水下抛填非密实砂砾石坝坝基防渗墙成槽施工技术

彭小明 陈瑛 管帝

摘要：在水下抛填非密实砂砾石筑坝过程中，坝基防渗墙成槽施工十分关键。以新集水电站为例，介绍了该电站坝基的防渗墙成槽施工过程，并详细分析了防渗墙槽孔坍塌的原因及处理措施。通过调整戗堤上下游位置，对防渗轴线上下游侧进行强夯处理，抬高防渗墙顶高程以及增加截流戗堤上游堵漏措施完成了新集水電站坝基防渗墙成槽。针对主河床防渗墙施工初期的塌方事故，发现高水头差下渗流破坏是防渗墙槽孔坍塌的主要原因，而水下抛填未经压实（松散）的砂砾石是导致坍塌的内在原因。通过检查和调整泥浆的黏度和稳定性，降低抓斗槽孔内速度，缩短槽段的宽度，调整成槽方案，以及封堵槽孔内回填黏土砾石、混凝土料后，新集水电站主河床水下抛填砂砾石坝基防渗墙技术指标均在正常范围之内，运行工况良好。

关键词：水下抛填； 砂砾石坝基； 防渗墙成槽； 新集水电站

中图法分类号：TV512

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.011

文章编号：1006-0081（2023）S2-0039-04

0 引 言

新集水电站位于汉江中游，主要建筑物采用一线式布置，坝轴线总长2 202.4 m。根据规划设计，工程分二期导流施工，第一期纵向围堰布置在主河床左侧漫滩，在一期围堰保护下，对左岸的电站厂房、泄水闸、船闸等主体建筑物进行施工，右侧的主河床导流。二期填筑主河床土石坝，采用已建成的24孔泄水闸导流。由于主河床土石坝高度不大，二期主河床不设围堰围护，直接填筑土石坝。主河床砂砾石大坝坝体采用黏土心墙防渗，坝基采用混凝土防渗墙防渗，防渗墙底线伸入基岩1.0 m。二期主河床土石坝施工未设围堰，大坝填筑分水下坝基和水上坝体两部分。其中，水位线67.4 m高程以下坝基采用水下抛填施工，水位线以上采用分层碾压填筑施工，填筑材料均为天然砂砾石混合料。新集水电站将水下抛填作为大坝主体工程结构，在国内尚属首例。汉江是长江的第一大支流，主河床截流后上下游水位落差3.58 m。在汉江中游进行水下抛填非密实砂砾石筑坝，坝基防渗墙成槽施工技术十分关键。本文介绍了新集水电站主河床土石坝水下抛填砂砾石非密实坝基的防渗墙成槽施工过程，并详细分析了防渗墙槽孔坍塌的原因，最后提出了处理措施。

1 新集水电站防渗墙特点

1.1 截流合龙块径料对成槽墙的影响

新集水电站右岸主河床截流戗堤设计在大坝上游段，截流完成后作为坝体结构一部分。截流合龙抛投的块径料包括大块石、石笼、合金网兜，受水流冲刷漂移至防渗轴线附近，随截流龙口缩窄在合龙处从上而下形成了大量块径料架空的集中渗流通道。据统计，截流期间龙口累计抛投块径料55 742 m3，为设计截流龙口体积的3.19倍，其中约38 257 m3块径料顺水流漂移至龙口下游，合龙集中抛投的块径料形成了高水头下的集中渗流通道。新集水电站主河床截流抛投块径料统计详见表1。

1.2 水下抛填筑坝对防渗墙造孔成槽的影响

水下抛填筑坝防渗墙施工存在两个技术难点：① 不设围堰无法干地施工对坝基进行清理，截流合龙时形成的块径料集中在渗漏通道，影响防渗墙造孔成槽［1］；② 水下自然抛填作业无法进行碾压作业，无法形成密实结构，根据SL 274-2020《碾压式土石坝设计规范》，水下抛填砂砾石坝基需满足相对密度不小于0.75和压实度不小于0.98的要求，防渗墙施工槽孔稳定性极差。

2 防渗墙成槽设计

2.1 戗堤上下游位置调整

常规工程施工方案往往将截流戗堤布置在大坝下游，可防止截流合龙块径料漂移至防渗轴线附近，避免增加后期防渗墙和灌浆施工难度。经研究，为了有效降低水下抛填填筑厚度，新集水电站主河床截流将戗堤变更至大坝轴线上游侧，在截流完成后戗堤留作坝体一部分，随截流后下游水位下降可据实测水位有效降低水下抛填厚度，减小工程风险。截流戗堤顶高程70 m，实测上游水位为67.24 m，下游水位63.66 m，水下抛填高程按67.4 m控制，河床部位水下抛填最大厚度为13.2 m。

2.2 防渗轴线上下游侧强夯处理

对防渗墙轴线上游8.0 m和下游7.0 m范围内的水下抛填砂砾石坝基进行强夯，强夯高程为水下抛填平面高程67.4 m，主河床土石坝防渗墙设计横断面详见图1。强夯施工按工程前期已施工的泄洪洞基础参数、技术要求进行，分为2遍点夯和2遍满夯，点距5 m，梅花形布置，夯锤重 20 t，夯锤提升高度10 m，夯击能为200 t·m，单点夯击次数6～8击，最后两击沉降量均小于5 cm。实测水下抛填坝基夯击最大沉降量为84 cm，设计工程措施预期击实影响深度6～8 m，高程范围为67.4～59.4 m。

2.3 防渗墙顶高程抬高

为避免雨季施工对后续施工的黏土心墙填筑产生影响，给水下抛填砂砾石坝基预留一定的自然沉降期，经过研究，最终选择了“先筑坝，后建墙”的方案。先填筑坝体，后修建防渗墙，抬高防渗墙墙顶至77.8 m高程，增加了防渗墙工程量约2 952 m2，不仅从工期计划上有效规避了雨季进行黏土心墙填筑的风险，还给水下抛填大坝砂砾石料预留了2～6个月的沉降期，抛填砂砾石因受到上部坝体荷载的重力作用沉降变得更加密实［2］。

2.4 截流戗堤上游堵漏措施

截流之后在戗堤上游增加了1 m厚的黏土闭气土铺填层及2.5 m厚的黏土岩，在防渗墙施工期间，可减小截流后高水头差下渗流对防渗墙成槽影响。

3 防渗墙槽孔坍塌原因分析及措施

新集水电站主河床防渗墙项目施工前期，主要采用GB34型抓斗“纯抓法”为主、CZ-6型冲击钻“钻劈法”为辅的造孔成槽施工方案。“钻劈法”主要针对抓不动的漂石、孤石和基岩。GB34型抓斗由专用抓斗及履带式起重机塔架组成，抓斗能够担负切削、装载、运送障料等任务，即可将地层颗粒不经破碎而直接抓取至地面，故其造孔工效一般较高，砂砾石地层施工效率大于 25 m2/台班（8 h）［3］。GB34型抓斗已应用在新集水电站工程一期围堰防渗墙施工中，施工基础为天然河道砂砾层。

主河床防渗墙槽段分两期施工。Ⅰ，Ⅱ期槽段槽长均为7 m，主河床防渗墙全长509.4 m，共划分为72个槽段。根据新集水电站工程前期一期围堰防渗墙砂砾石地层施工工效，GB34型抓斗防渗墙施工工效为每4.9 d一个槽段（宽7 m），抓斗抓挖槽孔宽度80 cm，斗齒宽278 cm，7 m宽槽段分主副孔三抓成槽，配置3台抓斗和3台冲击机可满足工程需要。然而，在“纯抓法”造孔成槽实施过程中，每个槽段都有塌槽、漏浆现象。根据现场施工数据统计，现场抓槽深度为18～22 m（59.80～55.80 m）时频繁出现漏浆情况，单个槽孔反复多次坍塌，常常发生后期槽孔坍塌，且波及处理过的部位和上部的坝体黏土心墙部分。

针对主河床防渗墙施工初期的塌方事故，发现高水头差下渗流破坏是防渗墙槽孔坍塌的主要原因，而水下抛填未经压实（松散）的砂砾石是导致坍塌的内在原因。此外，截流漂移至防渗轴线附近的架空块径料抓取和冲击破碎处理，破坏槽壁稳定造成槽孔的坍塌。新集水电站防渗墙槽孔坍塌的处理措施详见表2。

经分析比较，“防渗墙体上游进行预灌浆封堵处理”和“冲击钻钻进为主，抓斗辅助排碴”方法能够确保高水头渗透砂砾料防渗墙施工成槽。防渗墙体上游进行预灌浆封堵处理时，需要在防渗墙施工前采用提前预灌浆来封堵砂砾石层的通道，灌浆可将砂砾石松散料胶凝成整体，封堵渗透通道［4］，需要工期较长，增加额外的建设工程投资，所以在新集水电站工程中未采用。将原“纯抓法”为主的成槽方案，调整为以“冲击钻钻进为主，抓斗辅助排碴”的方案。基本原理是在利用“冲击钻”吊重对地层进行冲击而实现钻进的成槽的过程中，在槽孔内回填黏土，利用冲击力将黏土挤压入渗流通道间隙，减小渗流破坏，并在槽壁上形成护壁泥浆膜，以利于孔壁稳定［5］。

4 防渗墙成槽施工工艺

高程71 m上部黏土层采用GB34型抓斗造孔，高程71 m至高程70 m黏土层、高程70 m层以下坝基（含水下砂砾石抛填层、原河床覆盖层、强风化层、入岩1 m弱风化层）均采用CZ-6型冲击钻造孔。泥浆采用膨润土调制，造孔过程中随时关注和补充护壁泥浆，当槽孔内浆面出现非正常下降时，说明泥浆未起到护壁作用，需及时采取措施防止出现槽孔坍塌［6-8］。根据浆液漏失速度可判断槽孔内渗漏通道大小，分别在槽孔内投入黏土料、掺稻壳黏土、掺砂砾石的黏土料等封堵渗漏通道。若在钻进过程中出现槽孔坍塌，采用黏土料或混凝土料对坍腔进行回填，用冲击钻分层压实挤密后重新造孔。在正常钻进的过程中，冲击钻冲劈成槽积碴较厚时采用GB34型抓斗辅助进行排碴，要求严格控制抓斗下探抓挖深度在30 cm以内，并尽量降低槽孔内的下放和提升速度，依此方法完成单个槽段的造孔成槽施工。

由于冲击钻造孔工效远低于抓斗，新集水电站根据实际方案调增了资源的投入，成槽设备冲击钻机增加至12台，液压抓斗增加至4台。主河床土石坝防渗墙于2023年4月13日在汛前顺利完工，确保了工程安全度汛。

5 防渗墙质量效果

根据SL 174-2014《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》，墙体质量检查在成墙28 d后，采用钻孔取芯、注水试验方法进行质量检测。主河床土石坝防渗墙69个槽段共布设7个检查孔，包括5个跨槽段接头孔的检测，涉及12个槽段的防渗墙。

根据现场实际钻孔、取芯、注水试验成果来看，所有检查孔取芯芯样收集率均超过98%以上，芯样为长柱状、芯样连续，较为完整，胶结好，芯样侧面表面光滑，骨料分布均匀，断口吻合。其中FSQ57、FSQ62检查孔打穿墙体入岩，从芯样观察墙体与基岩紧密连接，抓槽深入基岩。从注水试验检查结果看，实测渗透系数均优于设计渗透系数1×10-6 cm/s 的要求。主河床土石坝防渗墙成墙质量检查结果详见表3。

右岸主河床土石坝布置了5个渗流监测断面，共计17根测压管、3支渗压计，初期蓄水阶段防渗墙渗压水头、应力应变、渗流的监测结果表明：新集水电站主河床水下抛填砂砾石坝基防渗墙技术指标均在正常范围之内，运行工况良好。

然而，根据防渗墙槽孔坍塌情况和成墙后的超重力触探检查，检查结果显示：槽孔坍塌区和非坍塌区域坝体填筑的相对密度明显不同，防渗墙成槽过程中出现大范围、单个槽孔多次坍塌，仍然影响到坝体填筑质量，设计方分析后又额外增加了防渗墙后坍塌部位灌浆补强的处理措施，以确保工程安全。

6 结 语

针对新集水电站主河床土石坝水下抛填砂砾石坝基防渗墙成槽中出现的坍塌槽情况，在工程施工阶段经过妥善处理，建设完成的防渗墙达到设计的挡水防渗作用。混凝土防渗墙施工中槽孔坍塌是一个复杂的问题，存在多种可能的原因，需根据实际情况制定适合工程的技术措施，按照要求和规范进行施工，按照措施慎重处理，才能保证防渗墙施工的质量、进度，减少经济损失。

参考文献：

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