超厚型混凝土防渗墙施工综合技术研究及应用

张伯夷，李清平

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司)

1 概况

毛尔盖水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州黑水县境内，为大（2）型混合式单一发电工程。电站采用混合式开发方式，首部枢纽由挡水建筑物、溢洪道、放空洞组成。拦河大坝采用砾石土直心墙堆石坝，大坝坝顶高程为2138.00m，坝顶宽12.0m，最大坝高为147.00m，装机容量420MW。

坝基防渗墙施工平台高程为1997.00m，墙底高程为1940.00m，轴线长194.89m，墙体材料为C₉₀40混凝土，其技术指标为90d强度不小于40MPa，弹模不大于3.25×10⁴MPa，抗渗不小于W12，抗冻不小于F50，最大深度57.0m，墙厚1.4m。防渗墙面积5070m²。

2 工程地质

坝基河床覆盖层以粗粒土为主，且结构不均一，现场抽（注）水试验成果表明，总体上属中等至强透水层，其中第②、第④层含漂卵石层渗透系数平均值为1.83×10^-1cm／s，属强透水层，渗透破坏型式为管涌，第①、第③层为含漂含土砂卵砾石层，透水性相对较弱，渗透系数大值平均值为2.26×10^-2cm／s，属中等透水层，下伏基岩的强风化、强卸荷岩体属强透水；弱卸荷、弱风化上段岩体压水试验透水率大值平均值为19.8Lu，属中等透水，个别段在最大泵量下不升压，反映其局部强透水；弱风化下段岩体透水率大值平均为14.6Lu，其中1～10Lu的占总试验段数的72.6%，总体为中等-弱透水；微新岩体透水率大值平均值为12.3Lu，平均值5.0Lu，其中10～40Lu的有13段，占10.6%，1～10Lu的有67段，占89.4%（其中5～10Lu有18段，占14.6%，3～5Lu有25段，占20.3%，1～3Lu有67段，占54.5），总体上属弱透水岩体，河床段岩体透水率小于3Lu（深度约90m）。水质分析试验资料表明，坝址区河水、沟水水质类型均为HCO₃—Ca²⁺型，pH值=0.1，属弱碱性低矿化度水，对混凝土无腐蚀性。

3 施工难点

（1）毛尔盖水电站坝基地层分布为砂卵石、漂石、孤石层，并局部有架空，成槽施工中极易发生塌槽、漏浆现象，若采用传统的成槽工艺会造成成槽周期长。因此，防渗墙施工成败的关键因素取决于合理的成槽工艺。

（2）由于地层的特殊性，通过前期试验证明采用常规的“钻凿法”接头，防渗墙墙体混凝土充盈系数达1.4，出现混凝土耗量大，施工成本增加的现象。

（3）防渗墙设计墙体混凝土C₉₀40W1 2F50，强度高，若墙段连接直接采用φ1.4m接头管施工，会出现拔管成功率低，易造成埋管事故。

（4）防渗墙最大深度58m，厚1.4m，在国内属首例，无成功经验借鉴，施工工艺需探索。

4 防渗墙施工技术攻关

4.1 槽口段预处理

根据坝基防渗墙轴线地层情况分析，在防渗墙的施工过程中，槽段10m深度以内是防渗墙施工关键部位，它不仅对操作人员有很高的技术要求，同时对施工地层中的地质情况也提出了相应规定（即槽口10m深度内地层凝聚力达10kPa以上，承载力达100～450kPa）。由于坝基防渗墙0～10m深度内具有松动及架空的漂石地层，在槽口浆液反复浸泡下，会造成槽口两侧坍塌，甚至导致该段导向槽整体沉降。

基于上述原因，对坝基防渗墙槽口段的地层进行了预处理。处理方案为沿防渗墙中心轴线按孔距3m预埋花管进行注浆处理。钻机采用成都哈迈YXZ 70钻机跟套管钻进，钻孔孔径114mm。钻进至适宜孔深后，下入φ50花管，然后拔出套管后灌浆。灌浆采用全孔一次性限量法灌注，地质缺陷部位可适当缩短段长。灌浆优先采用0.5∶1的浓水泥浆开灌，若地层吸浆量小，可调整浆液浓度至1∶1并适当加压。注浆量限制在1000L/m内，当注浆量达到1000L/m时，无论注入率大小均结束该孔注浆。

4.2 钻头改进

防渗墙最大深度58m，厚1.4m，采用常规钻头无法一次性成槽（常规钻头口径小，重量轻，施工效率低，满足不了工期需要）。基于此，针对毛尔盖水电站的地质条件和防渗墙的施工特点，仔细研究后，采用直径φ1.0m钢管加焊成直径为φ1.4m的钻头；加工成的钻头与十字钻相比其造孔进尺快、易于控制孔斜。改进型钻头技术要求如下：

（1）在腰身加焊肋板、箍圈，以增大钻头的外切割面。

（2）用材质较好的车用半轴加大管口，保证其工作时的稳定性，同时加大内切割面。

（3）改装提梁和活芯，避免由于钻头重量增加后发生掉钻事故。直径1.0m钢管钻头进行加焊后，由原重3t增加至5～6t。

4.3 成槽工艺革新

国内混凝土防渗墙成槽工艺主要有“钻抓法”“抓取法”和“钻劈法”等。毛尔盖水电站坝基地层分布为砂卵石、漂石、孤石层，并局部有架空，成槽施工中塌槽、漏浆现象非常严重，且成槽周期长，并且浇筑时防渗墙墙体混凝土充盈系数达1.4。为稳定孔壁、加快施工进度，在施工中通过不断的实践、改进，最后在施工摸索中创新了一种“平行钻进”法成槽工艺。其施工方法为：在主孔比副孔深10m时，便开始向主孔内回填黏土，然后钻副孔和小墙，在副孔钻至主孔深度差2m时，又开始钻主孔，如此循环至槽段成槽完成。

“平行钻进”法的主要优点如下：

（1）回填后的黄土在钻孔过程中自然形成护壁泥浆，很好地起到护壁的作用，大大减少了泥浆制备系统的投入。

（2）针对特殊地层，其综合钻进工效较传统工艺有一定的提高，同时最大限度地发挥了钻具对地层的挤密加固作用，可以较好地解决松散地层和强漏失地层的槽段稳定问题。

（3）该成槽工艺施工的槽段质量较好，墙体混凝土其充盈系数可降至1.1。

4.4 墙段连接的新工艺

毛尔盖水电站坝基防渗墙墙较厚，墙体强度高，采用“钻凿法”或“双反弧桩柱法”施工进度慢，套接厚度不易保证。但在国内防渗墙墙厚1.4m也没有采用“接头管法”进行墙段连接的先例。

毛尔盖水电站坝基防渗墙设计墙体混凝土C₉₀40W12F50，7d混凝土强度可达14MPa，若墙段连接采用常规的“钻凿法”接头质量很难保证，如果直接加工φ1.4m接头管施工，由于混凝土强度高，无法保证拔管成功率，容易造成埋管事故。

为提高施工工效，减少接头孔混凝土用量，降低施工成本，本项目创造性地设计了 “拔管扩孔法”的墙段连接方法，其施工方法为：一期槽段混凝土浇筑前下设φ1.0m接头管，待混凝土初凝后采用φ1.4m钻头对接头孔进行扩孔。采用“拔管扩孔法”主要优点如下：

（1）拔管后再进行扩孔，将接头孔扩至1.4m，更易于保证接头孔质量。

（2）通过试验证明，当接头孔孔深均为58.0m时，若墙段连接采用钻凿法，接头孔0～20.0m施工需要8天，20～58.0m需17天，共计25天；而“拔管扩孔法”施工接头孔只需7天时间；比采用钻凿法施工提前18天。

5 质量检查

5.1 钻孔取芯、压水

（1）施工完成后根据规范要求，布置了5个检查孔（其中1个孔布置在槽段连接部位）进行钻孔取芯和压水试验。

（2）检查孔取芯采用XY-Ⅱ地质钻机钻取，钻孔孔径φ150mm。各孔段混凝土芯样采取率均为100%，最长芯样达到6m，芯样表面平整、光滑、密实，无气泡、麻面等现象。

对检查孔芯样进行了抗压强度、弹性模量和抗渗试验，具体试验结果见表1。从表1中可见墙体混凝土各项性能满足设计要求。

表1 防渗墙检查孔芯样物理性能试验成果表

5.2 声波检测

防渗墙声波检测主要采用跨孔波速测试，即发射换能器和接收换能器分别在相邻的两个检测孔内，同时向上移动，由于孔间距是固定的，因此，通过超声波仪器接收到声波在两孔间传播速度，从而计算出两孔间介质的波速。

墙体声波检测委托了黄河勘测规划设计有限公司测试，通过墙体内预埋管测试单元墙段内和槽段间的跨孔声波（共16个单元墙段），检测结果平均波速为v_p=3850m/s，且各测点波速变化幅度不大，表明墙体混凝土质量良好。

6 取得的成果

（1）毛尔盖水电站坝基防渗墙施工使用改进后的钻头及创新的“平行钻进法”施工工艺，能有效提高施工工效，比常规施工方案节约时间3个月，少投入钻机45台。

（2）墙体连接采用“拔管扩孔法”的墙段连接方式，比单纯的“钻凿法”施工接头孔的效率高，节约接头孔混凝土600m³，同时提高了接头孔的施工质量，较单纯采用“拔管法”施工接头孔，降低了施工风险。

（3）革新了一套超厚型防渗墙施工工艺，为超厚型防渗墙在水利水电施工中推广提供了先例。

（4）毛尔盖水电站大坝基础防渗墙，是目前国内一次性成墙最厚最深的防渗墙。通过革新并运用上述超厚型防渗墙施工工艺，在防渗墙延迟开工近3个月的情况下，仅用100天完成防渗墙施工，比业主调整节点工期提前10天完工。