高地震烈度区塑性混凝土防渗墙配合比设计及施工工艺论述

高地震烈度区塑性混凝土防渗墙配合比设计及施工工艺论述

张凯 杨超

中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 110179

摘　要：新疆塔日勒嘎水电站工程土石坝址地处高地震烈度区，设计抗震烈度8^o，地下防渗系统为塑性混凝土防渗墙，墙厚80cm，渗透指标为K×10^-8cm/s。防渗墙地下部分采用人工挖孔和机械造孔相结合的造孔方法(浅于10m采用人工挖孔，深于10m采用机械造孔)，地上部分采用分层回填后开槽人工清理的方式，续接防渗墙与粘土心墙，在保证施工安全和工程质量的前提下加快了施工进度。

关键词：塑性混凝土；防渗墙；膨润土；成槽

1概述
1.1塔日勒嘎水电站工程简介
　　塔日勒嘎水电站工程坝址位于新疆维吾尔自治区克孜勒苏柯尔克孜自治州乌恰县境内，是克孜河规划2库6级开发方案中的第二个梯级，是以发电为主的水电枢纽工程。拦河大坝为粘土心墙砂砾石坝。大坝坝顶高程2254.0m，建基面高程2209.0m，最大坝高45.0m，坝顶全长326.75m，直线布置，左端与基岩岸坡相接，右端于洪积扇台地接溢洪道左边墩，溢洪道右边墩与右岸岸坡连接封闭。坝顶宽8.0m，泥结石路面宽6.0m，上游侧设置防浪墙，大坝上游边坡1:2.5，采用0.25m厚C20F300W6现浇混凝土板护坡，上游围堰顶部高程2238.6m，包含在上游坝壳之中，作为坝体的一部分，下游边坡1:2.0，在高程2238.0m设有8.0m宽马道，采用0.3m厚干砌石护坡。水库正常蓄水位2250.0m，设计洪水位2250.0m，校核洪水位2252.21m。
1.2塔日勒嘎水电站工程地质条件

塔日勒嘎水电站主坝坝址基岩为第三系渐—中新统上组岩层，岩性为红棕色、浅灰色砾岩、粉砂岩互层夹粉砂质岩及少量泥质砂砾岩，岩性相变复杂，坝址基本为一倾向南西的单斜构造，与河流近乎平行，倾向右岸，倾角多为55°~65°。岩层受挤压揉皱较强，坝址区断层不发育，仅在坝址左坝肩发现一条小断层。坝基河床浅部堆积为现代河床沉积的含漂砂砾卵石，厚度约为5m；河床右侧及右岸分布为洪积扇，其下部掩埋有古河床及阶地，结构紧密，地处高烈度区。

1.3塑性混凝土简介
　　国外从20世纪60年代末开始采用塑性混凝土防渗墙，而我国是在80年代后 期才首次应用成功的。这种材料的特点是抗压强度不高，一般可控制在R₂₈＝0.5～2MPa，弹性模量较低，一般可控制在E₂₈＝100～500MPa，渗透系数K＝ 1 ×10^-6～1×10^-7cm/s。
　　塑性混凝土与我国早期防渗墙采用的黏土混凝土有本质的区别。黏土混凝土仅是在配合比中加入了少量的黏土，水泥用量并未大幅度降低，掺加黏土的目的仅为了改善混凝土的和易性 和便于钻凿接头孔，并无降低弹性模量的目的。在对墙体内力分析研究中发现，当墙体材料的弹性模量降低到1000MPa以下时，已经和周围介质（地基土）的弹性模量接近，此时墙体适应变形能力大为提高，墙体的内力大为降低，特别是在一般情况下墙内不产生拉应力，因而也不必担心墙体因拉应力太大而开裂破坏。因此，此种墙体较适用于高地震烈度区和频发区域，可实现在无需提高混凝土的强度等级或增加钢筋笼的前提下，利用低强度和低弹性模量的特点，确保墙体不被外力破坏，可节省工程投资。

2塑性混凝土配合比的确定
　　2.1塑性混凝土配合比分析

塑性混凝土在我国发展历史短，经验配合比资料匮乏，已在建工程中塑性混凝土配合比存在较大差异。塑性混凝土在配合比方面的特点是水泥用量较少，一般约为80～170kg/m³，此外还需掺加部分黏土或膨润土（塑性指标较高），可单一加入或按比例同时加入，对骨料用量要求与常态混凝土基本相同。有关试验表明，只掺加膨润土的塑性混凝土（A种）、只掺加黏土的混凝土 （B种）和同时掺加膨润土和黏土的塑性混凝土（C种）的三种混凝土具有不同的R～E相关关系见图1。

图1 塑性混凝土R~E相关关系

图1表明，当R取相同数值时，A种混凝土的E值最小，C种混凝土的E值次之，B种混凝土的E值最大。要配制出具有较低弹性模量和较高强度的塑性混凝土应采用A种混凝土较好，在混凝土中只掺加膨润土，经论证，塑性混凝土的E、R虽然存在以上关系，但影响塑性混凝土防渗墙E的因素较多，如所使用黏土和膨润土的黏粒含量多少和塑性指标、水泥的标号和品种、骨料的粒径和硬度、外加剂的型号和掺量等。这就使得塑性混凝土配合比设计更加具有难度和复杂性。同时，基础防渗墙往往是挡水工程中最为关键的部位，为确保工程的施工质量，设计单位应事先根据当地的砂石骨料和水泥品种进行塑性混凝土的室内配合比试验，综合塑性混凝土控制指标，如渗透系数或抗渗标号、坍落度、扩散度等，施工单位在施工过程中应根据设计提供的配合比和技术要求进行现场混凝土配合比的复核试验，以确定现场施工配合比。

2.2本工程施工配合比

施工单位经综合考量，在满足技术指标、确保质量的前提下，对配合比进行了优化，分析过程如下：

2.2.1泥浆

方案一：采用（粘土：红土：水：水泥质量比为1：0.3：1：0.1）所得到的稳定泥浆比重为1.44，粘度为57秒。

方案二：采用（粘土：水：水泥：膨润土质量比为1.2：0.8：0.1：0.01）所得到的稳定泥浆比重为1.46，粘度为40秒。

以上两种泥浆配合比均可以得到24小时稳定的泥浆，保证施工过程中不离析，孔壁不坍塌。

但方案二粘度时间短，膨润土有较高的粘性，不仅能更好的将土渣悬浮起来，便于排渣，而且钠质蒙脱石（或钠膨润土）的性质比钙质的好，膨润土（蒙脱石）有更良好的物理化学性能，所以本工程选择掺量膨润土方案二。

（2）混凝土浇筑及施工艺

1）根据试验成果，所用成槽设备、成槽方法、孔深、孔斜控制措施及施工工效，完全能够满足施工要求。

2）防渗墙工程成槽的固壁泥浆材料及其配合比、防渗墙混凝土原材料及其配合比满足设计要求。

3）利用罐车运送混凝土泥浆下直升导管法浇筑适合本工程，完全满足设计及规范要求。

4）接头采用钻凿法处理，在已浇筑混凝土待强48h后进行接头孔钻凿，处理情况良好，能够满足规范要求。

（3）配合比确定

本工程施工配合比如下：

表2 试验配合比（1）

表3 试验配合比（2）

表4试验配合比（3）

其他参数指标如下：

渗透指标为：n×10^-8，强度≤3.5MP，弹模≤3000

根据E～R曲线关系，要配置出较低弹性模量和较高强度的塑性混凝土最好采用只掺加膨润土的塑性混凝土。考虑到混凝土用量对工程施工成本影响较大，每方混凝土中膨润土的用量多少也直接影响混凝土生产成本，工程地处偏远山区，对外交通不便利，存在原材料运输时间延迟隐患，且粘土可实现就地取材，故采用C种混凝土进行配合比设计。以上三种施工配合比的混凝土强度等级、和易性和耐久性均满足设计要求。第二种配合比膨润土用量少，同时混凝土塌落度值低，所以本工程选择试验配合比（2）。

3施工过程简述

3.1施工工艺简述

施工过程中将防渗墙施工分为上下两部分：第一部分为覆盖层以下；第二部分为覆盖层至设计高程，为加快本工程填筑进度，采取了不同的施工工艺，综合为机械成槽与人工成槽相结合，坝体填筑先于塑性混凝土防渗墙浇筑的施工方式。

第一部分采用“钻劈法”和人工成墙：针对大坝河床及右侧斜坡段孔深深大于10m段采用机械成墙；针对大坝右侧岸坡水平段及溢洪道控制，孔深小于10m段采用人工成槽法施工。

第二部分采用防渗墙续接：主要针对机械成墙及人工成槽，墙顶达不到设计顶高程，采用先分层进行粘土心墙填筑，填筑至与心墙达3.0m高差时，在心墙位置采用液压挖掘机开槽，槽宽为1.2m~1.5m，人工进行清理槽孔，进行塑性混凝土浇筑，续接防渗墙。待混凝土达到初凝后，铺上土工布，继续进行粘土心墙填筑，循环进行防渗墙续接施工，直至达到设计顶高程。

3.2成槽施工

槽孔划分为两序施工，Ⅰ、Ⅱ序槽孔间隔布置，先施工Ⅰ序槽孔，再施工Ⅱ序槽孔。根据防渗墙造孔深度及施工特点，防渗墙的槽段定为6.4m，即5个0.8m的主孔和4个0.6m的副孔。以轴线119.939m 计算，防渗墙可划分为22 个槽段，分11 个一期槽孔，11 个二期槽孔。

根据本工程地层特点，按照测量放线将CZ-22型冲击钻机摆放到位，利用“钻头”冲击地层形成“槽孔”，采用“钻劈法”进行防渗墙成孔施工，先劈打主孔至设计深度，再劈打副孔成槽，待Ⅰ序孔混凝土浇筑后再进行II 序槽施工，采用传统的抽筒排渣。

5结语
　　在塔日勒嘎水电站大坝防渗墙施工过程中，成功的采用了“钻劈法”和“人工造孔”配合成槽施工工艺，熟练运用了泥浆固壁技术，并自主创新全新的防渗墙浇筑施工工艺，通过配合比优化，有效的降低了施工成本。塔日勒嘎水电站大坝防渗墙的施工，使我们掌握了塑性混凝土防渗墙续接施工的新工艺和成熟经验，为今后高地震烈度区塑性混凝土配合比设计、防渗墙的施工总结了经验。

参考文献：

［1］丛蔼森．地下连续墙的设计施工与应用［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，2001．
［2］谭靖夷．中国水利发电工程施工鉴［Ｍ］．北京：中国电力出版社.
［3］高钟璞；等．大坝基础防渗墙［Ｍ］．北京：中国电力出版社，2000.