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坝基防渗与灌浆技术(第2版):有效阻止地层渗透

时间:2023-11-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:目前已成为粒状地层的主要防渗手段。大多数“置换型”防渗墙,墙体材料多为普通混凝土、塑性混凝土、自凝灰浆或固化灰浆等,根据地层物料的性质和防渗要求来确定。有时也可采用高喷法,做成“混入型”防渗墙。在我国水利水电工程防渗墙施工中,这是最先采用的一种机型,而且直到现在几乎还离不开它。以往我国所建成的深厚型防渗墙,绝大多数都是用此种机械完成的。

坝基防渗与灌浆技术(第2版):有效阻止地层渗透

这是自20世纪60年代初才迅速发展起来的一种垂直防渗技术。目前已成为粒状地层的主要防渗手段。它不仅可以用作永久性地基防渗,对正在漏水和存在险情的堤、坝进行止漏处理,还可用作对临时施工围堰、基坑的防渗处理,作成建筑物挡墙、防冲墙等等。它的主要优势是:墙的厚度可以得到有效控制,从薄自十几厘米厚至1m以上都可做到,墙段之间结合紧密,几乎达到完全止水的程度,安全可靠。

目前,在防渗墙的施工技术上有了很大发展,出现了很多造墙、造孔的新技术、新方法,而且还在继续发展。在墙体材料方面,有钢筋混凝土、普通混凝土、粘土混凝土、塑性混凝土、自凝灰浆和固化灰浆等。在深度方面,加拿大马尼夸根3号土坝深度达131m,我国小浪底坝最大深度达81.9m。在造孔机具上,有正、反循环冲击钻机抓斗机、链斗(刮板)式挖槽机、射水成槽机、锯槽机、振动板桩、振动切槽、振动沉膜、单或多头深层搅拌机、高喷机等。几乎在各种地层中都可找到认为是适宜的手段和材料建造成各种厚度和深度的防渗墙。

从成墙机理上,可将防渗墙分成两大类型:①置换型防渗墙——将地层中的原材料取出,回填进一种需要的材料。由各种造孔机械先造成泥浆护壁的槽孔,再在其中回填进所需物料形成的防渗墙属于此种。②混入型防渗墙——一般是将水泥浆通过钻孔注入或喷射到地层中,使之与当地材料混合硬结,造成的防渗墙属于此种。

为了方便选用,现在把它分成深厚型防渗墙和浅薄型防渗墙两类,分别简单介绍一下其适用范围和造孔机械。

(一)深厚型防渗墙

大多用在承受水头超过20m、墙深30m以上的大坝和险要地段的堤防工程中。其厚度最小为60cm,多数为80cm,最大为120cm、130cm。为保持在深部墙段连接处有一定的有效厚度,一般是墙越深,墙厚就应越大。大多数“置换型”防渗墙,墙体材料多为普通混凝土、塑性混凝土、自凝灰浆或固化灰浆等,根据地层物料的性质和防渗要求来确定。一般是承受的水头越大、地层透水性越大,要求的防渗标准越高,越倾向采用刚性大的墙体材料。

有时也可采用高喷法,做成“混入型”防渗墙。用高喷法既可用旋喷或多排孔联合做成厚墙,也可用定喷或摆喷做成薄墙。当做成厚墙时,其深度一般不宜大于30m,尽管有些承包商为了商业利益宣称可以在70m、80m深度中造墙,但由于孔斜加大,有效喷射力降低、细粒料不能被充分扬出等原因,已很不可靠。

以下是造槽孔常采用的几种机械类型。

(1)冲击钻。是用绳吊钻头对地层进行垂直冲击的钻孔机械。被冲击成碎屑的岩土混在护壁泥浆中,然后用抽桶排出孔外。这样往复循环,直达预计深度,便造成一个钻孔。一般是隔一定距离先打两个主孔,然后在中间再劈打副孔,由若干个主、副孔连接成一个槽段即槽孔。在我国水利水电工程防渗墙施工中,这是最先采用的一种机型,而且直到现在几乎还离不开它。因它不仅可用于劈打松软的土、砂、砾卵石地层,还能击打粒径很大的漂石(有时需配合水下爆破)和基岩。以往我国所建成的深厚型防渗墙,绝大多数都是用此种机械完成的。目前由我国出产的此种机型主要有CZ—20、CZ—22、CZ—30三种。此种钻机的缺点是进尺较慢,在无大粒径漂石的地层中已多被其它能快速施工的机械所取代。

(2)冲击反循环钻机。钻孔机理与冲击钻相同,区别在于排渣不是使用抽桶,而是用泵通过直通孔底的管道抽出孔外。被抽出的浆渣混合体经净化处理后,净浆再被利用。由于泵的抽吸能力很大,除粒径大于管径的碎屑以外,其余绝大部分都能抽出。这样,就减少了重复破碎工作量,在较洁净的泥浆中钻头的下落速度加快,增加了冲击能,从而使钻进速度大为提高。与纯冲击钻相比,经试验其平均工效(m/台·日)可提高1.6~3.4倍。目前,国产的冲击反循环钻机有中国水利水电基础工程局制造的CZF—1200、CZF—1500型,山东探矿机械厂制造的CJF—15型,外国产的有法国的CIS—15型,日本的KPC—1200型,意大利的MR型等。

(3)抓斗挖槽机。是用带齿、刃的抓斗直接抓取土体开挖成槽的机械。在较松软的均质土、砂、砾卵石层中是目前施工效率最快的一种机型。我国自1980年开始引进在葛洲坝大江围堰施工中采用,有突出的优越性,引进的数量逐年增多,现已得到广泛应用。不过,当遇到大的块石或需深入基岩时,一般还需配合冲击钻机才能成行。根据操作方式的不同,分钢绳抓斗、液压导板抓斗、液压导杆抓斗三种。该种机械价格昂贵,为了充分发挥其效力,目前我国多配合冲击钻采用“两钻一抓”法(先用冲击钻完成两侧的主孔,再用抓斗完成中间的副孔)来完成槽孔。

(4)液压铣开槽机。是法国软土防渗公司1973年研制的,目前法、德、意、日等国都有生产。我国1996年用5千多万元首次从德国(BAUER)公司购进一台,尚未正式使用,但在国外已有许多运用。它的主要优势是,不但可用于一般覆盖层,而且可在一定硬度的岩层中开凿槽孔,深度可达百米以上。如美国(Mud Mountain Dam)20世纪40年代建的一座漏水土石坝的修补中,使用法国软土防渗公司产的12000型液压铣开槽机,有15个墙段的深度超过了100m,最深的墙段达122.5m;有3个坝段穿过安山质集块岩的长度超过30m,另2块穿岩的长度超过50m;槽孔的偏斜率小于2‰。是一种切削动力位于孔底的反循环造孔机,可以开挖槽长2.8m的矩形槽孔,槽宽可达0.6~1.2m。有一个重型钢质切削头,切削头上装有两台由液压马达驱动并作相反方向转动的刀盘。在刀盘的紧上方有一台潜水泵,将护壁泥浆排至地面。液压式动力设备装在一台重型起重机上,由起重机支承并操作切削头。排出的泥浆通过管线进入除砂设施,经处理的新鲜泥浆再返回到槽孔内。装在切削头内的高灵敏度测斜器不断地监测切削头的位置,并将监测数据、刀盘切削扭矩和槽孔深度记录在Micromac微型计算机的磁带和E.npafraisse记录纸上。这些读数通过屏幕显示给操作员,他可通过调整刀盘固定板的位置、改变刀盘的转速对切削头施加导向压力等手段,及时纠正槽孔的偏斜。

(二)浅薄型防渗墙(www.xing528.com)

所谓浅薄型防渗墙,是指一般深度在10~20m左右,最大不超过30m,厚度10~25cm、最大不超过30cm的防渗墙。这类防渗墙除可用作水头较小、总体厚度不超过30m的土石坝的防渗以外,目前主要被用作江、河、湖、海的堤防工程。1998年我国长江松花江等河流相继发生了大洪水,由于在漫长的两岸护堤上存在着堤身隐患、堤基渗漏等问题,使在多处发生险情,只是采取了临时抢险处理,才免除了酿成大患。自1999年以来,党中央、国务院相继做出了加大堤防建设投资力度的决定,自此,长江、黄河、松花江等各大河流掀起了堤防加固的高潮,其中所用的主要防渗措施就是这种浅薄型防渗墙。由于护岸大堤承受的水头大都较小,堤身不高,所需防渗的堤基又无需太深,大都是较均匀的土砂材料,而这种浅薄型防渗墙又施工快速,成本低廉,因此大都采用此种防渗型式。在此形势下,各种造浅薄防渗墙的工艺手段和机具也应运而生,预计还会有更多种涌现。现仅将已得到普遍应用的几种作一简介。

1.置换型浅薄防渗墙

(1)薄型抓斗。与前述抓斗挖槽机的工作原理相同,只是抓斗更薄一些,一般最薄为30cm,有的达到24cm。多为由进口的大的抓斗开槽机经改小抓斗而成,也有我国自行研制的,如中国水利水电基础工程局产的WY—300型薄型液压抓斗机已在长江、珠江、松花江等7、8个堤防工程中应用,造墙207975m2,都取得了成功。此种设备的优势是施工速度快、墙体的连续性好、质量能得到有效控制、能适应堤防工程广大地层。但其费用相对较高,尤其用进口机械改装而成的抓斗费用更高。

(2)射水法造槽。是利用附设在成形器上的喷嘴喷射出高流速的水束或泥浆来破坏土层结构,将土渣混合物用正循环或反循环排出槽外,同时利用成型器下刀具切割修整成槽。此法适用于土、砂层和粒径不大于80mm的砾石层,在稍大的砂卵石层中工效就大为降低。最薄造墙厚度为22cm。槽长只有2m,因此墙的接缝较多,且为平接,这是它的弱点。由福建省水电科学研究所1983年研制成功。

(3)冲击反循环钻机。这是前述(深厚型墙)冲击反循环钻机将钻头改小后在薄墙中的应用。也与射水法的工作原理相似,只是它是用吊板式钻头劈打稍大一些的石块,所以在砾卵石地层中钻进效率基本不受影响。再就是它可以根据需要将槽段任意加长,接缝少且连接可靠。

(4)锯槽机。是一种连续成槽、分段成墙的技术。具有墙体连续性好、施工速度快、造价适中等优点。墙段之间采用柔性材料分隔。由东北岩土工程公司在20世纪90年代研制的DY—40—2型锯槽机,是用一种能作上下往复运动的锯管,以其锯齿尅取岩土,连续成槽。它适用于粒径不大于80mm,标贯击数N≤30的土、沙砾石层,深度在20m以内效率最高,最深可达30m,墙厚最薄可为20cm。

(5)链斗式挖槽机。由黑龙江农垦设计研究院研制成的链斗式挖槽机,为通过电机驱动绕悬臂运动的链条及链条上的链斗连续挖掘出渣,形成连续的槽孔,用柔性材料(如土工膜等)隔开分段浇筑混凝土成墙的一种机械。也可在槽中单独辅设防渗薄膜。挖槽深度一般不超过15m,槽宽为15~30cm。适用于砂壤土层施工,工效较高,也可用于粒径不大于13cm的土砂砾卵石层。

(6)振动切槽(挤压法成槽)。是通过强力振动将板桩或模板挤到土体中,起拔时向腾出的空间注入水泥砂浆或水泥浆成墙的一种技术。具有工艺简单、速度快、造价低、墙体连续性好等优点。适用于粘性土、粉土、松散至中密的砂壤土等地层,处理深度一般不超过20m,墙厚为15~20cm。国内采用的振动锤一般为电动,功率一般不超过90kW,国外采用的液压电动锤功率可达300~500kW,效率更高,且能在砂砾石层中使用。

2.混入型浅薄防渗墙

(1)深搅法造墙。运用深层搅拌桩机将带特制的单头、双头或多头小直径钻孔,把水泥浆喷入土体并搅拌,使水泥与土体混合,经水泥的水解、水化和离子交换等一系列化学反应,硬结成墙。仅1999年一年在长江堤防工程中用此法就造墙98万m2,占已建墙面积的69%,成为大堤防渗的主要手段。其优点是:造价低(90~130元/m2),设备轻便,墙厚为25~30cm时,在深15m范围内墙的完整性可得到保证,20m以下经改进亦可基本保证。适用于细粒料的土砂层及含少量砾石的砂砾石层。

(2)高喷法造墙。利用预先的钻孔或钻喷一体化施工,施加30~40MPa,最高可达60MPa以上的泵给压力,从特制的喷嘴中喷出极高流速的水—气—浆或气—浆流束,以切削破坏土体,将一部分细颗粒土砂扬出地面,另一部分较粗颗粒就地与水泥浆凝结成墙。用此法既可作用定喷或摆喷造成薄墙,也可使用旋喷或多排孔组合造成厚墙,还可运用旋摆结合造成板—桩搭接的合用墙体。它既可用于细颗粒地层,也可用于颗粒稍大的地层,适应性较强。根据1999年长江堤防工程上完成的9.5万m2薄墙的施工经验,此法的造价较高,深度较大(大于20m)时,在深部的连续性令人担忧。

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