利用水下不分散混凝土技術(shù)開發(fā)防滲墻新型墻體材料初探

　　1  前言

　　混凝土防滲墻作為透水地基的一種可靠的垂直防滲設(shè)施，在水利水電工程中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外所采用的混凝土防滲墻墻體材料，主要有剛性混凝土防滲墻和柔性混凝土防滲墻。剛性墻體材料發(fā)展較早，在實(shí)際工程中應(yīng)用也最廣，主要品種有普通混凝土、黏土混凝土、粉煤灰混凝土；柔性墻體材料主要品種有塑性混凝土、自凝灰漿或固化灰漿，目前主要用于臨時(shí)性防滲設(shè)施及深度較小的壩基防滲工程。

　　對(duì)于深厚覆蓋層基礎(chǔ)上的高土石壩工程，大壩與地基防滲體系的可靠性是關(guān)系到大壩安全的關(guān)鍵性技術(shù)問題之一。要滿足混凝土防滲墻墻體的抗?jié)B性和抗裂性要求，墻體材料需要具有良好的性能。墻體材料既要有較高的強(qiáng)度抵抗高應(yīng)力，又要具有良好的柔性能適應(yīng)較大的變形，同時(shí)還要求成墻混凝土材料分布均勻，避免由于施工質(zhì)量波動(dòng)而出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。

　　為了保證工程安全，實(shí)際運(yùn)用中不得不進(jìn)行必要的工程措施，以避免防滲墻在高應(yīng)力和存在缺陷情況下發(fā)生局部損壞而造成失事。例如，馬尼克三級(jí)壩采用兩道防滲墻聯(lián)合防滲；又如小浪底水利樞紐使用摻合土料將斜心墻和上游水平鋪蓋連接起來，對(duì)覆蓋層基礎(chǔ)形成由主壩防滲墻、圍堰防滲墻和水平鋪蓋三屏障聯(lián)合作用的防滲體系。事實(shí)證明，這種多道防滲體聯(lián)合防滲的方法，取得了成功，但是畢竟耗工、耗時(shí)，還要增加大量工程投資。所以，繼續(xù)進(jìn)行防滲墻墻體材料的研究和開發(fā)仍十分必要。

　　經(jīng)初步探索，利用已有二十余年發(fā)展歷史的水下不分散混凝土技術(shù)，將有可能改善防滲墻混凝土的性能。此項(xiàng)技術(shù)具有技術(shù)可靠、操作性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好的優(yōu)點(diǎn)，利用這一技術(shù)有望開發(fā)出具有良好性能的防滲墻墻體材料。

　　2  防滲墻混凝土的特點(diǎn)

　　防滲墻混凝土必須通過直徑較小的導(dǎo)管在泥漿下澆筑，澆入槽內(nèi)的混凝土不可能振搗，完全依靠自重在泥漿底下流動(dòng)充填，因此要求混凝土拌和物具有較好的和易性、保水性、緩凝性等性能。我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》(SL174-96)第5.2.2條規(guī)定：“混凝土墻體材料，入孔坍落度應(yīng)為18～22cm，擴(kuò)散度34～40cm。坍落度保持15cm以上的時(shí)間不小于1h。初凝時(shí)間應(yīng)不小于6h，終凝時(shí)間不宜大于24h。混凝土密度不小于2 100kg/m3?！倍覟榱吮ＷC墻體的均勻性，防滲墻混凝土還必須具有高抗離析性能，使混凝土中各組成材料，尤其是砂石骨料在澆筑過程中能均勻分布。因此，防滲墻混凝土是一種高流態(tài)、高擴(kuò)散、高黏聚性的特種混凝土。

　　防滲墻混凝土是用直升導(dǎo)管法在泥漿下澆筑的，成墻后的混凝土強(qiáng)度比機(jī)口取樣的強(qiáng)度大大降低。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《基礎(chǔ)工程》(BS8004－1986)在第八章水下混凝土中指出：“水下混凝土的強(qiáng)度僅是水上澆筑的同樣混凝土強(qiáng)度的2/3”。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地基與基礎(chǔ)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GBJ202-83)第五章地下連續(xù)墻中第5.2.20條的說明中寫道：“泥漿中澆筑的混凝土由于各種原因的影響，經(jīng)常低于空氣中澆筑混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)在整個(gè)墻面上強(qiáng)度分散性也較大。因此，在施工中一般按此結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)提高5MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)”。國(guó)標(biāo)《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》(GBJ108-87)第6.4.3條條文說明中寫道：“槽孔中的混凝土由于在泥漿下澆筑，施工時(shí)應(yīng)提高混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)30%～40%”。我國(guó)水利部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》(SL174-96)第5.2.2條條文說明中指出：“一般認(rèn)為泥漿下澆筑的混凝土強(qiáng)度只有陸地上澆筑的混凝土強(qiáng)度的70%左右”。

　　3  水下不分散混凝土的特點(diǎn)及特性

　　所謂水下不分散混凝土，就是摻入混凝土外加劑——絮凝劑后具有水下抗分散性的混凝土，它著眼于混凝土本身性質(zhì)的改善，在尚未硬化的狀態(tài)下即使受到水的沖刷也不分散，并能在水下形成優(yōu)質(zhì)、均勻的混凝土體。

　　3.1  水下不分散混凝土拌和物的特點(diǎn)
    (1)有優(yōu)良的抗分散性，可以很大程度地限制由于施工方法和施工條件等原因造成的質(zhì)量波動(dòng)  
    (2)塑性好，在普通的流動(dòng)性范圍之內(nèi)，具有優(yōu)良的自流平性和填充性。
    (3)保水性好，很少產(chǎn)生泌水或浮漿。
    (4)摻入纖維素系列絮凝劑的混凝土較普通混凝土緩凝，在相同條件下，比普通混凝土緩凝約5～10h，而摻入丙烯系列絮凝劑的混凝土其凝結(jié)時(shí)間不變。

　　3.2  水下不分散混凝土的特性

　　3.2.1  強(qiáng)度特性
　　陸上制作的水下不分散混凝土的抗壓強(qiáng)度與普通混凝土基本相同；水下制作的混凝土抗壓強(qiáng)度則隨絮凝劑摻量的增加而增加，在一定的摻量范圍內(nèi)，可以保證強(qiáng)度比為陸上制作試塊的0.8左右。 

　　3.2.2  施工縫特性
　　與普通混凝土相比，水下不分散混凝土泌水較少、混凝土拌和物具有優(yōu)良的抗分散性、自流平性和填充性，有助于改善新、老混凝土間的接觸性能，有利于提高混凝土施工縫部位的強(qiáng)度。

　　3.2.3  靜彈性模量
    由于水下不分散混凝土的黏稠性，單位水泥漿量比普通混凝土多，材料均勻性好，能較好地避免由于分散所造成的骨料集中，所以彈性模量較均勻且有一定下降。

　　3.3  水下不分散混凝土的技術(shù)指標(biāo)
　　 (1)水下不分散混凝土的技術(shù)指標(biāo)見表1。

　　(2)水下不分散混凝土較普通混凝土除彈性模量降低5%～20%、抗?jié)B性極高(＞4MPa)外，其它性能指標(biāo)均符合普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范取值。C20水下不分散混凝土性能指標(biāo)為：
    抗壓強(qiáng)度23.5MPa；軸心抗壓20.8MPa；
    抗折強(qiáng)度4.66MPa；抗拉強(qiáng)度2.94MPa；
    彈性模量21.600MPa；抗?jié)B標(biāo)號(hào)4.0MPa。

　　(3)水下不分散混凝土的外加劑——絮凝劑種類及適用范圍：
    UWB-1，緩凝型，適于長(zhǎng)距離、大體積、連續(xù)澆灌及非連續(xù)澆筑的無施工縫整體工程；
    UWB-2，普通型，適于一般水下工程；
    UWB-3，早強(qiáng)型，適于對(duì)凝結(jié)、硬化有特殊要求的止水、錨固等工程；
    UWB-4，雙快型，用于抗洪搶險(xiǎn)、快速修補(bǔ)及搶修搶建工程；
    UWB-5，注漿型，用于配制穩(wěn)定性水泥漿液，施工水下注漿、固結(jié)工程。

　　3.4  水下不分散混凝土的施工特點(diǎn)
    (1)材料。從調(diào)查研究結(jié)果看，除絮凝劑以外，在一般的工程中可以使用與普通混凝土大致相同的材料。
    (2)攪拌方式。水下不分散混凝土的攪拌方式有兩種，一種是將絮凝劑與水泥、骨料等同時(shí)加入進(jìn)行攪拌；另一種是將絮凝劑與其它材料一起進(jìn)行干拌，而后再加水?dāng)嚢?。攪拌時(shí)間，根據(jù)所用攪拌機(jī)的型式及絮凝劑的種類有所不同。例如：強(qiáng)制攪拌機(jī)須1～3min，可傾式攪拌機(jī)須1～6min。
    (3)運(yùn)輸及澆灌。由于水下不分散混凝土的黏稠性強(qiáng)，與普通混凝土相比，在運(yùn)輸及澆灌中造成材料離析及和易性等的變化較小，同時(shí)水下不分散混凝土的抗分散性較好，不易產(chǎn)生因骨料離析而引起的堵泵、卡管現(xiàn)象，因此水下澆灌混凝土，適于使用混凝土導(dǎo)管、混凝土泵以及開底容器澆注。

　　4  水下不分散混凝土與普通混凝土的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

　　在水下不分散混凝土特性介紹的基礎(chǔ)上，從混凝土的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)水下不分散混凝土和普通混凝土進(jìn)行比較。需要說明的是，在比較分析中使用了一些尚需進(jìn)行針對(duì)性試驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)。

　　4.1  防滲墻混凝土配制強(qiáng)度估算

　　在凈水中澆筑混凝土?xí)r，普通混凝土強(qiáng)度只能保證50%左右，水下不分散混凝土的強(qiáng)度一般不低于陸地上澆筑混凝土強(qiáng)度的80%；在泥漿槽中澆筑混凝土?xí)r，普通混凝土強(qiáng)度可達(dá)陸地上澆筑混凝土強(qiáng)度的70%左右，水下不分散混凝土的強(qiáng)度能保證達(dá)到陸地上澆筑混凝土的90%。這樣，在泥漿下澆筑相同的混凝土強(qiáng)度，使用普通混凝土的配制強(qiáng)度需要提高約30%，而使用水下不分散混凝土的配制強(qiáng)度需要提高約10%。

　　根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T191-96)，混凝土強(qiáng)度保證率為95%，基于施工現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)條件，取試件的抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)δfcu=15%。由于水下不分散混凝土具有優(yōu)良的抗分散性、自流平性和填充性，與普通混凝土相比，水下不分散混凝土的澆筑受施工條件的影響少，施工質(zhì)量波動(dòng)小。所以，在相同的試驗(yàn)條件下，水下不分散混凝土試件的抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)可取為δfcu=12%。

　　現(xiàn)以配制C30墻體混凝土為例，使用規(guī)范推薦的計(jì)算公式，計(jì)算兩種混凝土的配制強(qiáng)度：普通混凝土：ucu,15=fcu,k/(1－1.645δfcu)=1.3×30/(1-1.645×0.15)=52(MPa)   
    不分散混凝土：ucu,15=fcu,k/(1-1.645δfcu)=1.1×30/(1-1.645×0.12)=41(MPa)

　　從上述計(jì)算可以看出，在泥漿槽中施工的條件下，若要得到相同的混凝土強(qiáng)度，使用水下不分散混凝土的混凝土實(shí)際配制強(qiáng)度可較普通混凝土降低27%左右。

　　4.2  彈性模量估算

　　混凝土彈性模量通常隨混凝土抗壓強(qiáng)度的增加而加大。由于混凝土生產(chǎn)配制強(qiáng)度的降低，因此使用水下不分散混凝土可以較普通混凝土的彈模值降低7%左右。

　　另外，使用摻適量絮凝劑的水下不分散混凝土較普通混凝土的彈模值可以降低5%～20%(本例絮凝劑摻量較低，擬定水下不分散混凝土的彈模值可以降低5%)。故在得到相同的目標(biāo)混凝土強(qiáng)度情況下，使用水下不分散混凝土可望較普通混凝土的彈模值降低總量達(dá)12%。

　　4.3  水泥用量估算
　　采用P.O42.5級(jí)(28d強(qiáng)度52.5MPa)，根據(jù)水灰比定則，取A=0.52，B=0.57進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，擬定單位用水量為160kg，進(jìn)行比較計(jì)算。
　　使用普通混凝土：C/W=52/(52.5×0.52)+0.57=2.475， W/C=0.40
　　單位耗灰量：C=160×2.475=396(kg)
　　使用水下不分散混凝土：C/W=41/(52.5×0.52)+057=2.072，W/C=0.48
　　單位耗灰量： C=160×2.035=331(kg)
　　所以，使用水下不分散混凝土可比普通混凝土節(jié)省水泥約65kg/m3。

　　4.4  外加劑用量估算
　　根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)配制高強(qiáng)度的混凝土，需要使用高效減水劑，其摻量一般為0.6%，外加劑量為396×0.006=2.4(kg)。而對(duì)于水下不分散混凝土由于摻入了絮凝劑，混凝土配制時(shí)可不加或少加減水劑，因此減水劑摻量為331×0.003=1.0(kg)。
　　水下不分散混凝土中的絮凝劑推薦使用摻量為0.5%～3%。由于是在泥漿下澆筑，條件較凈水好，取絮凝劑摻量為1%，則絮凝劑量為331×0.01=3.3(kg)。

　　4.5  技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
　　在同樣的條件下，若要得到相同的混凝土強(qiáng)度，使用水下不分散混凝土與普通混凝土的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表2。

　　由表2可以看出，在同樣保證墻面混凝土強(qiáng)度的情況下，水下不分散混凝土的彈模值可以較普通混凝土降低約12%；同時(shí)，水泥用量可以節(jié)省約20%，而減水劑可以節(jié)省約140%，除去水泥用量和減水劑用量減少的差價(jià)外，拌制水下不分散混凝土所要增加的費(fèi)用約27元/m3，較之防滲墻約2 000/m2的造價(jià)，費(fèi)用增加約2%。

　　5  水下不分散混凝土的工程應(yīng)用

　　水下不分散混凝土技術(shù)自1983年傳入我國(guó)以來，在油田建設(shè)、水利水電、抗洪搶險(xiǎn)、污水處理、橋梁、港口碼頭及城建工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用，如大港油田勘探人工島、豐滿電站擋水大壩迎水面全面修補(bǔ)的水下面板防滲墻工程、四川鹽邊縣水電站地下水庫(kù)防滲堵漏工程、錢塘江大堤加固工程等。這些工程都因此達(dá)到了質(zhì)量好、進(jìn)度快、造價(jià)低?，F(xiàn)對(duì)其中的三個(gè)工程作一介紹。 

　　5.1  在豐滿擋水大壩面板防滲墻施工中的應(yīng)用

　　為了解決豐滿擋水大壩壩體和壩基的質(zhì)量問題，豐滿電廠會(huì)同有關(guān)部門自1954年以來，采用了十多種修補(bǔ)措施進(jìn)行處理，但始終未能達(dá)到要求。
　　豐滿電廠會(huì)同設(shè)計(jì)、施工及研究單位，制定了使用水下不分散混凝土作水下面板防滲墻，并對(duì)基底進(jìn)行強(qiáng)夯處理和水下不分散混凝土保護(hù)的施工方案。工程于1995年8月開始進(jìn)行施工，1996年1月施工完畢。面板及護(hù)底面積共約20 000m2，現(xiàn)澆水下不分散混凝土量約30 000m3，混凝土澆筑共歷時(shí)4個(gè)月。經(jīng)強(qiáng)度試驗(yàn)，孔樣平均抗壓強(qiáng)度為22MPa，最低強(qiáng)度達(dá)19MPa，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求(C20)；經(jīng)抗?jié)B試驗(yàn)，其抗?jié)B標(biāo)號(hào)滿足了不低于S12的設(shè)計(jì)要求；經(jīng)孔內(nèi)攝像和超聲波檢測(cè)顯示，施工縫、空洞、蜂窩麻面等缺陷率僅占2%。
　　業(yè)主及施工單位最滿意之處，就是在正常水位的條件下完成了施工，并比較徹底地解決了長(zhǎng)期以來困繞大壩的滲漏問題，施工工期因使用了水下不分散混凝土而大大縮短，工程投資也比以前采用過的多種修補(bǔ)方案節(jié)省。

　　5.2  在鹽邊縣水電站地下防滲墻及大溶洞封堵施工中的應(yīng)用
　　鹽邊縣水電站是從地下水庫(kù)取水至4km外的狼頭山利用落差發(fā)電的電站。地質(zhì)勘測(cè)顯示：該地下水庫(kù)流水孔洞大小及分布不均勻，需從地面鉆孔和開縫對(duì)地下流水孔進(jìn)行水下堵漏和抗?jié)B處理。處理方案為：在空洞集中的部位，從地面鉆孔開槽進(jìn)行整體澆筑防滲墻，防滲墻厚度為1.0m，連續(xù)長(zhǎng)度為300m，深度達(dá)24m，利用吊斗探底開蓋倒灌澆筑水下不分散混凝土；對(duì)大空洞進(jìn)行地面鉆孔水下封堵的措施，根據(jù)水下孔洞的大小由地面開洞，首先拋石塊做護(hù)基，再用導(dǎo)管連續(xù)現(xiàn)澆水下不分散混凝土，封堵分散水流，使水流集中從三個(gè)大溶洞流入引水干管中。
　　水下混凝土澆筑共用二個(gè)多月，完工后鉆孔取樣顯示：對(duì)小溶洞進(jìn)行的地下連續(xù)墻處理部分，縫隙、蜂窩麻點(diǎn)、空洞等缺陷較少；對(duì)大溶洞進(jìn)行的拋石封堵水下澆筑混凝土部分，缺陷相對(duì)多一些，但能滿足地下封堵水流的要求。

　　5.3  在大港油田先導(dǎo)性勘探人工島施工中的應(yīng)用
　　大港油田多目標(biāo)先導(dǎo)性勘探人工島號(hào)稱中華灘海第一島，經(jīng)過全國(guó)專家論證，認(rèn)為這是我國(guó)首例大型海上連續(xù)澆灌水下混凝土工程，難度高，風(fēng)險(xiǎn)大，是代表國(guó)家水平的技術(shù)項(xiàng)目。大港油田淺海公司和鐵十八局在施工后認(rèn)為：用水下不分散混凝土進(jìn)行人工島島壁水下壓艙水下澆筑具有質(zhì)量好、進(jìn)度快的特點(diǎn)，對(duì)縮短海上工期和預(yù)防海上風(fēng)暴潮災(zāi)害十分重要。

　　6  結(jié)論
　　(1)水下不分散混凝土富有黏稠性、流動(dòng)性保持能力強(qiáng)、塑性好、很少秘水或冒漿，具有優(yōu)良的抗分散性、自流平性、填充性和保水性。
　　(2)與普通混凝土相比，水下不分散混凝土的澆筑受施工條件的影響少，施工質(zhì)量波動(dòng)小，能較好地避免成墻目標(biāo)混凝土材料的離析和強(qiáng)度分散，降低缺陷率，能較大程度地減少泥漿下澆筑而使混凝土強(qiáng)度降低。
　　(3)在獲得同等混凝土強(qiáng)度的情況下，使用水下不分散混凝土所要求的配制強(qiáng)度大幅度降低，從而可以節(jié)省水泥、降低混凝土彈模。
　　(4)使用水下不分散混凝土有助于施工縫新、老混凝土之間的接觸性能保持良好。
　　(5)水下不分散混凝土的發(fā)展已有二十余年的歷史，近十余年來，在我國(guó)已經(jīng)得到了廣泛的推廣使用，其技術(shù)成熟、可靠，可操作性強(qiáng)，使用常規(guī)的施工設(shè)備即可完成混凝土澆筑。
　　(6)在獲得同樣的混凝土強(qiáng)度的情況下，混凝土的生產(chǎn)成本約增加27元/m3，與防滲墻造價(jià)相比，費(fèi)用增加比例約2%，所以其性價(jià)比指標(biāo)較好。

　　綜上所述，在防滲墻工程中引進(jìn)水下不分散混凝土技術(shù)將有顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)實(shí)意義，有必要在該技術(shù)基礎(chǔ)上開展相關(guān)的試驗(yàn)研究，以在防滲墻墻體材料技術(shù)上取得進(jìn)步，并促進(jìn)高壩深厚覆蓋層基礎(chǔ)防滲墻設(shè)計(jì)與施工技術(shù)水平的提高。