病险水库大坝防渗加固砼防渗墙设计要点

病险水库大坝防渗加固砼防渗墙设计要点

刘芸华1 ,史小平2

(1. 江西省水利规划设计院,江西南昌330029 ;2. 江西省水利厅,江西南昌330009)

摘要: 针对江西省病险水库大坝防渗加固中采用砼防渗墙的情况,介绍了砼防渗墙发展概况和砼防渗墙设计要点,并提出了有关设计思路和建议.

关键词: 病险水库;防渗处理;砼防渗墙;设计

砼垂直防渗墙可以适应各种不同材料的坝体和复杂的水文地质条件与工程地质条件的地基,施工进度快,防渗效果好,环境影响小,运行过程中便于监测等优点。2000 年后江西省大中型病险水库除险加固工程中使用砼垂直防渗墙处理大坝坝体、坝基渗透稳定和控制渗流量,现已成为江西省大中型病险水库除险加固工程大坝坝体、坝基渗流控制的主要措施。目前国家只颁布了《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》(SL 174- 96) ,尚未颁布砼防渗墙设计规范。为进一步提高江西省病险水库大坝砼防渗墙设计质量,根据砼防渗墙技术的发展现状,结合江西省的实际情况,介绍砼防渗墙(指机械造(挖) 槽,泥浆护壁、砼浇筑) 设计要点。

1 砼防渗墙概况

砼防渗墙最早于1950 年在意大利圣玛丽亚(AntaMaria) 大坝下砂卵石地基中用冲击式钻进法建造了深40 m 的防渗墙,随后各国相继引进推广。我国于1958年首先在山东省月子口(现名崂山) 水库工程中

建成砼防渗墙后,相继在密云白河主坝、毛家村坝、葛洲坝围堰、三峡围堰、小浪底等工程使用,已建最深的是81. 9m的小浪底主坝砼防渗墙,还建成了世界上防渗面积最大(近30 万m2 ) 的河北黄壁庄水

库副坝砼防渗墙,深达140 m 的四川冶勒水电站防渗墙正在施工。我省于1975 年在柘林水库大坝除险加固时在心墙中用冲击式钻进法修建了深61. 2 m 砼防渗墙,目前我省在大中型病险水库除险加固工程大坝坝体、坝基防渗处理中已大量采用砼防渗墙,批复兴建的砼防渗墙有军民、滨田、店下、五渡港等几十座水库。

砼防渗墙是利用造(挖) 槽孔机械设备,借助泥浆的护壁作用,在地下挖出窄而深的槽孔,并在其内浇注砼而形成一道具有防渗功能的连续的地下墙体。砼防渗墙自身要能满足强度和变形的要求,有足够的抗渗性和耐久性,能有效地截住渗透水流,控制渗流量,墙体渗透比降和出逸比降均满足设计要求。砼防渗墙设计的主要内容有:造(挖) 槽孔工法比选;总体布置;墙厚比选;选墙体材料比选;泥浆比选;细部设计;设计指标和质量要求。

2 造(挖) 槽孔工法比选

常用的造(挖) 槽孔工法主要有冲击式钻进法(钻劈法) 、冲击式反循环钻进法、射水法、锯槽法、抓斗挖槽法(抓取法) 和双轮铣槽法等,施工中又有两种或两种以上工法的组合,如“两钻一抓”法、“两钻三抓(铣) ”法和“铣、砸、爆“法等组合方法,以抓斗挖槽法和双轮铣槽法为先进。

2. 1 冲击式钻进法

冲击式钻进法是利用曲柄连杆机构将回转运动变为往复运动来

提升和下落钻头,利用钻头提升后自由下落的重力冲击孔底,使土层(岩石) 破碎而进行钻进,并用一定浓度的泥浆护壁(泥浆会在钻孔孔壁上形成泥皮,在泥浆压力作用下使孔壁保持稳定而不坍塌,并能防

止泥浆渗漏) ,当孔底的钻渣逐渐增加以后,取出钻头放入抽筒掏渣,成孔后采用水下直升导管法浇注砼,砼靠自重和自流平特性而自密实形成一段砼墙体,墙段间一般用钻凿法连接。冲击式钻进法是世界上最早采用的工法,该工法在各种土、砂层、砾石、卵石、漂石、软岩、硬岩中都能使用,工效较低。国产主力机型是CZ —22和CZ —30 型,钻具包括钻头和抽筒两部分,钻头又可分为空心钻头、一字钻头、十字钻头、圆钻头、角锥钻头和双反弧钻头等。

2. 2 冲击式反循环钻进法

冲击式反循环钻进法是在冲击式钻进法的基础上,在空心套筒式钻头中心设置排渣管,利用反循环砂石泵将钻渣与循环浆液经排渣管及循环管路,从孔底连续地抽入设在地面的泥浆净化装置进行净化,净化

后的泥浆经循环浆池注入槽孔循环使用,通过这一循环,钻机完成钻

进及排渣作业,直至造孔完毕。由于采用反循环出渣方式,从而大大提高了钻进效率。冲击式反循环钻机最早由法国公司在20 世纪50 年代研制成功,我国水利水电基础工程局于20 世纪90 年代研制成功CZF - 1200型冲击式反循环钻机,同时地矿部门也研制成功CJF -20 型冲击式反循环钻机,目前国产机型主要是CZF —1200、CZF —1500、CJF —20 和CJF —12 型。

2. 3 射水法

射水法是利用水泵送水至成形器中的射水装置所形成的高速射流和成形器及导水管本身质量的冲击力,以及向下移动时成形器内刀片的切削等作用,破坏土层结构,水土混合回流后泥沙溢出地面(三代机是在成形器中设置排渣管用反循环砂石泵抽出地面) ,利用卷扬机操纵成形器不断地上下移动,切削修整孔壁,造成有规则的槽孔,并用一定浓度的泥浆护壁。成孔后采用水下直升导管法浇注砼,砼靠自重和自流平特性而自密实形成一段砼墙体,利用成形器侧向水喷嘴冲洗一期槽孔砼的侧面,使一、二期砼连接紧密,形成地下连续防渗墙。该工法适用于粒径小于10 cm 的砂土、粉土、粘土地基,具有工效高、造价低的特点。射水法1982 年由福建省水利科学研究所开始研究,目前已发展到第三代机型。

2. 4 锯槽法

锯槽法是利用锯槽机带动锯管锯割地层,锯出有规则的槽孔,并用泥浆护壁,在锯管上设置排渣管,用反循环砂石泵出渣,再以砼等成墙材料置换护壁泥浆,形成具有一定强度和防渗性能的连续墙体。该工法仅适用于松散的砂土、粉土、粘土地基,工效较高。锯槽法是由东北岩土工程公司1990 年开发的一种薄防渗墙施工方法。

2. 5 抓斗挖槽法

抓斗挖槽法是指蚌(蛤) 式抓斗,利用机械作用并借助斗体的自重,打开和关闭斗门抓取土体并将其带出孔外,同时用泥浆护壁的一种挖槽工法。成孔后采用水下直升导管法浇注砼,砼靠自重和自流平特性而

自密实形成一段砼墙体,墙段连接一般选用接头管(板) 法。该工法适用各种土层和软岩,特别适合于在含有小漂石和石块的地基中挖槽。新型抓斗大多配有测斜和纠偏装置,可调整抓斗斗体角度,使挖槽垂直精度达1P500 以上。

抓斗挖槽法具有墙体整体性好、厚度均匀、适用地层广、工效高的特点。液压抓斗在粘土层中施工工效一般可80～100 m2P台班。抓斗最早使用时是用钢丝绳来悬挂并进行控制的,20 世纪60 年代后期开始使用液压抓斗。根据抓斗的结构特点,可把抓斗分成钢丝绳抓斗、液压抓斗、导杆式抓斗和混合式抓斗等,主要由意大利、日本、英国和德国等国生产,我国已批量引进,并研制开发成功。

2. 6 双轮铣槽法

双轮铣槽法是驱使安装在机架上的的两个鼓轮向相反方向转动,鼓轮上的切刀将地层旋铣、切割、挤碎,松动后的土、砂、卵石、岩石碎块用泵抽吸至地面,同时用泥浆护壁,成槽孔后采用水下直升导管法浇注砼,砼靠自重和自流平特性而自密实形成一段砼墙体,墙段连接由双轮铣槽机直接切割一序砼,在一、二序墙段连接中不需专门的连接件和特殊封堵就能形成良好的墙段接头。该工法适用各种土层和软岩,配用特制的滚轮铣刀还可钻进坚硬岩石,利用电子测斜装置、导向调节系统和可调角度的鼓轮旋铣器来保证挖槽精度,精度高达1 ‰～2 ‰。该工法具有墙体整体性好、厚度均匀、适用地层广、成槽深、挖槽精度高和挖掘效率高的特点,是最先进的造槽机械。目前世界上最深和最厚的砼地下连续墙都是使用铣槽机建成的。双轮铣槽机又可