我国的混凝土防渗墙建设始于20世纪50年代末期。1958年在山东青岛月子口水库首次建成了我国第一座桩柱式混凝土防渗墙。共完成直径60cm的桩柱959根,在斜墙土坝的坝踵形成了一道长742m、深20m、有效厚度达43cm的防渗墙。它的施工是利用冲击钻机起吊钻杆和十字钻头进行钻进,膨润土泥浆固壁,正循环出渣。
1959年,密云水库指挥部、清华大学、水电部北京勘测设计院等单位在学习国外混凝土防渗墙的基础上,在北京密云水库创造出了一套以钻劈法建造槽孔防渗墙的新方法,仅用7个月就修建了一道长953m、深44m、厚0.8m的槽孔式防渗墙,成墙面积1.9万m2。它的施工是利用冲击钻即通过钢丝绳起吊十字钻头进行主孔钻进,副孔劈打,泥浆固壁不循环,用大直径抽砂筒抽砂出渣。这道防渗墙的建成开创了我国防渗墙施工技术的先河,劈钻法成为我国混凝土防渗墙至今沿用的传统施工方法。
表1-1 国外部分混凝土防渗墙工程特性表
续表
1960年3月,水利电力部在密云水库召开了砂砾石地基防渗处理现场会,总结交流了混凝土防渗墙的建设经验。为了规范混凝土防渗墙的施工,1963年水利电力部水电建设总局编制颁发了我国首部防渗墙技术规范《水工建筑物砂砾石基础槽孔混凝土防渗墙工程施工技术试行规范》。它的颁发施行,进一步推动了混凝土防渗墙技术的发展。1979年、1996年水利水电行业主管部门两次对防渗墙规范进行修订,形成了《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》(SL174—96)水利行业标准。该规范及时地总结了混凝土防渗墙技术发展的成果,对指导我国水利水电行业防渗墙的施工,推广应用新技术、新材料和新工艺、保证工程质量起到了重要作用。
北京崇各庄水库黏土斜墙坝上游原已修建的水平防渗铺盖在运行后不久便失效,1965年增设一道长920m,最大墙深20m,面积达12860m2的混凝土防渗墙后,解决了渗漏问题,显示了混凝土防渗墙的优越性。
1967年,我国首次在四川大渡河上的龚嘴水电站大型土石围堰用防渗墙作防渗设施。上、下游围堰是在水中抛填砂卵石、碎块石堆筑而成,截流后在高出水面的堰体和覆盖层上造孔建防渗墙。该围堰高35m,覆盖层深45m,防渗墙最大深度达52m,厚0.8m,上下游围堰防渗墙总面积达12382m2。这一工程是我国水利水电工程围堰应用防渗墙的先例。
在20世纪60年代末期,我国许多混凝土闸坝工程为了避免深厚覆盖层大开挖,在闸坝前缘修建混凝土防渗墙,解决渗漏问题。如四川岷江的映秀湾水电站和渔子溪拦河闸工程,都在深山峡谷,巨石散布在覆盖层中,有些孤石粒径达10m以上,施工创造了泥浆下岩石表面聚能爆破和钻孔爆破方法,解决了大漂石的钻进问题。这些防渗墙的建成,为在大粒径漂卵石地层中修建防渗墙积累了宝贵的经验。
混凝土防渗墙作为我国病险土石坝加固处理始于1965年。首先在甘肃的金川峡水库大坝中应用。该水库大坝建防渗墙前坝高21m,建墙后大坝加高至35m。到20世纪70年代广泛应用于病险土石坝中,建成10余座混凝土防渗墙,主要有1974年建成的广西澄碧河水库、甘肃黄洋河水库、江西柘林水电站、广西洪潮江水库、北京北台上水库、辽宁南城子水库等大坝除险加固工程。柘林水库坝体防渗墙最大墙深65.2m,墙厚0.8m,防渗墙总面积达30000m2,是当时我国规模最大的防渗墙。1977年建成的甘肃碧口水电站大坝,坝基采用两道防渗墙防渗,最大墙深分别为41m和65.5m,总面积达11955m2,其上游墙厚1.3m,是当时国内厚度最大的防渗墙。
20世纪80年代,我国的混凝土防渗墙建成20余座。万里长江第一坝——葛洲坝水利枢纽于80年代初建成,大江围堰采用混凝土防渗墙作为防渗设施。防渗墙最大深度达47.3m,厚0.8m,防渗墙总面积达74421m2,其规模是80年代最大的。该墙首次引进了日本液压导板抓斗挖槽,首次进行了拔管法施工防渗墙接头的试验,并取得成功。1986年建成的四川铜街子水电站左深槽防渗墙,兼作明渠导流墙基础的承重墙。承重墙设两道,其间用5道横墙连接,主墙厚1.0m,最大墙深74.4m,其深度创当时国内纪录。同时,铜街子防渗墙创造了防渗墙兼承重墙的先例。
20世纪90年代,我国建成混凝土防渗墙近40余座,混凝土防渗墙技术有了突破性进展。这一时期研究发展了塑性混凝土防渗墙,1990年首先应用于十三陵抽水蓄能电站尾水隧洞进口围堰和福建省水口电站临时围堰工程中,1992年首次在山西册田水库南副坝除险加固工程中成功应用于水利水电永久性工程,为我国土石坝工程应用塑性混凝土防渗墙奠定了良好的基础。
1992年建成的四川宝珠寺水电站左岸下游护坡钢筋混凝土防冲墙,墙长156m,墙深37.0m,墙厚1.4m,成墙面积4671m2,下钢筋笼345t,浇筑水下混凝土7850万m3。这道防冲墙是迄今为止我国最宽的槽孔墙,它有效地解决了在基岩中建造宽墙的施工难题。
1998年,我国采用了液压铣槽机、抓斗等高效机械和先进工艺,完成了国内综合难度最大的三峡工程二期围堰防渗墙。它的成功标志着我国的混凝土防渗墙技术已基本摆脱了依靠传统的冲击钻时代,迈入了液压机械时代,专家鉴定该项施工技术和工程实践总体上达到国际领先水平。
1997年在四川冶勒水电站完成了我国至今最深的混凝防渗墙墙段的试验施工。该墙段深100m,长7.8m,墙厚1.0m,由一个槽孔、一个单孔和一个双反弧接头孔组成。这个试验的成功,为我国混凝土防渗墙施工打破100m深度的纪录奠定了基础。该工程右岸基础处理的设计提出了“140m深的防渗墙+70m深灌浆”方案,其中140m的防渗墙分两段施工,中间通过防渗墙施工廊道连接,下墙与廊道整体连接,上墙与廊道的连接型式按彼此施工先后顺序分为两种:一种是先墙后廊道的嵌入式或接触式连接;另一种是先廊道后墙的帷幕式连接。该工程廊道内施工的防渗墙最大设计深度为78m,墙厚1.0m,墙长302m,防渗墙面积为21000m2。施工廊道为6m×6.5m(宽×高)城门洞型。该工程2003年5月开始施工,实际施工最大深度为84.85m,创造了国内20世纪90年代混凝土防渗墙施工最深的纪录。
1998年建成的小浪底水利枢纽主坝混凝土防渗墙是我国已建水利水电工程最深的防渗墙,该墙最大墙深81.9m,墙厚1.2m,墙长407.4m,成墙面积15626m2。该墙使用了钢丝绳抓斗挖槽,以先期施工的塑性材料垂直短墙作为墙段间的接头,连接可靠,施工简便,工效高,是对墙接头施工的发展。
到目前为止,我国混凝土防渗墙成墙面积最大的要数2003年建成的河北省黄壁庄水库副坝除险加固工程。该坝型为水中倒土坝,坝高19.2m,坝基覆盖层由第四系冲洪积物组成,深32~49m,存在渗漏和渗透稳定问题,除险加固工程设计采用坝顶组合垂直防渗方案,即结合坝顶裂缝处理,将坝顶临时下挖一定深度形成足够宽度的施工平台,然后向下做一道防渗墙,垂直贯穿坝体和坝基覆盖层进入基岩。防渗墙总长4860m,最大墙深66.5m,墙厚0.8m,成墙面积271500m2。由于坝基基岩存在岩溶溶沟、溶洞及覆盖层存在强透水带等地质灾害,防渗墙施工期间,发生了较大漏浆681次,较大范围的塌坑7次,最大一次发生在2002年3月4日,塌陷中心深度12.1m,塌陷方量近4000m3。塌陷事故发生后,河北省水利水电勘测设计研究院、中国地震地壳研究所等单位的专家们给予极大关注,采用多种物探方法,查明塌坑影响范围、塌坑深度、查找渗漏通道、分析塌陷原因、提出处理措施,做了大量工作。中国水利水电基础工程局在塌坑处理中使用的“圆孔回填大块石夯击挤压推进填塞漏浆通道”方法对处理严重地层漏浆取得了明显效果。黄壁庄副坝防渗墙施工塌陷处理的经验教训在类似工程中值得吸取。
20世纪90年代后,我国的混凝土防渗墙技术有了新的突破,2006年建成的四川省狮子坪大坝防渗墙工程共创造了五项国内防渗墙施工纪录,即最深的造孔和成墙纪录(101.8m),最深的水工混凝土防渗墙拔管纪录(深93.5m,直径为1.0m),最深的防渗墙钻孔取芯纪录(91.73m),最陡的防渗墙嵌岩纪录(超过85m)和最深的双排灌浆预埋管下设纪录(101.8m)。
墙段接头技术是防渗墙施工的一个难点,国内以往一直以钻凿法为主,这种方法工效低,消耗大。中国水利水电基础工程局科研所经过多年的研究开发出一种新型拔管机,并获专利技术,该技术先后在黑龙江尼尔基水库、河北省黄壁庄水库、西藏直孔水电站、新疆下坂地水利枢纽、四川省狮子坪水电站等防渗墙施工中成功应用,最大拔管深度为93.5m,创造了世界防渗墙施工拔管的最深纪录。
20世纪80年代初期,国内开始对防渗墙墙体材料进行系统的研究,陆续研制成功了适用于低水头闸坝或临时围堰的固化灰浆、自凝灰浆材料,适用于中低水头的大坝和临时围堰的塑性混凝土,适用于高坝深基防渗墙的高强混凝土,以及后期强度较高的粉煤灰混凝土。
黏土混凝土防渗墙在20世纪90年代以前用的较多,占到已建防渗墙的70%左右,如密云、毛家村、十三陵、斋堂、澄碧河等水库的混凝土防渗墙都掺入了一定的黏土。但黏土混凝土的变形模量仍然大大高于周围土体,仍属于刚性墙体材料。
塑性混凝土是用黏土和(或)膨润土取代普通混凝土中的大部分水泥形成的柔性材料。我国在20世纪80年代中期开始研究这种材料,1990年首次用于十三陵抽水蓄能电站尾水隧洞进口围堰和福建水口水电站临时围堰,1991年首次应用于山西册田水库南副坝永久工程中。(www.daowen.com)
1985年,我国的大亚湾核电站由法国地基公司施工,做成了我国第一道自凝灰浆防渗墙。该墙是为了保证一面临海、三面环山的“核岛”基坑开挖(深12m)而修建的,长约1004m,最大深度为16m,墙厚0.8m。自凝灰浆的28d抗压强度不低于0.2MPa,渗透系数为10-6cm/s。由于我国的水利水电工程在修建防渗墙时遇到的地层大部分为砂卵砾石层,槽孔的钻凿时间不易准确控制,因此我国尚未有采用自凝灰浆防渗墙工程的先例。
表1-2 防渗墙墙体材料性能的一般适用范围
表1-3 国内部分混凝土防渗墙工程特性表
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1985年年初,中国水利水电基础工程局首先在四川铜街子水电站现场试验成功固化灰浆防渗墙。此后,分别在一些工程中应用。因固化灰浆强度低,使接头孔的工效大大提高,应用于临时围堰便于拆除。由于它的强度和弹性模量均较小,限制了应用范围。
进入21世纪,我国的塑性混凝土防渗墙技术得到很大发展,尤其在土石坝除险加固工程中得到普遍应用。据不完全统计,2000年至今,我国建成混凝土防渗墙50余座,近半数为塑性混凝土防渗墙,标志着塑性混凝土防渗墙在我国已经得到广泛的推广应用,也是国内防渗墙墙体材料的发展趋势。
2004年,国家发展和改革委员会发布了《水电水利工程混凝土防渗墙施工规范》(DL/T5199—2004)电力行业标准。该规范是在总结国内混凝土防渗墙的施工新技术的基础上并结合国外工程经验编制的,反映了当代我国混凝土防渗墙施工技术的发展和水平。不同种类的墙体材料有着不同的性能,适用范围也不同,其材料组成、施工方法及造价也各不相同,应根据具体用途和工程条件选择墙体材料。墙体材料各项性能指标的匹配应合理可行,否则在施工中难以兼顾各项性能要求,既造成资源浪费,又难于保证工程质量。我国根据大量工程实践总结出的防渗墙墙体材料的一般适用范围见表1-2。
总之,40多年来,我国的混凝土防渗墙技术从吸收引进到自主创新,循序渐进,不断发展。据不完全统计,我国水利水电工程已建混凝土防渗墙达200余道,总面积达180余万m2,其中塑性混凝土防渗墙总面积达63余万m2。我国的防渗墙技术整体上已接近国际先进水平,有的工程已达到国际先进或国际领先水平。我国许多混凝土防渗墙工程的难度在世界上是罕见的。
通过收集大量资料整理的国内大部分混凝土防渗墙工程特性见表1-3。
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