龙湖调蓄工程塑性混凝土防渗墙快速施工技术

李云松，关伟，谢长福

(中国水电基础局有限公司)

1 概述

1.1 工程简介

郑州市引黄灌区龙湖调蓄工程位于郑州市郑东新区—东风渠北、魏河南、中州大道以东、107国道辅道以西。它是一项以郑州市农业灌溉调节水量为主，兼顾生态、景观的综合性水利工程。

根据龙湖水系主池区的总体规划成果，龙湖主池区平面形态类似恐龙，该湖建成以后其水域面积在正常水位85.50m时为5.7km²，其中主池区水域面积为5.6km²，总库容2680万m³，正常蓄水位85.50m，平均水深4.5m，最大水深7m。在调蓄池中心地带设一占地约1.4km²（包括水面，其中陆地面积约1.08km²）的椭圆形湖心岛，在中间区域布置一个椭圆形的中心湖，水域面积约0.32km²，龙湖建成后将成为郑州市郑东新区生态水系的主体水域。

该湖四周防渗处理设计采用塑性混凝土防渗墙，另外在该湖中心计划建设一座商业中心，湖心岛四周也采用塑性混凝土防渗墙截渗。

本工程的主要施工内容为：池区四周及湖心岛的防渗墙施工、池区土方开挖和回填、池湾黏土铺盖，混凝土挡墙钢筋制安和混凝土浇筑等。

1.2 地质条件

龙湖调蓄池位于黄河南岸，地貌单元上属于全新世黄河泛滥冲积平原，总体上西南高，东北低，地形平坦开阔，地面高程在87.00～83.00m之间。平均坡降1%左右。在钻孔揭露的深度内，湖区地层主要为第四系全新统冲积层（alQ₄）和上更新统冲积层（alQ₃）。据地层成因类型、岩性及工程地质特性的不同，把勘探地层划分为5层。除表层0.3～0.5m的耕植层和局部的人工堆积物（Q_s）外，其中1～4层为全新统冲积层（alQ₄），第5层为上更新统冲积层（alQ₃），各土层特征具体分述如下：

①层：以壤土（L）、砂壤土（SL）为主，局部地段上覆人工填土。本层一般厚度0.5～5.3m，浅黄色，潮湿～饱和，稍密～中密，分布不稳定，在湖区分布厚度差异较大，层厚0.70～13.1m。该层局部呈断续状分布，层底高程73.30～84.20m，壤土现场标准贯入试验结果为2～17击，平均值为6.4击，土质松散；砂壤土现场标准贯入试验结果为4～15击，平均值为7.2击，土质松散。

②层：以细砂（Sx）、中砂（Sz）、粉细砂（Sis）为主，浅黄色、灰色，湿-饱和，稍密-中密状，厚度2.5～13.2m，在整个湖区均有分布，层底高程65.4～79.6m，中砂现场标准贯入试验结果为3～56击，平均值为19击，为中等密实；细砂现场标准贯入试验结果为2～60击，平均值为18.5击，土质为中等密实状。

③层：以壤土（SL）、砂壤土（L）为主，灰色、灰黑色，饱和，厚度0.5～7.5m，层底高程66.40～75.70m，该层较薄，在湖区分布不连续，壤土现场标准贯入试验结果为2～19击，平均值为8.0击，土质松散，砂壤土现场标准贯入试验结果为5～28击，平均值为13击，土质基本为中等密实状；细砂现场标准贯入试验结果平均值为39击，土质为密实状。

④层：以中砂（Sz）、细砂（Sx）为主，本层厚度为5.1～17.6m，在整个湖区均有分布，层底高程53.6～68.1m分布较稳定，中砂现场标准贯入试验结果平均值为44击，土质为密实状；细砂现场标准贯入试验结果平均值为39击，土质为密实状。

⑤层：以壤土（L）为主，黄褐色、暗黄色，硬塑-坚硬，含钙质结核，在整个湖区均有分布，渗透系数（室内）平均值7.55×10^-6cm/s，为弱透水层。本层夹有粉质黏土、细砂、砂壤土透镜体。

1.3 设计指标

郑州引黄灌溉龙湖调蓄工程施工二标防渗墙施工总轴线13.3km，设计墙厚0.4m，平均深度约38m，防渗墙成槽工程量约51万m²。整个调蓄池防渗墙轴线的外形为一个恐龙形状，防渗墙的平面布置见图1。

图1 防渗墙平面布置图

防渗墙设计指标为：①墙体厚度不小于0.4m；②孔深要求深入第⑤层细砂层不小于1m；③墙体采用塑性混凝土，抗压强度R₂₈：1.5～5.0MPa，抗渗系数：K≤1.0×10^-6cm/s，弹性模量：500～2000MPa，允许渗透坡降不小于50。

2 主要施工方法

2.1 施工平台和导墙

龙湖调蓄池位于黄河南岸，地貌单元上属于全新世黄河泛滥冲积平原，地层条件相对较好。考虑抓斗成槽对施工平台冲击力不大，采用简易导墙，导墙断面为直角梯形，钢筋混凝土结构，导墙上宽0.3m，下底宽0.5～1.2m、深0.8～1.0m；铺设二层φ22mm钢筋，混凝土强度等级C15。

抓斗施工平台为泥结石结构，根据施工需要进行压实。

2.2 泥浆系统规划

本工程由于施工轴线长且工程施工工期较短，若泥浆池采用传统的混凝土底板，边墙块石砌筑将需要耗费大量的人力物力且不能满足大规模供浆的要求，本工程泥浆池采用了挖掘机按照设计尺寸挖好浆坑后，直接在浆坑底部和四周铺设塑料薄膜。浆坑的设计尺寸一般为：供浆池尺寸（长×宽×深）为：12m×6m×2m（地上0.5m，地下1.5m）；回浆池尺寸为：6m×6m×2m（地上0.5m，地下1.5m）。制浆平台尺寸5m×5m。平均1.5～2km布置一个泥浆池。

浆池低于地面1.5m，内侧根据土质情况修成1∶0.5或1∶0.75的坡，其内侧和底部铺设塑料膜，泥浆池外侧回填顶宽50cm，底宽90～100cm，高40cm的黏土或采用砂袋夯实形成围堤。靠围堤外侧设置高1.2m的防护栏，护栏用1.5吋脚手架管搭设。

2.3 成槽施工与槽孔划分

防渗墙槽段采用纯抓法施工，优质膨润土泥浆护壁，每个槽段分三抓成槽，根据地层条件和成槽工艺，Ⅰ期槽段长为7.5m，Ⅱ期槽段长为8.3m，见图2。

图2 槽孔划分图（单位：m）

防渗墙深入相对不透水层0.5～1.0m，根据设计提供的地质资料和抓斗抓出的土样进行相互对比。当槽孔深度接近设计深度时，即开始不间断地追踪取样，鉴定相对不透水层顶面的深度。

护壁泥浆材料选用河南信阳市勘探专用膨润土厂和湖南澧县湘北膨润土厂生产的膨润土，纯碱作为膨化剂。泥浆性能指标控制见表1。

表1 泥浆质量控制标准

2.4 墙段连接和清孔方法

2.4.1 墙段连接

本工程墙段连接采用“接头管法”，Ⅰ期槽段混凝土浇筑前，在槽段两端下设接头管，浇筑混凝土后，起拔接头管形成接头孔。Ⅱ期槽孔混凝土浇筑前，用专用接头刷清理接头部位后，浇筑混凝土构成地下连续墙体。

接头管下设和起拔，直接用吊车按一定程序完成。

2.4.2 清孔换浆与接头刷洗

清孔换浆采用气举法。Ⅱ期槽终孔后还需进行接头孔的刷洗。接头孔刷洗采用专用钢丝刷，用螺栓将钢丝刷固定在抓斗斗瓣上，在槽内打开斗瓣将钢丝刷贴紧在接头孔壁上并上下升降斗体自上而下分段刷洗。清孔后槽内泥浆性能、孔底沉淀厚度等指标严格按防渗墙规范要求执行。

2.5 混凝土浇筑施工

2.5.1 混凝土配比

通过前期试验，混凝土采用1号配合比，见表2。后期根据工程需要，为改善了混凝土性能，在1号配合比基础上，进行大量试验研究，调整使用了2号配合比，2号配合比中掺加了粉煤灰，降低了水泥和膨润土用量，调整后的2号配合比见表3。

表2 防渗墙混凝土配合比 单位：kg/m³

表3 掺加粉煤灰后防渗墙混凝土配合比 单位：kg/m³

2.5.2 混凝土浇筑

混凝土由HZ-180型搅拌机拌和，罐车运送，采用泥浆下直升导管法浇筑。浇筑导管选用内径φ220～250mm，每个槽孔下设3套导管，导管间距、距孔端距离和导管底口距槽孔底距离严格执行规范标准。

浇筑时3套导管同时均匀下料，保证混凝土面均匀上升。混凝土面上升速度大于2m/h。导管埋入混凝土的深度控制在1.5～6.0m范围内。为使上部混凝土浇筑密实程度有所提高和去除混浆部分，按超浇0.5m控制。

浇筑过程中随时测量混凝土顶面深度并与浇筑混凝土方量核对，准确计算导管的实际埋深，以指导导管的拆卸工作。每个槽孔在浇筑时，对混凝土坍落度和扩散度均进行5～6次测试，控制混凝土的搅拌质量。

3 不良地质段加固处理

3.1 轴线穿越部位砂坑的处理

龙湖防渗墙轴线穿过一些当地群众采砂卖砂形成的砂坑，这些砂坑面积大小不等，最大约65亩，最小约10亩，深度10～12m左右。砂坑内平均水深8～9m，最深达14m。为保证防渗墙顺利施工，通过多种方案比对，确定采用填筑施工平台和采取深搅加固处理方案，平台宽度为防渗墙轴线两侧各10m。

3.2 轴线穿越部位砂坑垃圾场处理

施工区域内分布有大大小小的9座垃圾场（坑），都是采砂后形成的大坑弃填垃圾所形成。由于防渗墙轴线穿过，需要对这些垃圾坑处理后，才能进行防渗墙施工。具体方法是沿防渗墙轴线从一端向另一端或两端相向开挖垃圾土料，开挖宽度为两侧各5m，当开挖至垃圾弃填深度后，回填土料进行碾压并做深搅加固处理。

3.3 深搅桩加固实施方法

砂坑和垃圾场平台填筑后，在防渗墙轴线两侧60cm各布置1排深层搅拌桩，深搅桩直径30cm，采用4头深层搅拌桩机施工，深度达到砂坑底表面以下50cm，桩位布置见图3和图4。

图3 深层搅拌桩平面布置示意图（单位：cm）

图4 深层搅拌桩立面布置图（单位：mm）

选用深层搅拌机SJD-Ⅱ进行深层搅拌桩施工，水泥掺入比12%，回填土层水泥掺量达到52.5 kg/m²。搅拌桩桩体取样，7d无侧限抗压强度平均值为0.57MPa。

砂塘防渗墙平台填筑、深搅加固施工，共完成深搅加固面积8700m²，折合29000m，回填层加固结束，便开展防渗墙施工，回填层未出现塌孔漏浆现象，深搅法加固回填填筑土层效果显著。

4 技术改进

4.1 抓斗斗体改进与工效的提高

对于薄壁液压抓斗来讲，斗体一般较轻，克服坚硬地层效率低。本项目主要选用了金泰SG40A、SG35、宝峨GB30、GB34、三一重工SH400C等型号液压抓斗36台。

地层以砂层为主，且较厚，中细砂层标贯击数平均值为39击，中砂层标贯击数平均值为44击，砂层密实。为最大限度发挥抓斗施工工效，有效克服密实砂层，对抓斗斗体进行了改进，即在每台抓斗斗体上都相应增加斗体配重，每台抓斗斗体重量达到15～17t左右，通过增加斗体重量，使抓斗在砂层成槽工效得到很大提高，单槽成槽时间由38h缩短至30h。提高了工效，节约了成本。表4为不同型号液压抓斗成槽效率统计（以30台抓斗数据为例）。

表4 不同型号抓斗在施工期内平均日工效统计

4.2 泥浆系统改进

鉴于本工程施工轴线长、工期短，泥浆系统迁移较频繁的特点，若采用传统砖混结构砌筑的泥浆池，需耗费大量人力物力。根据工程实际，因地制宜，挖掘机挖坑，直接在坑内侧和底部铺设塑料膜，建造简易泥浆池，使用效果良好，适应了泥浆池短期使用时限的要求，加快了施工速度，降低了工程成本。

5 施工质量检测和成果

5.1 混凝土力学指标检查

混凝土力学指标检查主要采取机口混凝土取样，检查墙体混凝土的抗压、抗渗、弹模和允许渗透比降力学性能指标。

根据《水电水利工程混凝土防渗墙施工规范》（DL/T 5199—2004）的要求，本工程塑性混凝土抗压强度试件按单元工程（槽段）每1个槽段取1组抗压试件；每3个槽段取一组抗渗试件；每10个槽段取1组弹模试件。本工程抗压强度试件共取1745组，抗渗582组，弹模175组，检测结果均满足设计要求。其中，抗压试件的强度平均值为2.8MPa，强度保证率P=95.6%，混凝土均质性达到规范规定的优秀等级。弹性模量平均值1200MPa。抗渗试指标平均值为2.6×10^-7cm/s，允许渗透比降大于50，试验结果均满足设计要求。

5.2 墙体无损检测

无损检测采用弹性波CT成像技术，检测墙体混凝土连续性和完整性。CT成像技术又称层析成像技术，弹性波在被检测体中的传播速度与其构成的成分、密实度等密切相关。根据弹性波CT波速反演结果及波速分布特征，判断防渗墙质量及完整性。在检测点处预埋钢管浇筑混凝土墙体内。预埋钢管布置见图5。

钢管埋设完毕后，当防渗墙墙体达到龄期时，由其中一个孔激发弹性波，另一个孔接收弹性波，在两边之间作出大量交叉的弹性波射线，读取各弹性波射线的初至时间，把每一条射线的激发点坐标、接收点坐标和地震波初至时间输入计算机，使用弹性波CT专用处理软件，将断面之间划分为M×N个混凝土小单元，经计算机多次迭代拟合运算，得到断面上各混凝土单元的弹性波速度，做出声速等值线图和色谱图。根据断面上弹性波速度及分布评价混凝土的质量，判断内部缺陷混凝土及位置。本工程的防渗墙弹性波CT检测的激发和接收间距均为1m。以单点激发多点接收的形式布置扇形观测系统。然后选取适当的单元尺寸、拟合次数、阻尼系数等参数，经计算机多次迭代拟合运算，得到断面上各单元的混凝土速度，作出波速色谱图或波速等值线图。

图5 预埋钢管布置示意图

采用弹性波CT进行墙体质量及完整性检测，龙湖塑性混凝土防渗墙施工轴线总长度约13.5km，按平均约20m为一个检测弹性波检测断面，共划分弹性波CT检测段675段，从检测段结果看，基本上满足设计要求。图6 为N68～N71剖面波速等值线和波速色谱图。

图6 N68～N71剖面波速等值线和波速色谱图

N68～N71剖面波速等值线和波速色谱图，从图上可以看出，防渗墙弹性波速度范围为2000～3000m/s，满足检测范围在2000～3000m/s的标准要求。图像显示墙体塑性混凝土波速正常，未发现明显的低速异常区；判定该剖面防渗墙较完整，混凝土连续性较好。

6 结语

龙湖防渗墙施工二标轴线13.5km，高峰期投入防渗墙抓斗36台，施工场面宏大，通过对斗体配重改造，抓斗施工工效大幅度提高，2011年7月完成了防渗墙月成槽100231m²的国内施工记录，创造了薄型防渗墙抓斗快速施工典型案例。

本工程因地制宜，挖掘机挖坑，坑内侧和底部铺设塑料膜，建造简易泥浆池，效果良好，降低了成本；泥浆系统的改进创新，适应了泥浆池短期使用的时限要求，加快了施工速度。

防渗墙施工后期，通过试验研究，在塑性混凝土配比中掺加了粉煤灰，降低了水泥和膨润土的用量。试验表明，掺加粉煤灰的塑性混凝土不仅能更好改善塑性混凝土性能，而且可减少水泥、膨润土用量，降低工程成本。