防渗墙施工技术

西藏旁多水利枢纽坝基158m深防渗墙施工技术

韩伟

中国水电基础局有限公司

孔祥生

中国水电基础局有限公司

石峰

中国水电基础局有限公司

张聚生

中国水电基础局有限公司

王学松

中国水电基础局有限公司

骆涛

西藏旁多水利枢纽工程管理局

周昭强

西藏旁多水利枢纽工程管理局

洛桑旺扎

西藏旁多水利枢纽工程管理局

赖昭万

西藏旁多水利枢纽工程管理局

朱田胜

西藏旁多水利枢纽工程管理局

1 引言

西藏旁多水利枢纽坝基覆盖层深度超过424m，根据钻孔及施工揭示，坝基覆盖层是由一套形成于不同地质时期、不同地质作用、物质组成各异、层次结构复杂的陆源沉积物组成。深厚覆盖层坝基一般结构松散，漏失严重。本工程防渗墙深度要求达158m，国内外尚无成功的先例，常规防渗墙施工技术已无法满足工程需求，因此必须将其列为重点并在施工过程中进行一系列新的探索和实践。特殊的地理位置、复杂的地层结构、特定的地质条件给本次施工带来极大困难的同时，也给相应的研究工作奠定了良好的基础。

本次施工及相应技术研究工作，特别注重深厚覆盖层防渗墙施工工艺的探索及关键技术研究，尤其是槽孔稳定机理、泥浆性能以及垂向滑膜、排渣、水下混凝土浇筑等关键技术的深入探索，以及新材料、新工艺的应用，使之形成系统的、科学的、行之有效的深厚覆盖层防渗墙施工技术，满足158m深防渗墙设计要求，改变传统的“上墙下幕”设计、施工理念，从而使我国深厚覆盖层防渗墙的设计和施工技术取得了长足的进步。

2 工程概况

旁多水利枢纽工程坝址位于西藏拉萨河中游，地处林周县旁多乡下游1.5km，下距拉萨市直线距离63km。其开发任务以灌溉、发电为主，兼顾防洪和供水。枢纽主要由碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝、泄洪洞及泄洪兼导流洞、发电引水系统、发电厂房和灌溉输水洞等组成（图1），为Ⅰ等大（1）型工程。坝址控制流域面积16370km²，水库总库容12.3亿m³，正常蓄水位4095m，灌溉面积67万亩，电站装机容量160MW，大坝坝顶高程4100m，最大坝高72.30m。

坝基防渗墙轴线沿沥青混凝土心墙轴线布置，防渗墙轴线全长1073m，设计成墙面积12.5万m²左右。防渗墙工程分两期施工，一期、二期分界处桩号为0+758.60，一期导流期间主要施工左岸漫滩和阶地地基防渗工程；二期导流期间主要施工右岸预留约210m宽河床部位地基防渗工程。

3 工程地质条件

坝址区河流流向为SE向，河谷底宽约700m，谷底高程4027～4034m。河水面宽100～110m，水深1～3m。正常蓄水位4095m时，谷宽1020m，河谷呈不对称U字形。河床靠近右岸，右岸漫滩、阶地发育不完整。左岸漫滩发育，宽约550m，三级阶地明显，阶地前缘高出河水面分别为7m、14m和38m。

坝址区属高山地形，两岸山顶高程5300m左右。右岸山坡大部分基岩裸露，局部为混合土碎（块）石覆盖，高程4060m以下坡角较陡，为50°左右；高程4060m以上坡角变缓，为30°左右。左岸高程4240m以下为混合土碎（块）石覆盖，坡角较缓，为15°左右；高程4240m以上基岩裸露，坡角大于45°。

左坝头至左岸Ⅲ级阶地上部，覆盖层厚约10～35m，主要为崩坡积混合土碎（块）石、碎（块）石混合土及坡洪积混合土碎（块）石、碎（块）石混合土等；左岸Ⅲ级阶地、Ⅱ级阶地覆盖层厚约35～150m，主要为坡洪积混合土碎（块）石、碎（块）石混合土、冲积卵石混合土和冰水积卵石混合土等，其中冰水积卵石混合土厚约30～100m。下伏基岩为花岗岩等。

左岸河漫滩覆盖层厚约75～420m，上部为冲积卵石混合土，厚约20～50m；下部为冰水积卵石混合土。下伏基岩为花岗岩，中等风化带厚度约为20～30m。

河床部位覆盖层厚约10～75m，上部为冲积卵石混合土、下部为冰水积卵石混合土。下伏基岩为花岗岩、熔结凝灰岩等，花岗岩与熔结凝灰岩呈熔融接触，中等风化带厚度约为10～20m。

右岸山坡覆盖层不厚，基岩为闪长玢岩、熔结凝灰岩，熔结凝灰岩出露于山体坡脚，闪长玢岩与熔结凝灰岩呈熔融接触，中等风化带厚度约为30～120m。

河床部位岩体多为弱透水岩体，局部为中等透水岩体，右岸坝肩0～10m为中等透水岩体，10m以下为弱透水岩体。

施工中揭示的地质条件与前期设计阶段大体一致，主要区别在于：①左岸河漫滩、阶地段基岩埋深远大于150m，有些部位甚至超过424m；②覆盖层中广泛分布有漂石透镜体、粉细砂透镜体、孤石透镜体等特殊地层。因此，给超深防渗墙施工带来了极大挑战。

4 主要设计要求

旁多水利枢纽坝基防渗墙施工轴线桩号为0-120.00～0+953.00，全长1073m。其中桩号0+159.00～0+669.00（轴线长510m）范围内坝基覆盖层厚大于152m，采用混凝土防渗墙悬挂防渗处理，最大设计孔深158m；其余覆盖层厚度小于152m，均采用混凝土防渗墙全封闭防渗处理，入岩深度不小于1m，河床段最小施工孔深80.72m。防渗墙厚度1m。防渗墙主要设计指标见表1。

5 主要施工设备

设备能力是满足158m深墙施工的基本保障。本工程混凝土防渗墙的主要施工机具为：利勃海尔HS875HD重型钢丝绳抓斗、HS885HD重型钢丝绳抓斗、金泰SG40重型液压抓斗、利勃海尔HS843HD钢丝绳抓斗、CZ-A或ZZ-6A型冲击钻机、YBJ-800/960型大口径液压拔管机。

（1）HS875HD重型钢丝绳抓斗，最大提升力为60t，杆长50m，斗体重20t，具备200m深槽的施工能力。

（2）SG40重型液压抓斗，额定抓取深度60m。经现场技术改进后，最大施工深度为106m，已经接近设计能力的2倍。通常情况，在这种地质条件下最大抓取深度只有40～50m。

（3）HS843HD钢丝绳抓斗，最大提升力为50t，实际杆长19m，施工时最大深度为149.3m。

（4）CZ-A或ZZ-6A型冲击钻机，钻头最大可达到8t，最大冲程1m，施工时最大深度为210m。

6 施工工艺

本工程防渗墙施工采用“钻抓法”，局部结合“钻劈法”造孔成槽。混凝土浇筑采用泥浆护壁、气举清孔、泥浆下直升导管法。墙段连接采用接头管法，浅槽段采用钻凿法。

6.1 孔口高程及施工平台

孔口高程及施工平台的加固对防渗墙施工至关重要，但这又是极易被忽视的问题，并由此导致灾难性后果。

根据拉萨河水文情况，按20年一遇洪水标准，孔口高程确定为4033.80m，较原设计4032.00m抬高了1.80m。正因如此，避免了2010年8月25日特大洪水可能导致的灾难性后果。防渗墙顺利施工的前提条件是孔口稳定，而其三要素是：浆柱压力、地层结构、浆液性能。假如汛期地下水位距孔口不足1m或漫过孔口，亦即浆柱压力很小或为负值，则易导致大范围槽孔坍塌。

施工平台加固与孔口高程的确定是同一个问题，达到相同的目的，即稳定槽孔。施工平台的加固有多种方案可供选择，包括碾压、高喷、灌注桩、灌浆、深层搅拌等，视地质条件等进行技术经济比较，本工程采用了水泥+黏土+碾压。即将导墙底部松散地层，如粉细砂、腐殖土等先予以清除，然后用水泥+黏土置换，再进行碾压。由此大大提高了施工平台的稳定性，为后续施工奠定了坚实的基础。

6.2 槽段划分

根据工程特性，综合考虑地层特点、墙体深度、设备能力等，以保证槽孔稳定为准则，一期、二期防渗墙槽段划分如下：

0+350.00～0+758.60段。采用“一期小槽、二期大槽”的原则，即一期槽槽段长为4m，分为2个主孔和1个副孔，主孔长1m、副孔长2m；二期槽槽段长为7m，分为3个主孔和2个副孔，主孔1m、副孔2m，见图2（a）。

0+146.00～0+350.00段。为加快施工进度，兼顾地层特点，一、二期槽槽段长均为7m，分为3个主孔和2个副孔，主孔1m、副孔2m，见图2（b）。

其余左岸段防渗墙及河床段。由于左岸段场地限制，不便大型抓斗展开施工，二期河床段防渗墙，则因地质条件相对复杂，或地层更为松散，不宜做大槽孔。两者一、二期槽槽段长度均为6.6m，主孔1m、副孔1.8m，见图2（c）。

6.3 成槽方法

结合地层、施工强度、设备能力等综合考虑，防渗墙成槽采用“钻抓法”，局部结合“钻劈法”造孔成槽。

主孔：采用ZZ-6A（或CZ-A）型冲击钻机钻凿成孔。

副孔：孔深100～110m以内采用利勃海尔HS843HD钢丝绳抓斗或金泰SG40重型液压抓斗抓取，孔深100～110m以下采用利勃海尔HS875HD/HS885HD重型钢丝绳抓斗抓取，入岩采用ZZ-6A型冲击钻机钻凿。

一期槽孔的端孔混凝土拔管后形成二期槽孔的端孔，待相临一期槽孔施工完后再施工二期槽孔。

6.4 固壁泥浆

泥浆的各项性能指标在防渗墙造孔成槽直至混凝土浇筑整个过程中起着至关重要的作用。它不仅制约着成墙深度，影响着施工进度，对接头管的起拔、混凝土浇筑以及墙体质量的控制也甚为重要。

本工程所用泥浆为一种新型浆液——JCJ/MMH正电胶泥浆，借以提高泥浆的固壁效果和泥浆的动切力（携带岩屑能力）、静切力（悬浮岩屑的能力），以保证浇筑过程的顺利进行，并确保墙体质量满足设计要求。

虽然泥浆成本较大，但有效地抑制了槽孔坍塌以及由此带来的卡斗、卡钻、埋斗、埋钻等孔内恶性事故的发生，并保证了工期及施工质量。

6.5 墙段连接

接头管法是目前混凝土防渗墙施工接头处理的先进技术，本工程接头管起拔采用中国水电基础工程局有限公司研制的YBJ-800/960型大口径液压拔管机。

根据混凝土浇筑速度和混凝土初凝时间，逐节进行接头管起拔。为保证接头质量，在接头管起拔结束后，利用钻机对800mm接头孔进行扩孔施工，对960mm接头孔进行扫孔。

7 施工技术及工序质量控制

深墙施工技术主要体现在特殊地层的处理上，包括松散易坍塌地层（如漂石层等）、孤石层、粉细砂层等，以及泥浆性能、孔形孔斜控制、清孔技术、混凝土浇筑及拔管施工、深部小墙清除等。这些关键技术或工序直接关系到工程进度、墙体质量，甚至工程的成败。

7.1 松散易坍塌地层的处理

如何有效抑制松散地层坍塌，以及由此引起的掉块卡钻、卡斗等，是超深（＞100m）防渗墙施工遇到的首要问题。本工程冲洪积漂（卵）砾石层和冰水积层具有结构松散、渗透性强等特点，造孔时泥浆会大量漏失，严重时会发生槽孔坍塌事故，危及人员、设备安全，延误工期。对此，采取如下处理措施：

（1）开钻前先向导向槽孔内注入新鲜MMH正电胶泥浆。这项工作/工序主要基于泥浆固壁机理的认识和室内模拟试验，本工程是首次采用这一措施。本次施工实践证明，开钻前首先注入新鲜泥浆起到很好的堵漏、防塌效果。在以往的工程中，假如上部地层松散，通常采用回填黏土挤压密实方法，但效果甚微。其主要原因是对泥浆固壁机理认识不够。泥槽孔稳定不仅靠外泥皮，而且更是依靠稳定/稳固体系的形成，它由“外泥皮+桥塞区+侵染区”构成（图3）。本措施特别有利于构建这一体系，因此孔口坍塌问题得到了有效遏制。在整个施工过程中，仅在早期供浆能力不足，使用黏土造孔时产生过2次孔口坍塌。

（2）使用新型浆液——低固相不分散的JCJ/MMH正电胶泥浆固壁。这种泥浆是中国水电基础局有限公司针对特殊地层研究的新型泥浆，其主要性能特点，一是稳定性，“MMH-水-黏土复合体”在浆液中是一种空间稳定剂，这种稳定体系可以提高泥浆的切力，对于携带和悬浮泥浆中的钻屑十分有利，亦即有利于清孔并保证未被清除的岩屑在较长时间内不下沉；二是固-液相间特性会在孔壁形成“滞留层”，对解决砂层和松散的漂砾石层坍塌问题甚为重要。在四川田湾河水电站首次试验，泸定水电站开始部分应用，本工程造孔、清孔、混凝土浇筑过程中则全部采用了JCJ/MMH正电胶泥浆，效果较好。

（3）由于松散强漏失地层孔隙大，在冲击钻或抓斗施工副孔过程中往往产生急速泥浆渗漏，浆面下降，造成槽孔坍塌。为解决这一突出问题，施工中采用了“单向压力封堵剂”、“复合堵漏剂”等特殊泥浆，并向主孔内回填黏土、钻屑等方法，有效地封堵了大孔隙地层，并加快了施工进度，提高了抓斗抓取深度。

7.2 粉细砂地层的处理

某种程度上，粉细砂层比孤石层的处理难度更大，关键在于很难控制其液化、坍塌。在孔深22～38m不等，存在粉细砂透镜体，PD137号、PD163号槽曾发生过坍塌，坍塌范围从孔深17m至38m。通过泥浆性能及工艺的改变，粉细砂层坍塌问题得到有效遏制。施工时的处理方法是：

（1）增加正电胶掺量。正电胶独特的触变性以及“滞留层”的存在，使得在施工粉细砂层时，降低了设备对其扰动，从而保持了相对稳定状态；正电胶显正电性，粉细砂、钻屑及自然界矿物等带负电，因此泥浆更容易向孔壁两侧地层扩散，形成更广的桥塞区、侵染区，并吸附在孔壁上，使其相对稳定。

（2）调整施工方法。当抓斗施工到粉细砂地层时，抓斗停止施工，改用冲击钻机造孔，并向孔内填入大量生石灰，以增加泥浆悬浮能力，使粉细砂抽出孔口。

7.3 孤石层的处理

从整个施工揭示的地层情况看，孔深20～158m分布有厚度不一、成因不同、层数不等的孤石层，尤以0+146.00～0+290.00、0+563.00～0+756.00段居多。施工中主要采用重锤法、钻孔爆破法等，更广泛使用的是重锤法。遇到孤石后，首先选用平底钻（重4.5t左右）冲击，当难以破碎时再改用HS843HD或HS875HD抓斗配重锤冲击破碎。

7.4 孔形、孔斜控制

孔形、孔斜控制对158 m深墙施工而言属重要技术难题，尤其对存在大量漂石、孤石等特殊地层更是如此。

施工中主要是及时测量、及时修孔、及时纠偏，即发现孔形不好或孔斜时，及时采用修孔器、钻具加焊耐磨块，或回填与探头石近似硬度的漂石、块石等予以纠偏，否则接头管不能顺利下设，无法保证墙体连接质量。此外，尽可能降低混凝土早期强度，使接头孔混凝土便于凿除也是弥补接头孔孔斜问题，确保墙段搭接质量的重要技术措施。

从已经检测浇筑的槽段来看，接头管95%下设到底，最深达158m。如有5～15m无法下设到底，则采用钻凿法完全可以保证墙体搭接厚度和搭接质量。孔斜率控制在0.06%～0.15%，最大未超过0.18%，远低于《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》和设计要求。

7.5 小墙清除

小墙的存在将严重影响施工质量，但因槽孔深达158m，使清除小墙显得尤为困难。施工中采用先在副孔中部打一钻，然后用抓斗抓取的方法，亦即副孔当主孔施工，小墙用抓斗清除。这样，提高了抓斗的抓取深度，保证了墙体质量。

7.6 混凝土浇筑及拔管施工

混凝土浇筑及拔管施工是每个槽段最后也是最关键的环节，它关系到槽段的工程质量乃至整个防渗工程的成败，故给予了高度重视。

7.6.1 混凝土浇筑

混凝土浇筑过程控制是墙体质量的重要保障。其主要影响因素包括：①清孔质量——降低含砂量（＜1%），远低于设计要求（6%）；②泥浆质量——保证其足够的静切力，使其未清除的岩屑在浇筑过程中悬浮在泥浆中而不下沉；③孔口封闭——浇筑过程中混凝土不得未经导管直接落入槽孔；④保证冬季施工中混凝土入仓温度不小于5℃；⑤及时清除上部絮凝泥浆。

混凝土的和易性抑或相关成分的兼容性直接关系到混凝土浇筑是否顺畅及墙体质量。因防渗墙深度大，浇筑导管长，结合泸定、田湾河等工程深墙施工经验，为减少或避免混凝土浇筑过程中可能发生的“堵管”和接头管“铸管”现象，在配合比设计过程中十分注重各种原材料的兼容性，在很大程度上降低了“堵管”和“铸管”几率，避免了混凝土黏结力对接头管起拔的不利影响。

7.6.2 拔管施工

影响拔管施工的因素众多，如混凝土原材料的兼容性、混凝土的和易性、孔形、孔斜、混凝土上升速度、混凝土初凝时间的掌握、接头管埋深、起拔压力控制、清孔质量、泥浆质量等。某个细小环节控制不好都有“铸管”或“拔塌”的可能。这是一项风险极大但又必须如此的施工工艺。

施工中，一般以压力为主要控制指标，辅以管体埋深、混凝土初凝时间控制。拔管压力控制在10～17MPa，管体埋深大于35～50m，初凝时间在13～15h。

拔管设备采用YBJ-800/960型大口径液压拔管机，起吊设备采用60t履带吊。

从整个一期槽接头管施工情况来看，最大拔管深度158m，成孔率达96.6%，因此确保了墙段搭接厚度和墙体连接质量。

7.7 泥浆性能控制及使用

对新制及重复利用泥浆性能予以控制并进行经常性检测，是维护槽壁稳定、保证混凝土浇筑顺畅及墙体质量的关键。泥浆性能主要控制指标见表2。

表2中各项性能控制指标均严于国内规范要求并优于国际标准。对于清孔、混凝土浇筑、接头管起拔、墙体质量起关键作用的是动切力、静切力、动塑比及含砂量。动切力大、动塑比高则有利于清除槽孔中岩屑，提高清孔效率；静切力大则有利于悬浮清除的岩屑。

新制泥浆主要用于清孔及上部15～20m易坍塌地层，重复利用泥浆主要供中下部地层使用。特殊槽段新制泥浆用至40m左右，以确保孔壁稳定。此外，尤为重要的是浇筑前泥浆指标的控制，一要保证含砂量≤1.5%；二要保障泥浆有足够的静切力。

8 墙体质量检测

0+157.30～0+663.00深墙段（孔深152.00～158.47m）完成后，对墙体质量进行了系统检测，包括钻孔取芯、压（注）水试验、声波检测及混凝土试块检测等。结果表明，墙体抗压强度、抗渗指标、墙体连接、混凝土均匀性、孔底淤积等完全满足设计及规范要求。不足的是墙顶絮凝物较常规防渗墙厚，但可通过人工凿除、明浇混凝土予以解决。

9 结语

旁多水利枢纽坝基158.47m超深防渗墙施工实践表明：

（1）孔口高程及施工平台的加固，是超深防渗墙施工的重要前提条件。孔口高程应高于施工期最高地下水位2m，以确保浆柱压力及槽孔稳定。施工平台加固是必须的，可视上部地层条件选择合理的加固方案。

（2）槽段划分不宜过小，如一期槽段4m已偏小，合理的槽段长度应为6.6～7m。副孔长度以1.8～2m为宜，极为特殊地层除外。槽孔的稳定要通过泥浆性能、浆注压力等予以解决。

（3）槽壁稳定体系（“外泥皮+桥塞区+侵染区”）的提出并得以应用，由此打破了长期以来开孔时添加大量黏土“稳定孔壁”等传统施工工艺的束缚，使整个施工过程中未发生槽孔坍塌、掉块、卡钻、卡斗等恶性孔内事故。

（4）低固相不分散的JCJ/MMH正电胶泥浆因其独特的固-液相间特性及超强的动切力、静切力等性能，可作为超深防渗墙施工的首选浆液。施工中可根据具体地质条件添加“单向压力封堵剂”、“复合堵漏剂”等。

（5）施工过程中，对泥浆性能的适时检测非常必要，即使是重复利用泥浆也要随时检测，以保证孔壁稳定。本次施工特别注重了清空换浆后的泥浆性能，尤其要有足够的静切力，这样才能保证未被清除的岩屑在长达数十小时的混凝土浇筑过程中不下沉，这对保证墙体质量是非常关键的。

（6）接头管能否顺利起拔是超深防渗墙施工的另一关键技术。其成功与否不仅是通常认为的起拔时间和压力的掌控，还包括孔形、孔斜、混凝土原材料的兼容性以及清孔效果、泥浆的静切力（悬浮岩屑能力）等的掌控。