新疆下坂地水利樞紐工程壩基防滲設(shè)計(jì)

新疆下坂地水利樞紐工程壩基防滲設(shè)計(jì)

1壩基防滲方案比選新疆下坂地水庫(kù)工程位于塔里木河上，塔什庫(kù)爾干河是新疆的主要支流，距喀什市315公里，距塔什庫(kù)爾干塔吉克自治市45公里。這是河流整合發(fā)展的主水庫(kù)。樞紐工程屬Ⅱ等大(2)型水利樞紐工程。大壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩,最大壩高78m,壩頂高程2996m,水庫(kù)總庫(kù)容8.67億m樞紐工程壩基覆蓋層最大厚度達(dá)147.95m,由于壩高和作用水頭較大,需采用全封閉垂直防滲措施予以處理。由于深度及地質(zhì)原因,帷幕灌漿和混凝土防滲墻的施工難度都很大,全部采用帷幕灌漿難以達(dá)到預(yù)期的效果;混凝土防滲墻的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果優(yōu)于帷幕灌漿,但以往的最大成墻深度只有80m左右,這次能達(dá)到多大深度沒(méi)有把握。經(jīng)過(guò)綜合比較,設(shè)計(jì)初步選定了“上墻下幕,墻幕結(jié)合”的壩基防滲處理方案,其基本原則是以防滲墻為主,能作多深作多深,剩余部分用帷幕灌漿封堵;防滲墻的具體深度和施工方法通過(guò)試驗(yàn)確定。2塔布庫(kù)爾干河砂層壩基覆蓋層最大厚度為147.95m,成分復(fù)雜,覆蓋層透水性差異較大,滲透系數(shù)在10(1)冰磧層厚度為80～148m,巖性復(fù)雜,結(jié)構(gòu)松散且不均勻,有架空現(xiàn)象,主要以漂石、塊石、礫石為主(其中漂塊石含量約占60%,最大粒徑達(dá)8.7m),成分以花崗巖、片麻巖、片巖及灰黑色變質(zhì)巖組成。(2)砂層透鏡體位于壩基左側(cè)偏上游冰磧層中,埋深18～35.4m,最大厚度為43.7m。其上下均為Q(3)沖洪積和坡積層分布在河床、漫灘表層,厚度為3.0～29.3m。結(jié)構(gòu)復(fù)雜,相變較大。顆粒由碎石、粗礫及砂組成,以粗礫為主,小于0.1mm含量<10%,塊石最大直徑可達(dá)4.0m,大多為弱風(fēng)化,堅(jiān)硬、松散、無(wú)膠結(jié)。塔布庫(kù)爾干河的徑流主要由冰雪融水及兩岸的地下水補(bǔ)給,河道水量比較穩(wěn)定。塔什庫(kù)爾干河地區(qū)呈典型大陸性高原氣候區(qū)。受地理位置、季風(fēng)環(huán)流、地形等因素影響,流域的氣候差異較大,只有冷暖兩季。主要?dú)夂蛱攸c(diǎn):冬季寒冷漫長(zhǎng),夏季氣候溫和,氣候的年、日變化顯著,日溫差高達(dá)20℃左右,每年有效施工期在3～10月份之間。本工程地處高寒、高海拔、高地震、覆蓋層厚度近150m的邊遠(yuǎn)地區(qū),施工及地質(zhì)條件復(fù)雜,工程難度大。壩基防滲軸線地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1。3可行性和適應(yīng)性混凝土防滲墻施工試驗(yàn)為壩基防滲試驗(yàn)研究工作的重要組成部分,主要目的是了解成槽設(shè)備、施工工藝等方面的可行性和適應(yīng)性,并取得有關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)的主要內(nèi)容包括“鉆抓法”成槽工藝、泥漿固壁工藝、槽孔內(nèi)預(yù)埋墻下帷幕灌漿管工藝、深槽孔泥漿下混凝土澆筑工藝、接頭管下設(shè)與起拔工藝試驗(yàn)(在1號(hào)試驗(yàn)段進(jìn)行)以及“雙反弧”接頭工藝試驗(yàn)(在2號(hào)試驗(yàn)段進(jìn)行),為后續(xù)壩基防滲方案的設(shè)計(jì)提供施工依據(jù)。4施工總結(jié)4.1單孔槽段劃分試驗(yàn)工程分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元段進(jìn)行施工。1號(hào)試驗(yàn)段布置在壩基防滲軸線上,槽孔長(zhǎng)度為6m,孔深102m,劃分為5個(gè)單孔(3個(gè)主孔,2個(gè)副孔),主孔1m,副孔1.5m;2號(hào)試驗(yàn)段布置在壩基防滲軸線上游側(cè)5m,長(zhǎng)度3.2m,孔深80m,劃分為3個(gè)單孔槽段(兩邊各為1m的單孔槽,中間為1.2m的雙反弧接頭槽)。槽孔布置及劃分見(jiàn)圖2,完成的主要工程量見(jiàn)表1。4.2施工設(shè)備防滲墻試驗(yàn)工程投入的成槽設(shè)備有沖擊鉆機(jī)、沖擊反循環(huán)鉆機(jī)、鋼絲繩抓斗等。投入的主要施工設(shè)備見(jiàn)表2。5勞動(dòng)技術(shù)和質(zhì)量控制措施5.1混凝土澆筑施工1號(hào)試驗(yàn)段施工工藝流程為:主孔鉆進(jìn)※副孔劈孔(或抓斗抓取)※孔形驗(yàn)收※反循環(huán)清孔※清孔驗(yàn)收※下設(shè)預(yù)埋灌漿管※下設(shè)接頭管※下設(shè)澆筑導(dǎo)管※澆筑混凝土(澆筑時(shí)根據(jù)混凝土的凝固情況起拔接頭管)※墻體下部套打孔施工。2號(hào)試驗(yàn)段施工工藝流程為:兩邊單孔槽鉆進(jìn)(沖擊鉆造孔)※孔形驗(yàn)收※清孔※清孔驗(yàn)收※下設(shè)澆筑導(dǎo)管※澆筑混凝土※雙反弧接頭槽導(dǎo)孔鉆進(jìn)※雙反弧鉆頭擴(kuò)孔※孔形驗(yàn)收※清孔※雙反弧刷子鉆頭刷孔※清孔驗(yàn)收※下設(shè)預(yù)埋灌漿管※下設(shè)澆筑導(dǎo)管※澆筑混凝土。5.2沖擊反循環(huán)鉆機(jī)破乳工藝1號(hào)試驗(yàn)段:鉆孔采用鉆劈法(主孔鉆進(jìn),副孔劈打)和鉆抓法(主孔鉆進(jìn),副孔抓取)兩種形式。主孔開(kāi)孔使用沖擊鉆鉆進(jìn),當(dāng)孔深達(dá)5m左右使用沖擊反循環(huán)工藝鉆進(jìn),當(dāng)有漏漿或塌孔發(fā)生時(shí),則暫時(shí)采用沖擊鉆工藝;當(dāng)孔深穿過(guò)泥漿漏失地層時(shí),再改為沖擊反循環(huán)工藝鉆進(jìn);1號(hào)試驗(yàn)段的2號(hào)副孔用沖擊反循環(huán)鉆機(jī)劈孔,4號(hào)副孔上部39m由鋼絲繩抓斗抓取(遇孤石用重鑿或沖擊鉆頭配合沖擊處理)。因漂塊石層內(nèi)大孤石多,再往下抓取進(jìn)度慢、易卡斗體,故39m以下改用沖擊反循環(huán)鉆機(jī)劈孔。2號(hào)試驗(yàn)段:兩邊的單孔槽采用沖擊鉆機(jī)鉆進(jìn),終孔后澆筑混凝土,終凝后再用反循環(huán)鉆機(jī)鉆進(jìn)中間的雙反弧導(dǎo)孔,導(dǎo)孔鉆頭直徑為100cm,導(dǎo)孔終孔后用近弧點(diǎn)為120cm的雙反弧鉆頭擴(kuò)孔,形成一個(gè)近弧點(diǎn)120cm的雙反弧接頭槽。5.3材料使用效果試驗(yàn)共采用了3種造漿材料,即鈣基一級(jí)膨潤(rùn)土、當(dāng)?shù)亓蠄?chǎng)粘粒含量約30%的白粘土、離施工現(xiàn)場(chǎng)約400km的紅粘土(粘粒含量達(dá)90%以上)。3種材料的造漿性能為:膨潤(rùn)土造漿率高、紅粘土稍低、白粘土低。1號(hào)試驗(yàn)段及2號(hào)試驗(yàn)段的雙反弧接頭槽主要為沖擊反循環(huán)工藝造孔,主要使用膨潤(rùn)土泥漿;2號(hào)試驗(yàn)段的兩端單孔槽使用沖擊鉆工藝造孔,主要使用白粘土及紅粘土孔內(nèi)造漿。膨潤(rùn)土泥漿配合比見(jiàn)表3。為保證泥漿質(zhì)量及槽孔壁安全,需對(duì)新制泥漿及孔內(nèi)泥漿進(jìn)行定期檢測(cè),其主要性能指標(biāo)應(yīng)符合表4的要求。5.4吸渣管的控制采用反循環(huán)泵吸法清孔出渣。本工程最大孔深達(dá)102m,要求吸渣泵有足夠的吸程。施工中采用單節(jié)較長(zhǎng)的吸渣管(單節(jié)9m)以減少接頭數(shù)量的措施,在一定程度上減少了泵吸力在接頭處的損失。2號(hào)試驗(yàn)段的雙反弧接頭槽擴(kuò)孔完成后,用刷子鉆頭刷洗掉一期混凝土面上的泥沙及泥皮,以使一、二期混凝土面緊密接觸。5.5整體布置上設(shè)預(yù)埋件墻體混凝土澆筑前,在槽內(nèi)下設(shè)一排帷幕灌漿管。管距150cm,每節(jié)長(zhǎng)12m,每節(jié)在孔口焊接成整體下設(shè)至孔底。1號(hào)試驗(yàn)段下設(shè)3根預(yù)埋灌漿管,2號(hào)試驗(yàn)段在雙反弧接頭槽內(nèi)下設(shè)1根預(yù)埋灌漿管。制作及下設(shè)質(zhì)量控制措施:使用較大直徑的鋼筋制作預(yù)埋管框架以提高其剛度,保證預(yù)埋管架的制作精度,節(jié)間焊接時(shí)保證其垂直度,混凝土澆筑時(shí)控制澆筑速度及導(dǎo)管埋深,以避免預(yù)埋管上浮或彎曲變形。5.6水下混凝土澆筑法混凝土拌運(yùn)系統(tǒng)由1臺(tái)PL800B型配料機(jī)、2臺(tái)JS500型強(qiáng)制式攪拌機(jī)、1部ZX-3HB型配料程序控制系統(tǒng)及混凝土泵組成。該系統(tǒng)具有成本低、易操作、自動(dòng)化程度高、配料精度高等優(yōu)點(diǎn)。采用直升導(dǎo)管法澆筑水下混凝土。澆筑前須對(duì)所有澆筑器具進(jìn)行檢查,澆筑時(shí)控制混凝土塌落度為18～22cm、擴(kuò)散度為34～40cm,澆筑導(dǎo)管埋深在1～6m之間。墻體材料為C20混凝土,施工配合比見(jiàn)表5。5.7土墻接頭加工施工(1)試驗(yàn)工程采用的接頭方式。本試驗(yàn)工程共采用了3種墻段接頭方式:1號(hào)試驗(yàn)段的上部采用拔管接頭、下部采用套接接頭、2號(hào)試驗(yàn)段采用雙反弧接頭。具體方式見(jiàn)圖3。(2)拔管接頭。在1號(hào)試驗(yàn)段的兩個(gè)端孔進(jìn)行接頭管下設(shè)與起拔試驗(yàn)。本試驗(yàn)工程施工中使用的接頭管起拔設(shè)備為中國(guó)水利水電基礎(chǔ)工程局科研所研制的專利產(chǎn)品———YBG1000型液壓拔管機(jī)。1號(hào)試驗(yàn)段槽孔清孔驗(yàn)收合格后,用起重機(jī)對(duì)準(zhǔn)端孔孔位,將外徑100cm的接頭管逐節(jié)下入槽孔中。SY-01-1孔中下入接頭管的深度為61.4m,SY-01-5孔中下入接頭管的深度為72.7m。當(dāng)接頭管底部混凝土澆筑約6h后,即可活動(dòng)接頭管;當(dāng)起拔接頭管的油壓達(dá)到一定起拔壓力時(shí),將接頭管徐徐拔出。在拔出過(guò)程中起拔接頭管的油壓將逐漸降低,當(dāng)油壓低于該起拔壓力時(shí),即暫停起拔,而改用微動(dòng)裝置活動(dòng)接頭管;當(dāng)起拔接頭管的油壓較小時(shí),則不活動(dòng)接頭管。按上述原則逐節(jié)拔出孔內(nèi)接頭管。施工關(guān)鍵控制措施為3點(diǎn):(1)控制接頭管下設(shè)部位的孔形質(zhì)量,孔斜不宜過(guò)大(按孔底偏斜不超過(guò)20cm控制),不能有較大的塌孔空腔;(2)掌握好起拔時(shí)間;(3)拔管機(jī)應(yīng)有足夠的起拔能力。由于本工程地處高寒地區(qū),晝夜溫差大,混凝土凝固時(shí)間的長(zhǎng)短隨環(huán)境溫度的變化而有所波動(dòng)。因此,應(yīng)在混凝土澆筑前進(jìn)行試驗(yàn),以確定混凝土凝固時(shí)間。施工中根據(jù)混凝土凝固情況指導(dǎo)接頭管的起拔,只有這樣才能避免因起拔過(guò)晚而鑄管,或因起拔過(guò)早而無(wú)法形成接頭空腔。(3)套打接頭。SY-01槽混凝土澆筑后,用鉆頭鑿掉端孔下部孔深30～40m(上部孔深60～70m為拔管接頭)混凝土,在一期槽端部形成半圓型混凝土凹面,二期槽混凝土與該面接觸形成墻段間接頭?？刂拼胧?鉆鑿過(guò)程中控制孔斜不能過(guò)大;鉆鑿套接孔與相應(yīng)一期槽端孔造孔偏斜方向應(yīng)基本一致,以保證墻體的套接厚度。(4)雙反弧接頭。在2號(hào)試驗(yàn)段兩端一期槽混凝土澆筑完畢后,中間的雙反弧接頭槽用直徑100cm的鉆頭鉆進(jìn)導(dǎo)孔,終孔后用近弧點(diǎn)120cm的雙反弧鉆頭擴(kuò)孔,以鑿除兩端一期槽混凝土表面的泥石,形成雙反弧型接頭槽,最后在槽內(nèi)澆筑混凝土,完成防滲墻槽段間的連接。主要控制措施:兩邊一期槽端孔孔斜不宜過(guò)大;兩邊一期槽端孔在易塌地層時(shí)采用沖擊鉆工藝施工,以防形成過(guò)大坍塌空腔;雙反弧鉆頭擴(kuò)孔時(shí)需采取防止卡鉆的有效措施。(5)幾種墻段接頭的適應(yīng)性。在孔形質(zhì)量較好并控制好起拔時(shí)間的情況下,拔管質(zhì)量能得到較好保證,并能減少造孔及混凝土工程量,在墻體較深、混凝土強(qiáng)度高的情況下,該接頭方式的優(yōu)勢(shì)更明顯。雙反弧接頭雖能減少造孔及混凝土工程量,但在含孤石及易塌地層中,易在接頭部分形成混凝土“鼓包”。反弧鉆頭鑿除混凝土“鼓包”難度大,鑿除高強(qiáng)度混凝土則更困難。如2號(hào)試驗(yàn)段的一期單孔槽設(shè)計(jì)直徑為100cm,澆筑混凝土?xí)r形成的混凝土樁徑平均為132cm。施工雙反弧接頭槽時(shí),要用雙反弧鉆頭鑿除一期槽每邊多出達(dá)32cm的混凝土難度較大,出露混凝土的鑿除耗用了較長(zhǎng)的時(shí)間。一般情況下,在均勻、無(wú)大顆粒、穩(wěn)定的地層中,成孔時(shí)不易坍塌,孔形質(zhì)量較好時(shí),使用雙反弧接頭較有優(yōu)勢(shì)。鉆鑿法為傳統(tǒng)的接頭方式,其連接質(zhì)量保證率高,但平均每個(gè)槽段平均將增加一個(gè)接頭孔的混凝土及造孔量(一般占工程總量的12%～15%),材料浪費(fèi)及重復(fù)工程量大;在墻體較深、混凝土強(qiáng)度高的情況下,鉆鑿進(jìn)尺慢且不易保證孔形質(zhì)量。6沖擊反循環(huán)鉆進(jìn)工效分析防滲墻試驗(yàn)工程共完成造孔進(jìn)尺1072.2m,其成槽工效有以下特點(diǎn):(1)主孔成槽設(shè)備:主孔施工時(shí)沖擊反循環(huán)鉆進(jìn)比沖擊鉆進(jìn)快,其工效比較情況見(jiàn)表6。(2)副孔成槽設(shè)備:鋼絲繩抓斗抓取副孔比沖擊反循環(huán)鉆機(jī)劈孔工效高,其工效比較情況見(jiàn)表7。(3)施工深度:在深度上分為60m以上、60～80m、80m以下(最大深度102m)3個(gè)深度段?？自缴顣r(shí),鉆進(jìn)工效越低。沖擊反循環(huán)鉆進(jìn)3個(gè)深度段的平均工效分別為3.88m/臺(tái)日、2.12m/臺(tái)日、1.80m/臺(tái)日;沖擊鉆進(jìn)3個(gè)深度段的平均工效分別為2.16m/臺(tái)日、1.66m/臺(tái)日、1.56m/臺(tái)日。(4)墻段接頭:套打接頭工效為3.17m/臺(tái)日,雙反弧接頭工效為3.48m/臺(tái)日,套打接頭與雙反弧接頭工效均較高。其原因是:套打接頭的上部為拔管接頭,套打孔鉆鑿量小,在混凝土強(qiáng)度較高之前已完成套打接頭施工;雙反弧接頭槽兩端的單孔一期槽同時(shí)澆筑混凝土(常規(guī)情況下,其兩端槽孔不同時(shí)澆筑混凝土),雙反弧接頭施工時(shí)兩端一期槽的混凝土強(qiáng)度相同且均處于較低的水平,雙反弧接頭槽施工時(shí)具有進(jìn)尺快、不易偏孔的特點(diǎn)。從上述情況可以看出:無(wú)論何種地層,沖擊反循環(huán)鉆機(jī)比沖擊鉆機(jī)工效高,鋼絲繩抓斗抓取副孔砂層比沖擊反循環(huán)鉆機(jī)劈副孔工效高;無(wú)論何種設(shè)備,工效均隨孔深的增加而降低,當(dāng)孔深超過(guò)60m后工效降低明顯;如采用全孔套打接頭及常規(guī)雙反弧接頭(兩端一期槽不同時(shí)澆筑混凝土),其工效將比本試驗(yàn)條件下的工效有較大幅度的降低。7付款時(shí)7.1鉆孔混凝土芯樣防滲墻試驗(yàn)工程的造孔、清孔驗(yàn)收指標(biāo)均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi),混凝土試件性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求,鉆孔混凝土芯樣無(wú)混漿及夾泥現(xiàn)象。新疆下坂地水利樞紐壩基厚1.0m、深102m的防滲墻試驗(yàn)取得成功,證明以大深度混凝土防滲墻為主墻,下接帷幕灌漿的“上墻下幕,墻幕結(jié)合”壩基防滲處理方案是可行的。7.2紅粘土、造漿率低壩基防滲墻由于地質(zhì)條件復(fù)雜,槽孔深度大,施工中應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土泥漿固壁。紅粘土成本高、造漿率較低,施工中宜不用,或盡量少用;當(dāng)?shù)?號(hào)料場(chǎng)白粘土含沙量較低,泥漿穩(wěn)定性較好,但粘度較低,如在加入增粘劑增加泥漿粘度后,用于堵漏及沖擊鉆主孔造孔具有較好的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。7.3沖擊反循環(huán)鉆進(jìn)下坂地水利樞紐壩基防滲墻的成墻設(shè)備最優(yōu)組合為沖擊反循環(huán)鉆機(jī)、沖擊鉆機(jī)和抓斗。由于地層中漂塊石所