塑性混凝土防渗墙在屯六水库除险加固中的应用

邓礼强

（广西壮族自治区水利工程与河道管理中心，南宁 530000）

塑性混凝土是一种低弹模、低强度、大应变、强抗渗的柔性工程材料。与普通混凝土相比，塑性混凝土的水泥用量低、膨润土（黏土）用量高，因此其变形模量与大坝土体的变形模量相近，可以很好地与大坝基础相适应。

二十世纪六十年代起，国外开始研究塑性混凝土防渗墙技术并逐步将研究结果应用于堤防、围堰、大坝等各类水利工程中[1]。我国塑性混凝土防渗墙研究和应用起始于二十世纪八十年代，后在三峡水利枢纽、小浪底水利枢纽、丹江口水库等多座水库大坝用于防渗加固[1-2]。鉴于塑性混凝土防渗墙成熟的施工工艺以及良好的防渗效果，因此屯六水库大坝也采用塑性混凝土防渗墙进行防渗处理。

1 屯六水库工程及地质概况

屯六水库位于南宁市，正常水位146.62 m，总库容2.26 亿m3，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、供水、发电、养殖等综合效益的大（2）型水库。百步坝是屯六水库的副坝之一，为均质土坝，坝顶高程152.86 m，最大坝高33.71 m，坝长为129.5 m，坝顶宽约7.0 m。2019年屯六水库大坝安全鉴定类别为三类坝，百步坝经现场勘查，当库水位为145.5 m时，坝脚处存在流量约为0.17 L/s的铁锈色渗水，坝体外坡128.4 m 高程处存在有3.0 m2的散渗区域。百步坝下伏基岩为K1X1 泥质粉砂岩夹砂岩、粉砂质泥岩及少量含砾砂岩。泥质粉砂岩、粉砂质泥岩以紫红色为主，薄～中厚层状，砂岩、含砾砂岩为灰色、灰黄色，中厚～厚层状。全风化层厚0.6～6.2 m，强风化层厚3.4～22.0 m，弱风化层厚1.9～7.3 m。

屯六水库百步坝防渗墙轴线平行坝轴线，约在坝轴线上游侧2.5 m处，防渗墙设计总长132.0 m，深度由两侧逐步向中部加深，最大墙深为34.0 m，最小墙深为7.0 m。防渗墙顶部设计高程为151.0 m，墙底深入强风化基岩面1.0 m，总成墙面积为2 808.0 m2，总浇筑塑性混凝土1 684.8 m3。

2 防渗墙原材料及设计配比

2.1 塑性混凝土原材料

（1）水泥。采用普通硅酸盐水泥。经检测其表观密度、标准稠度、安定性、凝结时间、细度、抗压、抗折等技术指标均符合《水工混凝土施工规范》（SL677-2014）要求。

（2）骨料。经检验，塑性混凝土使用的粗、细骨料质地坚硬、清洁、级配良好，细骨料细度模数为2.8，粗骨料粒径为5～20 mm。在施工前经原孔筛检验，其超径、逊径含量分别小于5%和10%，满足设计规范要求。

（3）外加剂。使用钻井级膨润土和缓凝性高效凝水剂。膨润土可降低混凝土的弹性模量[3]、减小渗透系数、增大极限应变，提高防渗墙的安全性和防渗效果。高效减水剂能够降低塑性混凝土拌和用水量，提高混凝土的流动性和坍落度。

（4）水。塑性混凝土直接使用库水拌和，经对库水检验分析，其物理化学性质符合《水工混凝土施工规范》（SL677-2014）要求。

2.2 施工配合比

在实际工程中，一般采用降低水泥用量、增加膨润土用量的方法降低混凝土的弹性模量、增加墙体的极限应变，但是墙体的抗压性能会因为水泥用量的减少而降低，导致安全性能不足。反之，水泥用量越多，弹性模量越高，极限应变越低，墙体的应变能力就会不足。因此水泥和膨润土的配合用量决定了墙体的质量和应变性能。一般来讲塑性混凝土的凝胶材料用量不能少于240 kg/m3，其中水泥和膨润土用量分别不得少于80 kg/m3和40 kg/m3，两者的合计用量不低于160 kg/m3，砂率不宜小于45%，且在满足流动性要求的前提下，尽量降低用水量[4]。根据百步坝土层特性和现场试拌情况，确定了最终塑性混凝土的施工配合比（见表1）。该配合比方案下的塑性混凝土初凝和终凝时间分别为≥6 h、≤24 h，其试验混凝土块的检测结果见表2。

表1 塑性混凝土施工配合比kg/m3

表2 塑性混凝土试验结果

3 施工工艺

塑性混凝土防渗墙施工流程见图1。

图1 塑性混凝土防渗墙施工流程图

3.1 施工平台及导墙施工

百步坝防渗墙轴线设计在坝轴线上游侧，因此施工平台只能设置在防渗墙轴线下游侧（见图2）。由于防渗墙轴线距原坝顶下游侧外沿宽度不满足液压抓斗机8.0 m 施工平台宽度的要求，因此在防渗墙施工前通过在下游侧修筑临时浆砌石挡墙，然后以回填土石夯实的方式将坝顶施工平台加宽，以保证液压抓斗机施工平台的宽度。

图2 百步坝防渗墙施工平台示意图

导墙也称导向墙，是在防渗墙施工平台的较浅深度建造的，平行防渗墙轴线，起导向、保护孔口土体稳定和承重作用的临时性挡土墙。综合考虑防渗墙设计厚度、深度以及大坝土质情况等，导墙采用全断面开挖后立模浇筑C25 钢筋混凝土断面，结构配Φ12@250钢筋网。导墙施工前进行测量放样，确保导墙轴线与防渗墙轴线之间的偏离不大于1.5 cm。导墙顶呈直线，底部高程为151.0 m，墙体高1.5 m，宽1.5 m，内侧净宽0.7 m。导墙施工完毕后两侧回填土方夯实，并每间隔数米修建混凝土内支撑，防止导墙在液压抓斗机成槽过程中发生倾覆和位移，造成防渗墙位置偏差。导墙靠水库上游侧修建混凝土回浆沟以便于成槽和浇筑混凝土过程中泥浆的回收与再利用。

3.2 槽段划分及成槽验收

将132.0 m 的防渗墙划分为22 个槽段，每个槽段长6.0 m，一共21个墙体接头，槽段从左坝肩至右依次标号。槽段分为Ⅰ期槽孔和Ⅱ期槽孔，Ⅰ、Ⅱ期槽孔间隔布设（见图3），先施工Ⅰ期槽孔，待Ⅰ期槽孔混凝土初凝后进行Ⅱ期槽孔施工。

图3 塑性混凝土防渗墙槽段划分示意图

防渗墙使用重型液压抓斗机纯抓法“三抓成槽”。即由于每段槽孔宽6.0 m，抓斗展开幅度为2.8 m，因此需分三次将一个槽段抓完，抓取的次序为先两端、后中间。采用接头管法和平切法结合的方式进行墙体间的连接，因此在Ⅰ期槽孔造孔时需向Ⅱ期槽孔位置两侧分别多抓取0.3 m 左右，便于下设墙体接头管。

成槽验收主要分为两阶段，第一阶段为基岩面鉴定，当抓斗机接触到基岩面时，对每抓的孔底基岩进行鉴定并记录孔底高程。第二阶段为成槽验收，进行基岩鉴定以后，抓斗机继续向下抓取1.0 m基岩，随后进行孔深、孔斜验收。孔深使用经检查校准的孔深测绳进行测量，将孔底深度与上一阶段的基岩面深度进行对比，确保防渗墙嵌入基岩1.0 m。

3.3 泥浆固璧及清孔换浆

泥浆是塑性混凝土防渗墙施工的重要组成部分，其作用是维持孔壁稳定、悬浮土渣以及冷却抓斗设备。当抓斗机开始抓挖槽内土方时，应同时向槽内泵送提前生产好的泥浆进行固璧，在成槽过程中泥浆高度应该始终控制在导墙顶面以下30～50 cm。本工程泥浆使用膨润土和纯碱进行配置，新制取的泥浆在制浆池经过24 h溶胀后使用。

在成槽过程中，槽孔内的土壤颗粒和碎石不断进入泥浆中，导致泥浆的固壁和悬渣能力不满足要求，因此需要使用浆液净化系统将泥浆中的土壤颗粒和碎石去除，然后将处理后的泥浆重新返回槽孔中固壁。本工程使用的清孔方法为气举反循环法[5]，主要设备是空气压缩机和分沙机。吊车将高压风管和排渣管悬吊在槽孔底部左右移动，空压机输出的高压风通过改变排渣管内外的气压来升扬孔底土渣较多的泥浆，含砂量较高的泥浆经分沙机处理后返回槽孔，清孔直至分沙机不再筛分出砂砾为止（见图4）。当同一槽孔底部高差较大时，清孔从深度较浅的一侧开始。

图4 气举反循环法示意图

清孔结束后1 h内，使用取浆器在距离槽底0.5 m处取泥浆，将取浆器内的泥浆分别倒入泥浆比重称、马氏漏斗、滤网漏斗中进行性能测试。泥浆指标的合格标准为在清空换浆结束后1 h 内，孔内淤积不高于10 cm、孔内泥浆密度不大于1.15g/cm3、黏度（马氏漏斗）32～50 s、含沙量不大于4%。若泥浆指标不符合要求，则应根据泥浆检测结果进行再度清孔或换浆处理，清孔换浆经确认合格前，不能进行下道工序施工。若在清孔换浆工序结束后4 h内未进行混凝土浇筑，则在开浇前重新检查槽孔淤积厚度，必要时再次进行清孔，以保证开浇前孔底淤积厚度不超过10 cm。

3.4 墙体浇筑

塑性混凝土由搅拌车通过分料斗、溜槽和浇筑漏斗进入浇筑导管进行浇筑。浇筑导管由若干节直径25.0 cm 的钢管连接组成，钢管外部设置快速连接丝和便于起吊、安装的悬挂设施，内部装有橡胶密封圈。每一节钢管在使用前和施工过程中均应检查是否因受压变扁、变弯、是否有较大磨损、是否存在密闭不实等情况，若存在以上问题，该节钢管不能使用。每个槽段下设两组浇筑导管，两组导管下设控制在距孔段1.5 m 左右，Ⅱ期槽段导管可布设在距孔段1.0 m左右，导管先下设到底，随后向上提起15～25 cm[6]，并在混凝土开浇前保持固定。

由于基岩面高程不一，导致成槽深度略有差别，当孔底高差较大时，混凝土浇筑从孔深较大的一侧开始。为了排出浇筑导管中的泥浆，保证混凝土浇筑质量，开浇前在每个导管下入直径略小于导管的可自由浮沉的充气球。具体步骤为，第一车混凝土浇筑时，先使用隔离钢板阻断浇筑漏斗与导管，并在浇筑漏斗中注入足够数量的混凝土，随后抽出隔离板，使漏斗中的塑性混凝土瞬间充满导管，进而挤压充气球向下运动挤出导管内泥浆，同时将导管底端埋入混凝土中，避免后续浇筑过程中泥浆进入导管[7]。混凝土的浇筑工作不宜中断，浇筑过程中应控制槽孔内的混凝土面始终以大于2 m/h 的速率匀速上升。浇筑时，使用测绳每隔0.5 h对槽孔内各处混凝土进行一次测量记录，每隔2 h对导管内混凝土面进行一次测量记录，目的是保持槽孔混凝土面高差最大不超过0.5 m，同时应根据测量结果，适当上提浇筑导管，保持埋在混凝土中的导管长度在2～6 m。同时使用便拆式挡板覆盖在孔口顶部，防止孔口周边的泥石块和浇筑过程中散落的混凝土进入到槽孔内，影响防渗墙质量。

3.5 墙段连接

目前国内外塑性混凝土防渗墙普遍是分槽段进行施工，然后使用特定的接头方法对槽段进行连接进而形成完整的防渗墙。百步坝防渗墙采用接头管法和平切法相结合的方式进行墙段间的连接，即Ⅰ期槽段浇筑前，通过在Ⅰ期墙段端头下设6.0 m接头管，从而在防渗墙顶部形成两个表面光滑的接头孔，接头孔起到连接墙体和为Ⅱ期槽孔施工导向的作用。Ⅱ期槽孔施工时，液压抓斗机沿接头管方向成槽，并将Ⅰ期槽段接头管下已初凝的混凝土套抓20～30 cm，保证接头的质量。在施工过程中，严格控制拔管的时间，拔管过早混凝土尚未稳定，容易造成槽孔内的混凝土塌孔，拔管过晚则造成混凝土“抱管”。Ⅰ期槽段混凝土初凝后可进行Ⅱ期槽段施工，Ⅱ期槽在清空换浆结束之前，用具有一定重量的圆形钢丝刷对Ⅰ期槽孔端头孔壁上的泥皮进行刷洗，通过吊车调整钢丝绳位置，从上至下分段进行清洗，直至刷子上基本不在带有泥屑，孔底淤泥不再增加[8]。

4 关键问题处理及质量控制

（1）关键问题处理。由于百步坝建设时间较早，大坝主体由人工进行夯实，存在压实度不够、土层松散、孔隙率大、坝体碎石夹杂等情况，导致百步坝15 号槽在成槽过程中发生了槽段坍塌现象。在发生槽段坍塌后，为了保证大坝安全和施工质量，进行了15 号槽段的黏土回填压实[9]，待塌孔地段稳定后重新成槽，并同时改善泥浆质量，加强泥浆的固壁效果。

（2）质量控制。施工期质量监督和成墙后质量检查是防渗墙施工需要重点把控的环节。在百步坝的防渗墙施工过程中主要对槽孔终孔质量、清空换浆质量、混凝土浇筑质量进行严格的把控。槽孔终孔质量控制主要是对终孔深、孔斜、孔型、槽宽以及嵌入基岩深度进行现场确认。清孔换浆质量控制主要是对槽底淤积厚度、泥浆密度、黏度、含砂量和接头部位墙体的刷洗质量进行检查。浇筑质量控制主要是对浇筑导管的间距和埋深、泥浆下混凝土面上升速率、槽孔内和浇筑导管内混凝土面的高度进行检查。同时在浇筑过程中，对浇筑现场的混凝土进行弹模、抗渗、抗压试块取样，抗压试块每个槽段成型1 组，抗渗试块每3 个槽段成型1 组，抗渗试块每10个槽段成型1组，按照标准对取样混凝土试件进行保养，龄期28 d 后送检。经检测，取样试件的相应指标均满足要求。

在最后一个槽段施工结束28 d后，对施工完成后的墙体质量采用地质钻孔的方法进行检查。钻孔的中心位置需要与防渗墙轴线重合，钻孔位置分别选择墙体成孔和墙缝成孔。钻孔直径为110 mm，钻孔深度为防渗墙底部往上2.0 m 处，钻进过程中分段取芯样，钻孔进行注水试验，芯样进行室内性能实验。经检测，百步坝塑性混凝土防渗心墙槽段接缝良好，各性能指标均满足要求。封闭检查孔前先对孔进行冲洗，合格后，用水泥浆进行封孔。

5 结语

屯六水库百步坝防渗墙的槽段划分合理，施工采用纯抓法成槽，清孔换浆过程使用空压机和分沙机相结合的气举循环法，采用压球法进行混凝土浇筑，采用接头管法和平切法进行槽段连接，全部成槽完毕后对墙体和接缝孔进行钻孔检验。施工过程中，通过对导墙轴线放样、槽段划分、泥浆制备、成槽孔深、孔斜、清孔换浆、原材料质量、入孔混凝土质量等关键环节进行有效的监督控制，保证了百步坝塑性混凝土防渗墙的防渗效果，可以为同类工程提供参考。