措施进行处理。搅拌车运送混凝土至施工现场,泵送浇筑,浇注管与槽轴线一致。当使用双管时,应控制管道之间的距离。管底安装位置距孔底15~25cm。如果超出此范围,则需要将管道中心放置在最低点。混凝土浇筑可按以下顺序进行:将导注塞下放至管底→排出管内泥浆→提升导管→取出导注塞,管底不出混凝土面(1m≤管埋混凝土深度≤6m)→连续浇筑混凝土。浇筑混凝土时从最深的导管开始浇筑,再浇较浅的导管。在浇筑过程中,两个导管轮流使用,以保证浇筑速度的稳定,使混凝土表面平稳上升。混凝土表面的浇筑高度应超过设计高度0.5m,在混凝土浇筑过程中,应定期测量槽内和管道内混凝土表面的高度和速度,并记录测量数据。在浇注开始和结束时,可以增加测量次数,避免浇注过程中出现堵塞、埋管和漏浆现象的发生。槽孔浇筑完成后,应按设计规范进行保湿养护,达到设计强度后,按规范和标准进行试验,确保防渗墙的承载力和结构性能符合要求。槽缝的严密性对防渗墙的整体性和抗渗性有很大影响,必须采用先进技术对防渗墙施工缝进行正确处理。接头管法是一种常用的接头处理方法,接头孔型标准、质量好、孔壁光滑等优点保证了接缝的严密性。根据混凝土的上升速度和初凝时间拔出接头管,当出现偏位时及时纠正,接头孔拔出后进行检测并保护。槽段接缝连接后,将接头处的凝胶或碎屑清理干净,较硬的附件可用铲刀清除。

3应用

3.1围堰工程

在水利水电工程施工中,可采用施工导流和围堰施工技术,人工引导水流至临时排水设施再排放到下游河道,为工程施工创造干燥的施工环境。混凝土围堰施工技术复杂烦琐,工期长,工程成本高,后期拆除困难,故不常作为临时围堰使用。目前,国内常用的临时养护结构主要是土石围堰,但其渗透性较大,基础渗漏程度难以控制。因此,经常采用塑性混凝土材料来修建防渗墙,以保证围堰基础的防渗性能满足现场需要。近年来,塑性混凝土防渗墙在水利水电工程围堰施工中得到了广泛应用,并取得了巨大成功,如湖北三峡二期围堰、福建水口水电站上下游围堰、云南里底水电站围堰、向家坝水电站围堰等。

3.2坝基

普通混凝土防渗墙能承受较小的变形。当发生超载时,墙体变形,不能与地基协调,应力集中,容易导致防渗墙结构破坏。坝体越高,防渗墙越深,越容易损坏防渗墙,这对水利水电工程的顺利施工极为不利。塑性混凝土防渗墙可以弥补普通混凝土防渗墙的不足。其抗变形能力强,弹性模量低,能承受较大范围的墙体变形,降低应力,避免墙体损坏。特别是在地震等自然灾害高发地区,塑性混凝土防渗墙可作为水利水电工程的永久性防渗结构。例如,遭受6.1级地震的册田水库大坝在地震中受损严重,后来采用塑性混凝土防渗墙进行施工加固,从而防止下游成为潮湿地区。塑性混凝土防渗墙在小浪底工程中也得到成功应用。其坝基主要沉积物为砂、卵石、堆石等物质。河床覆盖层厚40~70m,渗透性强。塑性混凝土防渗墙的使用不仅提高了强度,降低了弹性模量,而且缩短了施工周期,增强了防渗性能。塑性混凝土防渗墙已成功地被应用于广西风亭和水库大坝坝基、湖北两河口水库坝基、山西张峰水库坝基等项目。

3.3水库加固除险

我国许多土石坝建设已久,一些水库大坝出现险情。因此,必须采取适当措施,确保大坝质量符合要求,避免对周围居民的生命财产造成威胁。对于破损的大坝,常用劈裂灌浆、帷幕灌浆、高压喷射灌浆等方法进行维护加固。塑性混凝土是大坝维修加固的有利材料,能满足大坝的强度、刚度和抗渗要求,钢筋水泥使用量降低,工程施工周期缩短,工程成本降低,因此,在水库大坝加固中得到了广泛应用。浙江长潭水库、江西竹坑水库、辽宁大河水库、山东日照水库等水库均采用塑性混凝土防渗墙对大坝进行加固,并取得了很大的成功。经过几十年的发展,塑性混凝土防渗墙已不再局限于上述水利水电工程的建设,在海港、地下交通以及建筑基础等工程建设中也实现了成功应用。

4质量控制

4.1施工前的质量控制

施工前,工作人员必须严格把控施工材料、机械设备和技术条件等满足标准要求,制订详细的施工组织计划[11-12]。施工中使用的机械设备必须事先检测,施工人员上岗前要进行培训。塑性混凝土材料的配合比必须符合设计规范,建筑材料使用前必须进行现场检验。

4.2施工中的质量控制

施工单位在取得监理单位的批准后,依据施工组织设计和施工方案进行水利水电工程塑性混凝土防渗墙的施工。施工过程由监理人监督,隐蔽工程施工须监理旁站。

4.3施工后质量检查

塑性混凝土防渗墙施工完成后须进行质量检查。塑性混凝土强度较低,混凝土质量检验一般采用现场取样制作试件来检验防渗墙的实际性能[13],不宜采用钻孔取芯。

5结论

塑性混凝土具有弹性模量低、适应力好、抗渗性强、强度低、耐久性好、工作性能好、成本低、施工方便等优点,不仅具有较高的成墙质量,适应地基变形的要求,还有利于机械化施工,缩短工期,降低工程总造价。此外,由于塑性混凝土防渗墙适用范围广,已被应用于坝基、施工围堰、堤防、人工水域等的防渗,也可用于危险土石坝加固,具有很强的推广价值,未来这种新型防渗墙的施工技术可应用于地下交通工程、建筑地基等更广泛的领域,文章仅简要概述该技术施工工艺,相关人员应结合施工实际,明确概述在不同项目中的技术要点,保证工程建设质量,为项目创造可观的经济效益和社会效益。

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作者:高峰 单位:中国水电基础局有限公司

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