纵向增强体土石坝施工工艺浅谈

向登垚

(四川省通江县水利局,四川 通江 636700)

1 工程概况

方田坝水库扩建工程位于巴中市通江县小通江右岸一级支流冯家沟下游河段,地处民胜镇方山村境内,大坝地理坐标东经107 °11′28.48″,北纬31 °56′46.96″,水库大坝距通江县城约8.0 km。坝址以上控制集水面积6.73 km2,多年平均径流量417万m3,该水库是一座以农业灌溉、城乡供水,兼顾县城抗旱应急备用水源等综合利用的小(1)型水利工程。

方田坝水库始建于二十世纪七十年代初,原为小(2)型水库,坝型为粘土心墙坝,最大坝高约15 m,坝顶高程556.60m,总库容25万m3,原坝体填筑料约20万m3。2014年方田坝水库被列为扩建工程,在坝型选择论证过程中,对混凝土重力坝、心墙坝(粘土心墙坝、沥青混凝土心墙坝、风化泥岩心墙坝、钢筋混凝土心墙坝、混凝土心墙堆石坝)、面板坝(沥青混凝土面板坝、土工膜面板堆石坝、混凝土面板堆石坝)等坝型进行了技术经济分析比较,最终坝型选定为混凝土心墙(增强体)堆石坝。

1.1 大坝体型设计

方田坝水库扩建工程由枢纽工程、应急充水工程、渠道工程和供水工程等组成[1-2]。大坝采用混凝土心墙(增强体)堆石坝,正常蓄水位577.5 m,相应库容214万m3,总库容250万m3,坝顶高程581.00m,坝顶宽度6.0m,最大坝高41.50m,坝顶长365.00m,最大坝底宽194.90m。

上游边坡1∶2.25,高程556.00m(死水位)至坝顶采用0.12 m厚的C20混凝土预制块护坡。坝顶采用20 cm厚的C25混凝土路面,坝顶上游侧设“L”型C20混凝土防浪墙,墙高1.2 m,宽0.3 m。大坝下游边坡自上而下为1∶2.0、1∶2.25、1∶2.25,下游坝坡面采用现浇C20钢筋混凝土城门型框格植草护坡,坡脚设置堆石排水棱体。在高程561.00m和551.00m处分别设置5.00m宽的马道;下游坝脚高程538.00m以下设置1∶1.5排水棱体,采用预制混凝土块护面。

1.2 防渗体设计

混凝土防渗墙(即增强体)布置于过渡层中,防渗轴线与坝轴线平行并偏向上游0.5 m,防渗墙墙厚0.8 m,墙顶高程580.70m,墙底伸入弱风化基岩1.0m。坝轴线位置设置6.0m宽过渡层,采用开挖新鲜砂岩堆石料填筑。

1.3 坝基处理

对原坝体地表松散土体及局部耕作土清除1.0～1.5 m后作为上下游坝壳的坝基,在预留过渡料和混凝土心墙部位按要求做好相应处理。

坝基防渗采取混凝土防渗墙与基础帷幕灌浆结合方案。为保证混凝土防渗墙与其下基岩及两岸基岩形成完整的防渗体系,对大坝两岸及混凝土防渗墙下基岩进行单排帷幕灌浆,间距1.5 m,帷幕灌浆防渗标准为10 Lu,孔深要求深入基岩相对隔水层(q≤10 Lu)以下5.0m。混凝土防渗墙段内,通过墙内预埋设的灌浆钢管对墙下基础进行帷幕灌浆。

2 施工工艺流程及操作要点

方田坝水库大坝施工总体上是按照“先筑坝,再做墙,后灌浆”的施工流程进行的[3]。一般增强体土石坝的施工流程是:清基→坝体填筑(至做墙高程)→导墙布置及浇筑→造孔准备(槽孔设备安装、调试,制浆)→造孔→预埋灌浆管(接头管、观测设备)→混凝土心墙浇筑→坝基帷幕灌浆→钻心取样检查→上部心墙浇筑→坝体填筑至坝顶。本文只讨论增强体心墙的施工建造。

2.1 导墙布置及浇筑

导墙应布置在墙体施工平台上,如图1和图2所示。导墙轴线与心墙轴线一致,导墙间净空宽度与心墙厚度一致。

图1 防渗心墙施工导墙剖面

图2 导墙形成

2.2 槽段造孔准备

2.2.1 槽段划分

根据工程特点,结合实际编制施工组织设计,完善辅助设施如制浆站、电、供水系统、排污系统等。由工程量和施工工期确定机械数量,以便确定进场钻机数量,保证合理工期。方田坝水库工程根据项目地层、墙体深度等,槽段划分采用三主二副的形式,防渗墙一二期槽段长度均为6.8 m,主孔0.8 m,副孔2.2 m。

2.2.2 造孔设备安装调试

导墙按照设计浇筑结束后,安装槽孔机械导轨,槽孔机械进场进行调试。

2.3 造孔

槽孔钻进采用泥浆固壁、冲击钻造孔、抽筒出渣。槽孔机械型号和钻头型号根据心墙厚度、地层情况(即已填筑坝体)选择。对非粘性土用CZ20-6A冲击钻机,粘性土用反循环回转式钻机,也可用冲击钻。根据不同的土层和钻机,可选用不同的钻头,一般对砂卵石土层和劈打主副孔间的小隔墙,可选用十字钻头;粘土层中可选择空心型钻头和回转式钻头,回转式钻头具有一次性削取、回转断面小切削能力强、阻力小等优点。正确选择和制备固壁的泥浆,可以提高钻孔效率,防止塌孔。土料要求粘粒含量大于50 %～60 %、塑性指数大于25 %、土中不含草根、树根等杂质。方田坝水库固壁泥浆采用MMH正电胶、优质Ⅱ级钙基膨润土、助剂等复合泥浆护壁。

槽孔建造设备和方法,可根据地层情况、墙体结构形式及设备性能进行选择,必要时可选用多种设备组合施工。可采用的成槽方法有钻劈法、钻抓法、抓取法、铣削法等[4]。方田坝水库大坝填筑料(过渡料)为新鲜砂岩,母岩的饱和抗压强度不小于30 MPa,最大粒径不超过100.0 mm,选择“钻抓法”施工,即主孔采用CZ-6A冲击钻机、平底钻头造孔,副孔采用抓斗抓取或冲击钻机施工,如图3所示。当遇到孤石或钻打漂卵石地层时改用十字钻头施工,小墙采用十字钻头或平底钻头施工。造孔验收后即进行清孔换浆,将底孔淤积清除,沉积厚度不超过10 cm,并按要求更换新鲜泥浆。为保证清孔质量,降低浇筑前孔底沉渣厚度,本工程采用气举反循环法清孔。气举反循环法的排渣原理是将压缩空气通过供气管道送至一定深度的排渣管内,与排渣管内的泥浆混合,从而使排渣管内泥浆密度和压力小于排渣管外的密度和压力,在此压力差的作用下,排渣管外泥浆携带沉渣进入排渣管,并沿排渣管上升,最后排出孔外。主要设备是空压机、排渣管、风管和泥浆净化机。

图3 槽孔建造现场

2.4 预埋灌浆管

根据纵向增强体先坝体填筑、成槽浇筑心墙、坝基帷幕灌浆等施工特点,在浇筑心墙时,为保证心墙浇筑质量,帷幕灌浆不采用在心墙钻孔,而是预埋灌浆管,心墙浇筑结束后,通过灌浆管进行基础帷幕灌浆,达到基础和心墙整体防渗的效果。所以灌浆管的间距、垂直度和深度等指标控制,是保证帷幕灌浆顺利进行和质量的关键。方田坝水库灌浆管按照设计间距(间距1.5 m)、排数(单排),采用钢筋定位架固定;管体采用φ110(DN108、壁厚2.3 mm)钢管;预埋管定位架采用φ22 mm钢筋制作;预埋管与钢筋架通过绑扎或焊接连接为一整体桁架。

为避免二次运输而造成钢桁架变形,钢桁架在就近加工平台上加工。先测出每个灌浆孔的实际深度,在最底层的桁架制作时,确定每孔灌浆管在同一高程的长度,采用桁架固定,要求桁架宽与心墙厚一致,长与槽段一致,桁架间距以保持整体桁架不变形的刚性确定,一般为6～9 m;灌浆管位于心墙轴线位置。其余灌浆管的长度根据起吊设备和施工现场确定后采用桁架固定,以此类推至平台。

预埋管钢桁架下设,采用吊车分节起吊,孔口连接,整体下设,并在现场工长和技术员的指挥下进行。首先以保持钢桁架垂直、平稳选好吊点,将最底节预埋管钢桁架吊入槽内,用二根加强型钢横向穿过预埋管钢桁搁置并架立在导墙上,其顶部外露导墙顶1.5 m左右;再起吊第二节预埋管钢桁架,经对中调正垂直后进行对接,因上下部预埋管螺纹方向相反,故采用管钳转动中间套筒即可将上下部位预埋管连接。为保证钢桁架整体刚性,在灌浆管连接部位加设槽钢、钢管等。该方法能够最大限度地保证预埋灌浆管的连接强度,并能加快预埋灌浆管槽孔孔口连接速度。

预埋管桁架对接完毕后,利用吊车进行整体下设,下设时要做到桁架对应好槽中位置匀速下降。遇到受阻时不得强行下放,以免桁架变形,造成管体错位,影响下设精度。对下设完成的预埋灌浆管的孔口采取临时封堵保护措施,防止杂物进入管内。

2.5 预埋接头管

在条件许可时,尽量减少墙段连接缝。墙段连接可采用接头管(板)法、钻凿法、双反弧柱状法等。采用接头管(板)法时应遵循:(1)接头管(板)应能承受最大的混凝土压力和起拔力,管(板)表面应平整光滑,其接间连接方式应简便、可靠、易操作;(2)应根据预计的最大拔管(板)阻力,选用有足够起拔力的吊车或液压拔管机起拔接头管;(3)开始拔管的时间,通过试验确定[4]。

方田坝水库扩建工程采用“接头管法”,其施工程序:一槽段槽孔清孔换浆验收合格结束后,在槽孔端头下设接头管(接头管直径不小于心墙厚度),混凝土浇筑时,根据槽内混凝土初凝时逐渐起拔接头管,在一槽段槽孔端头形成半圆形接头孔;二槽段槽孔浇筑混凝土结束后,与一槽段槽孔的端头形成圆形接头,再浇筑圆形孔内混凝土。这样施工的优点一是圆形孔有利于钢刷刷毛,不留死角;二是保证了两个槽段有效连接,达到防渗效果。

为保证预埋接头管连接灵活和拔起顺利,连接时应保证接头管接头的卡块、卡盖齐全,锁块活动自如等。并在接头管外表面涂抹脱模剂。

接头管起吊下沉采用吊车。先起吊最底端节接头管,让接头管对准端孔中心,垂直匀速下放,一直下到接头管销孔位置,用钢管对孔插入接头管,继续将底管放下,使钢管担在拔管机抱紧圈上,松开公接头保护帽固定螺钉,吊起保护帽放在存放处,用清水冲洗接头配合面并涂抹润滑油;然后吊起第二节接头管,卸下母接头保护帽,用清水将接头内圈结合面冲洗干净,对准公接头插入,动作要缓慢,接头之间决不能发生碰撞,否则会造成接头连接困难。吊起接头管,抽出钢管,下到第二节接头管销孔处,插入钢管,下放使其担在导墙上,再按上述方法进行第三节接头管的安装。依次安装直到整体接头管完成[5-7]。

准确掌握起拔时间是拔管法施工的关键,一般应事前进行试验,确定混凝土的初凝和终凝时间等参数。因为起拔时间小于初凝时间,混凝土尚未达到一定的强度,就会出现接头孔缩孔甚至垮塌;起拔时间大于终凝时间,接头管与混凝土的粘结力增大,增加了起拔难度,甚至接头管被铸死拔不出来[5]。

3 增强体心墙浇筑

一般防渗墙混凝土浇筑采用导管法。

3.1 施工要求

(1)导管法浇筑混凝土是将拌制好的混凝土通过导管输送至心墙槽段底部,借助混凝土的自重使其自然流动扩散。因此,必须根据浇筑部位的外形要求,掌握混凝土浆液扩散半径,以布置导管的位置和数量。根据有关经验,一根导管的扩散半径一般约3～3.5 m,浇筑块体面积约4.5～6.0m2。(2)混凝土不振捣,靠自重挤压密实,使用的标号应较设计的标号提高20 %左右,浇筑墙顶应高出设计值10 cm,待浇筑结束后,将高出的部分清除掉,以保证浇筑质量。(3)在混凝土浇筑过程中,要保证进料,以确保浇筑的连续性。如无法避免间断时间,以不超过混凝土初凝时间为限。所以为确保心墙防渗质量,在选择水泥时选用初凝时间较长为好,至少不宜小于2 h。(4)为保证混凝土在导管内顺溜畅通,混凝土应具有良好的和易性,骨料最大粒径不宜超过导管直径的1/5。

3.2 施工要点

直升导管法的施工要点是将导管下至距底孔10～20 cm,导管内放一比导管直径小10 mm左右的浮球活塞,以便开始浇筑时把混凝土与泥浆隔开。浇筑时,先倒入坍落度为18～21 cm的水泥砂浆,再倒入混凝土,混凝土倒入量应稍大于导管容积,以便一下把活塞压至管底,满管后,把导管提起一定高度(具体高度视活塞尺寸而定),使活塞溜出管口外,混凝土随即流出,再把导管放到离孔底10～12 cm处,使导管底部插入已浇筑的混凝土中,随即开始连续浇筑混凝土,随着混凝土面的不断上升,导管相应提高,并逐节拆卸导管,直至将混凝土浇筑到设计高程为止。

导管的直径可根据混凝土的级配和浇筑强度大小选定,一般为150～300 mm,混凝土入管强度为6.5～26.0m3/h。现场加工的导管一般壁厚为2.5～4.0 mm,管身要求内壁光滑,起伏差应小于±2 mm,以利活塞通过,还要求接缝的焊接质量良好,在混凝土冲力作用下不应开裂。非现场加工的导管在运输、搬运过程中应保证管身不变形,否则校正后方可使用。

3.3 混凝土配合比的选择

在拌制混凝土时,在保证混凝土强度的条件下,应配以必要的掺合料,常用的掺合料有粘土等材料,一般当水灰比为定值时,混凝土强度随粘土掺量的增加而降低。根据试验,当水灰比在0.65～0.70之间时,掺10 %～20 %的粘土,混凝土抗压强度及抗渗标号均满足设计要求。

混凝土的配合比应根据抗压强度试验确定。混凝土中的粘土掺合量,可直接采用不加碱的固壁泥浆(造孔泥浆一般都加占干土重1 %的纯碱或0.4 %的烧碱)。

3.4 混凝土的浇筑

导管的布置应满足混凝土从导管流出后的扩散半径要求,混凝土的扩散半径除与混凝土的和易性和塌落度有关外,还与槽孔内混凝土的上升速度直接有关,一般上升速度快的导管,在混凝土入管浇筑时可取大值。当混凝土的和易性良好,塌落度稳定时,混凝土面上升速度为1～5 m/h时,可选用扩散半径1.5～3.5 m,据此布置导管间距。

4 大坝基础帷幕灌浆

这是增强体土石坝“先筑坝,再做墙,后灌浆”施工流程的最后一环,既是“收官”又很关键。大坝整个增强体心墙浇筑结束并达到养护期后,才进行坝基帷幕灌浆,使基础和墙体形成整体防渗体系。这一步,应按照设计[1]和相关规程规范[4-5,8]实施。

5 结语

(1)针对工程特点,做好技术交底工作,制定增强体心墙现场施工的各项准备工作,从材料购置至现场布置均应实行严格的工序管理,保证施工现场的组织有序高效。

(2)参建各方应及时召开各方会议,明确任务分工和责任落实,建立完善质量保证体系和质量检查体系,突出难点和关键环节,树立起现场施工人员的责任意识和质量意识。

(3)组织施工作业人员学习有关技术规程规范,明确操作流程和工序,当班事当班做完,既保证质量又保证施工作业安全。

(4)方田坝水库作为四川省首座完成的纵向增强体土石坝,自运行以来,坝体沉降、位移、应力及渗漏量观测指标均达到设计标准和相关规程规范要求,施工质量优良,为同类坝型推广应用提供了良好的工程实践和成功范例。