毛尔盖水电站超厚防渗墙施工技术研究

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【摘 要】 随着防渗墙施工技术日益完善及施工机械不断更新，我国防渗墙施工水平已与世界先进水平接近。毛尔盖水电站坝基防渗墙墙厚1.4m，最大墙深58m，工程量4500m2，该段防渗墙为国内目前墙最厚且相对墙厚中最深的防渗墙，在国内属首例，无成功经验借鉴。

【关键词】 防渗墙施工 墙厚1.4m 在国内属首例 无成功经验借鉴 施工难度大 地质结构复杂

1 工程概况

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，黑水河中游红岩乡至俄石坝河段，是黑水河流域水电规划二库五级方案开发的第3梯级电站，该电站为大（2）型混合式，单一发电工程。

坝基防渗墙施工高程为1997.00m，底程为1940.00m，轴线长194.89m，墙体材料为C40混凝土，其技术指标为：90d强度≥40Mpa， 弹模≤3.25×104Mpa，抗渗≥W12，抗冻≥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②、④层含漂卵石层渗透系数大值平均值为1.83×10-1cm/s，属强透水层，渗透破坏型式为管涌；第①③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，反应其局部强透水；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；如图1。河床段岩体透水率小于3Lu的深度大概为90m左右，防渗帷幕垂直深度应据此进行渗流计算而定。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=6.1，属弱碱性低矿化度水，对砼无腐蚀性。

3 主要施工方案简述

造孔主要采用“钻劈法”和“平行钻进法”成槽工艺、“直升导管法”浇筑砼，考虑防渗墙墙较厚，且C40砼强度较高，接头孔采用“钻凿法”施工进度缓慢。为提高施工功效，防渗墙墙段连接采用Φ1.0m的接头管法进行施工，砼初凝后采用直径1.4m的钻头对接头孔进行修孔，保证接头孔径满足设计要求。

4 防渗墙施工

4.1 导向槽修建

导墙、倒浆平台、排浆沟、沉渣池均采用C20砼浇筑。上、下游侧导墙宽均为1.0m、深2.0m，槽口宽度为1.6m，挡墙内布置7根Φ20钢筋主筋，Φ10箍筋间距为3.0m。导墙应平行于防渗墙中心线，其允许偏差为±1.5cm；顶面高程允许偏差为±2cm；待砼达到一定强度后，再铺设钻机轨道。如图2。

4.2 孔口段预处理

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以内是防渗墙施工关键部位，它不仅对施工人员提出了很高的技术要求，同时对地质情况也作了相应规定（即：孔口10m的范围内地层粘聚力达10KPa以上，承载力达100～450KPa）。由于坝基防渗墙0～10m段是具有松动及架空性的漂石地层，且槽口浆液的紊流洗刷，将造成两侧槽壁坍塌，甚至导致该段导向槽整体沉降，引发重大的机毁人亡事故。

因此，对坝基防渗墙孔口地层进行相应的预处理必不可少：沿防渗墙中心轴线按孔距3m采用花管注浆法进行注浆处理。灌浆孔钻孔孔径为114mm，采用一台21m3/min空压机供给风力，使用成都哈迈YXZ-70钻机跟套管钻进。钻进至要求孔深后，下入Φ50钢管加工成的花管，然后拔出套管。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。当注浆量达到1000L/m时，无论注入率大小均结束该孔注浆。

4.3 造孔

4.3.1 造孔设备

防渗墙钻孔设备主要选用CZ-6D型钢丝绳冲击钻机，其针对本工程地层渗透性强和漂石、孤石等含量高，岩石硬度大的特点有较好的适应性。

4.3.2 造孔方法

防渗墙造孔采用“钻凿法”和“平行钻进法”相结合成槽工艺。同一槽孔遵循先主孔钻进，后钻副孔成槽的原则。奇数孔为主孔，偶数孔为副孔。每个槽段划分为三主两副，主孔1.4m，副孔1.3m～1.6m。防渗墙共划分22个槽段，每个槽段布置两台钻机。

4.3.3 终孔控制

墙体嵌入基岩不小于1.0m，主孔或副孔基岩取样方法为抽筒捞碴法。防渗墙造孔过程中严格按照设计地质资料进行控制，接近基岩面时每隔0.5m取样一次，当相邻两主孔高差大于1.0m时，副孔应取样鉴定，若某个槽段所取芯样不易判断时，采用岩芯钻在相邻副孔钻孔取芯进行论证。

4.3.4 泥浆护壁

防渗墙施工时采用当地粘土回填槽段、湖南澧县膨润土制浆对槽段进行护壁。浆液外加剂为就近化工厂生产的工业碳酸钠（Na2CO3） 和正电胶。

4.4 清孔

本工程采用气举反循环及配套的泥浆净化机（如图3）的方法进行清孔（如图4），一个单孔清孔完毕后，移动钻机或吊车逐孔进行清孔；如果槽段各孔孔深不同时，清孔次序为先浅后深。为满足在孔深60m范围内，能将孔内钻渣顺利通过气举管排出孔外，通过实际清孔过程中不断的调试，特将气举管底部进行加工及确定混合器（如图5）的位置，最终一个57m深的槽段进行清孔仅用约5h的清孔时间。

4.5 混凝土浇筑

4.5.1 混凝土浇筑

采用直升导管法（Ф250mm）水下浇筑混凝土。采用8m3混凝土搅拌运输车送到槽口储料槽，由分料斗进导管入槽孔进行浇筑施工。

混凝土运输采用拌和车装料和运输需注意以下几点：

（1）装料前检查搅拌罐中有无冲洗后的积水，防止污染混凝土。

（2）浇筑前对拌和车经过的道路进行整修，保证拌和车平稳运输，防止因道路崎岖过渡颠簸导致混凝土离析。

（3）混凝土运至槽口后，设专人指挥倒车、放料，保证混凝土顺利入槽。

（4）在浇筑过程中，控制各导管均匀下料，并根据混凝土上升速度起拔导管，导管埋入混凝土的深度宜在1.0～6.0m之间。混凝土上升速度应不小于2.0m/h的要求。

4.5.2 钢筋笼下设

防渗墙的顶部6m范围内设有钢筋笼，钢筋笼竖向钢筋顶端要求达到高程1989.50m以上。其他各项允许偏差为：主筋间距±1.0cm，箍筋和加强筋间距±2.0cm，钢筋笼长度±5.0cm，钢筋笼弯曲度不大于1%。钢筋笼底端垂直钢筋加工成微闭合状。在钢筋笼上安装定位垫板，保证保护层的厚度。

4.5.3 墙段连接

“接头管法”是目前防渗墙施工接头处理的先进工艺，采用接头管法施工的接头孔孔形质量较好、圆弧规范、孔壁光滑、易于刷洗，可以确保接缝施工质量和搭接厚度。

5 防渗墙施工技术攻关

5.1 钻头的改进

防渗墙最大深度58m，厚1.4m，在国内属首例，无成功经验借鉴，施工工艺需自己探索。没有合适的钻头可选用，常规钻头不仅口径小无法一次性成槽，而且重量轻，施工效率低，满足不了工期需要。针对毛尔盖的地质条件和防渗墙的特点，仔细研究选择1.0m的管钻头；与十字钻相比其造孔进尺快、易于控制孔斜。通过分析钻具的冲击力度和在造孔过程中的磨损部位，以及其工作时的受力情况，主要从以下几方面对钻头进行改进：

（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，避免由于钻头的重量增加后发生掉钻事故。1.0m的管钻头进行加焊，改进后的管钻头，由原重3T加肋板等，重量增加至5～6T。

5.2 钻机的改装

复杂的地质条件，必须选用适应性较强的冲击钻机造孔，但钻头加大后，常规的设备无法匹配。造孔设备选用河北生产的ZZ-6A型钢丝绳冲击钻机，由于钻具改进后，重量增加一倍，一旦发生轻微卡钻或埋钻事故，该型钻机便处于满负荷运行状态，容易加大槽段事故程度，此外钻机负荷过大，动力系统和冲击系统常常损坏，使用成本大大增加，成槽周期增长。为保证钻机的使用安全和满足1.4m厚墙的施工需要；在反复研究钻机的图纸后，主要从以下几方面对钻机进行改装：

（1）改装动力系统，电动机由出厂的55KW改换为75KW。

（2）加固冲击臂，加固桅杆，使其适应加重钻头的施工。

（3）增加钻机施工平车，将钻机从出厂的9T改为13T，确保其在造孔作业时的稳固性。

5.3 成槽工艺的创新

国内混凝土防渗墙成槽施工主要采用的方法有“钻抓法”、“抓取法”和“钻劈法”等。毛尔盖坝基防渗墙的地层大部分为砂卵石层并且夹杂有细砂层，局部有架空，传统的造孔工艺根本无法成槽，塌槽、漏浆现象非常严重，成槽质量也很差，浇筑时混凝土充盈系数达到1.4，严重浪费混凝土。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新的一种成槽工艺，即采用“平行钻进”法。其施工方法为：先钻取主孔至终孔深度后全孔回填粘土，然后施工副孔，副孔施工领先小墙3-5m，然后小墙平行跟进施工。

“平行钻进”法的主要优点：

（1）回填的黄土在钻孔过程自然形成护壁泥浆，很好的起到护壁的作用，大大减少了泥浆制备系统的投入。

（2）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，混凝土浇筑施工时，其充盈系数降至1.1。

5.4 墙段连接的新工艺

毛尔盖水电站坝基防渗墙墙较厚，且为高强度的C40砼防渗墙，采用“钻凿法”或“双反弧桩柱法”施工进度慢、套接厚度不能保证。但在国内1.4m厚的防渗墙中采用“接头管法”进行墙段连接属首例。

为提高施工功效，减少接头孔混凝土用量降低施工成本，仔细研究后，将接头管在原Ф0.8m的基础上改进成Ф1.0m，将拔管机改进同时加大液压站，使其最大起拔力度可达400T。因此，本项目采用新研究的“拔管扩孔法”进行墙段连接，其施工方法为：墙段连接采用改进后Ф1.0m的接头管进行施工，砼初凝后用Ф1.4m钻头对接头孔进行修孔。施工过程控制：浇筑第一车料时在机口取样作水下混凝土试块，掌握混凝土的初凝时间以确定拔管时间；其次接头孔的垂直度也是影响拔管的主要因素，下管后通过在槽内填沙袋对接头管纠偏。

主要优点：

（1）接头孔孔型质量好、圆弧规范、易于刷洗，可确保接缝质量；拔管后再进行修孔，将接头孔扩至1.4米，满足设计要求同时更好的保证了接头孔质量（类似于土建施工中的砼凿毛）。

（2）通过试验证明：接头孔孔深均为58.0m，墙段连接采用钻凿法，接头孔0.0m至20.0m施工需要8天，20.0m至58.0m需17天，共计25天；而墙段连接采用“拔管扩孔法”只需7天时间；比采用钻凿法施工提前18天完成，大大缩短了施工时间，有效的降低了施工成本。

6 质量检查

6.1 钻孔取芯、压水

（1）取芯孔分别布置在BF-3槽段3号孔（坝0+175.789m，取芯长度14.5m）、BF-7槽段的3号孔（坝0+198.389m，取芯长度29.5m）、BF-13槽段3号孔（坝0+234.789m，取芯长度45.5m）、BF-19槽段3号孔（坝0+269.589m，取芯长度30.0m）。墙段接缝取芯孔布置在BF-8槽段5号孔（坝0+207.889m，取芯长度4.5m）和BF-16槽段的1号孔（坝0+248.489m，取芯长度11.0m）。

（2）检查孔取芯采用XY-Ⅱ地质钻机钻取，孔径Ф150mm。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。

（3）在6个检查孔中进行了压水试验检查，试验成果透水率最大值为0.07Lu，最小值为0，满足不大于1Lu的设计要求。

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

6.2 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t，从而计算出两孔间介质的波速Vp。如表2。

委托黄河勘测规划设计有限公司对防渗墙墙体混凝土质量进行了声波测试，通过墙体内预埋管测试单元墙段内和墙段间的跨孔声波，共检测了16个单元墙段，提出了《大坝防渗墙及帷幕灌浆检测阶段性成果分析自检报告》，结论为100%的测点Vp>3500m/s，平均波速大于3850m/s，墙体混凝土质量良好。

7 取得的成果

（1）毛尔盖坝基防渗墙施工使用改进后的钻机及钻头，及采用“平行钻进法”进行成槽，大大提高施工功效，比常规施工节约施工时间约3个月（较原投标计划），施工设备投入20台，较原投标计划少投入45台套。

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

（3）通过使用泥浆净化机循环使用护壁泥浆，在原材料使用上极大的降低了成本。

（4）创建了一整套成功施工1.4m厚、58.0m深防渗墙的施工工艺，为超厚型防渗墙在水利水电施工中的普及运用奠定基础；可为今后类似的工程提供重要的经验数据。

毛尔盖水电站大坝基础防渗墙5070m2，墙厚1.4m，最大墙深58m，是目前国内一次性成墙最厚最深的防渗墙。项目部员工克服了施工技术要求高、施工质量控制难度大、工期紧、强度高等困难，科学组织施工，在防渗墙晚开工近3个月的情况下，仅用约100天顺利完工，不仅创造了国内超厚型防渗墙的施工奇迹，而且施工质量处于良好受控状态，受到了业主、设计及监理单位的高度赞扬。

作者简介：张伯夷：（1976-），男，汉族，四川南充人，1998年毕业于四川大学，现任中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司副总

工程师兼项目经理，一级建造师、水利造价师。主要从事水利水电工程施工、地基与基础工程施工等方面的工作。

徐跃斌：（1960、11～），男，四川眉山人，四川农大水工专业，本科，项目经理，长期从事水利水电工程施工与技术管理。

李清平：（1981-），男，汉族，四川宜宾人，2004年毕业于四川电力职业技术学院，现在中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有

限公司，主要从事水利水电工程施工、地基与基础工程施工方面的工作。