利用水下不分散混凝土技术开发防渗墙新型墙体材料初探

　　1  前言

　　混凝土防渗墙作为透水地基的一种可靠的垂直防渗设施，在水利水电工程中已经得到了广泛的应用。国内外所采用的混凝土防渗墙墙体材料，主要有刚性混凝土防渗墙和柔性混凝土防渗墙。刚性墙体材料发展较早，在实际工程中应用也最广，主要品种有普通混凝土、黏土混凝土、粉煤灰混凝土；柔性墙体材料主要品种有塑性混凝土、自凝灰浆或固化灰浆，目前主要用于临时性防渗设施及深度较小的坝基防渗工程。

　　对于深厚覆盖层基础上的高土石坝工程，大坝与地基防渗体系的可靠性是关系到大坝安全的关键性技术问题之一。要满足混凝土防渗墙墙体的抗渗性和抗裂性要求，墙体材料需要具有良好的性能。墙体材料既要有较高的强度抵抗高应力，又要具有良好的柔性能适应较大的变形，同时还要求成墙混凝土材料分布均匀，避免由于施工质量波动而出现薄弱环节。

　　为了保证工程安全，实际运用中不得不进行必要的工程措施，以避免防渗墙在高应力和存在缺陷情况下发生局部损坏而造成失事。例如，马尼克三级坝采用两道防渗墙联合防渗；又如小浪底水利枢纽使用掺合土料将斜心墙和上游水平铺盖连接起来，对覆盖层基础形成由主坝防渗墙、围堰防渗墙和水平铺盖三屏障联合作用的防渗体系。事实证明，这种多道防渗体联合防渗的方法，取得了成功，但是毕竟耗工、耗时，还要增加大量工程投资。所以，继续进行防渗墙墙体材料的研究和开发仍十分必要。

　　经初步探索，利用已有二十余年发展历史的水下不分散混凝土技术，将有可能改善防渗墙混凝土的性能。此项技术具有技术可靠、操作性强、经济指标好的优点，利用这一技术有望开发出具有良好性能的防渗墙墙体材料。

　　2  防渗墙混凝土的特点

　　防渗墙混凝土必须通过直径较小的导管在泥浆下浇筑，浇入槽内的混凝土不可能振捣，完全依靠自重在泥浆底下流动充填，因此要求混凝土拌和物具有较好的和易性、保水性、缓凝性等性能。我国行业标准《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》(SL174-96)第5.2.2条规定：“混凝土墙体材料，入孔坍落度应为18～22cm，扩散度34～40cm。坍落度保持15cm以上的时间不小于1h。初凝时间应不小于6h，终凝时间不宜大于24h。混凝土密度不小于2 100kg/m3。”而且为了保证墙体的均匀性，防渗墙混凝土还必须具有高抗离析性能，使混凝土中各组成材料，尤其是砂石骨料在浇筑过程中能均匀分布。因此，防渗墙混凝土是一种高流态、高扩散、高黏聚性的特种混凝土。

　　防渗墙混凝土是用直升导管法在泥浆下浇筑的，成墙后的混凝土强度比机口取样的强度大大降低。英国标准《基础工程》(BS8004－1986)在第八章水下混凝土中指出：“水下混凝土的强度仅是水上浇筑的同样混凝土强度的2/3”。我国国家标准《地基与基础工程施工及验收规范》(GBJ202-83)第五章地下连续墙中第5.2.20条的说明中写道：“泥浆中浇筑的混凝土由于各种原因的影响，经常低于空气中浇筑混凝土的强度，同时在整个墙面上强度分散性也较大。因此，在施工中一般按此结构物的设计标号提高5MPa进行设计”。国标《地下工程防水技术规范》(GBJ108-87)第6.4.3条条文说明中写道：“槽孔中的混凝土由于在泥浆下浇筑，施工时应提高混凝土设计标号30%～40%”。我国水利部发布的行业标准《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》(SL174-96)第5.2.2条条文说明中指出：“一般认为泥浆下浇筑的混凝土强度只有陆地上浇筑的混凝土强度的70%左右”。

　　3  水下不分散混凝土的特点及特性

　　所谓水下不分散混凝土，就是掺入混凝土外加剂——絮凝剂后具有水下抗分散性的混凝土，它着眼于混凝土本身性质的改善，在尚未硬化的状态下即使受到水的冲刷也不分散，并能在水下形成优质、均匀的混凝土体。

　　3.1  水下不分散混凝土拌和物的特点
    (1)有优良的抗分散性，可以很大程度地限制由于施工方法和施工条件等原因造成的质量波动  
    (2)塑性好，在普通的流动性范围之内，具有优良的自流平性和填充性。
    (3)保水性好，很少产生泌水或浮浆。
    (4)掺入纤维素系列絮凝剂的混凝土较普通混凝土缓凝，在相同条件下，比普通混凝土缓凝约5～10h，而掺入丙烯系列絮凝剂的混凝土其凝结时间不变。

　　3.2  水下不分散混凝土的特性

　　3.2.1  强度特性
　　陆上制作的水下不分散混凝土的抗压强度与普通混凝土基本相同；水下制作的混凝土抗压强度则随絮凝剂掺量的增加而增加，在一定的掺量范围内，可以保证强度比为陆上制作试块的0.8左右。 

　　3.2.2  施工缝特性
　　与普通混凝土相比，水下不分散混凝土泌水较少、混凝土拌和物具有优良的抗分散性、自流平性和填充性，有助于改善新、老混凝土间的接触性能，有利于提高混凝土施工缝部位的强度。

　　3.2.3  静弹性模量
    由于水下不分散混凝土的黏稠性，单位水泥浆量比普通混凝土多，材料均匀性好，能较好地避免由于分散所造成的骨料集中，所以弹性模量较均匀且有一定下降。

　　3.3  水下不分散混凝土的技术指标
　　 (1)水下不分散混凝土的技术指标见表1。

　　(2)水下不分散混凝土较普通混凝土除弹性模量降低5%～20%、抗渗性极高(＞4MPa)外，其它性能指标均符合普通混凝土设计规范取值。C20水下不分散混凝土性能指标为：
    抗压强度23.5MPa；轴心抗压20.8MPa；
    抗折强度4.66MPa；抗拉强度2.94MPa；
    弹性模量21.600MPa；抗渗标号4.0MPa。

　　(3)水下不分散混凝土的外加剂——絮凝剂种类及适用范围：
    UWB-1，缓凝型，适于长距离、大体积、连续浇灌及非连续浇筑的无施工缝整体工程；
    UWB-2，普通型，适于一般水下工程；
    UWB-3，早强型，适于对凝结、硬化有特殊要求的止水、锚固等工程；
    UWB-4，双快型，用于抗洪抢险、快速修补及抢修抢建工程；
    UWB-5，注浆型，用于配制稳定性水泥浆液，施工水下注浆、固结工程。

　　3.4  水下不分散混凝土的施工特点
    (1)材料。从调查研究结果看，除絮凝剂以外，在一般的工程中可以使用与普通混凝土大致相同的材料。
    (2)搅拌方式。水下不分散混凝土的搅拌方式有两种，一种是将絮凝剂与水泥、骨料等同时加入进行搅拌；另一种是将絮凝剂与其它材料一起进行干拌，而后再加水搅拌。搅拌时间，根据所用搅拌机的型式及絮凝剂的种类有所不同。例如：强制搅拌机须1～3min，可倾式搅拌机须1～6min。
    (3)运输及浇灌。由于水下不分散混凝土的黏稠性强，与普通混凝土相比，在运输及浇灌中造成材料离析及和易性等的变化较小，同时水下不分散混凝土的抗分散性较好，不易产生因骨料离析而引起的堵泵、卡管现象，因此水下浇灌混凝土，适于使用混凝土导管、混凝土泵以及开底容器浇注。

　　4  水下不分散混凝土与普通混凝土的技术经济比较

　　在水下不分散混凝土特性介绍的基础上，从混凝土的技术指标和经济性两方面对水下不分散混凝土和普通混凝土进行比较。需要说明的是，在比较分析中使用了一些尚需进行针对性试验验证的数据。

　　4.1  防渗墙混凝土配制强度估算

　　在净水中浇筑混凝土时，普通混凝土强度只能保证50%左右，水下不分散混凝土的强度一般不低于陆地上浇筑混凝土强度的80%；在泥浆槽中浇筑混凝土时，普通混凝土强度可达陆地上浇筑混凝土强度的70%左右，水下不分散混凝土的强度能保证达到陆地上浇筑混凝土的90%。这样，在泥浆下浇筑相同的混凝土强度，使用普通混凝土的配制强度需要提高约30%，而使用水下不分散混凝土的配制强度需要提高约10%。

　　根据《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191-96)，混凝土强度保证率为95%，基于施工现场的试验条件，取试件的抗压强度变异系数δfcu=15%。由于水下不分散混凝土具有优良的抗分散性、自流平性和填充性，与普通混凝土相比，水下不分散混凝土的浇筑受施工条件的影响少，施工质量波动小。所以，在相同的试验条件下，水下不分散混凝土试件的抗压强度变异系数可取为δfcu=12%。

　　现以配制C30墙体混凝土为例，使用规范推荐的计算公式，计算两种混凝土的配制强度：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)

　　从上述计算可以看出，在泥浆槽中施工的条件下，若要得到相同的混凝土强度，使用水下不分散混凝土的混凝土实际配制强度可较普通混凝土降低27%左右。

　　4.2  弹性模量估算

　　混凝土弹性模量通常随混凝土抗压强度的增加而加大。由于混凝土生产配制强度的降低，因此使用水下不分散混凝土可以较普通混凝土的弹模值降低7%左右。

　　另外，使用掺适量絮凝剂的水下不分散混凝土较普通混凝土的弹模值可以降低5%～20%(本例絮凝剂掺量较低，拟定水下不分散混凝土的弹模值可以降低5%)。故在得到相同的目标混凝土强度情况下，使用水下不分散混凝土可望较普通混凝土的弹模值降低总量达12%。

　　4.3  水泥用量估算
　　采用P.O42.5级(28d强度52.5MPa)，根据水灰比定则，取A=0.52，B=0.57进行计算。根据工程经验，拟定单位用水量为160kg，进行比较计算。
　　使用普通混凝土：C/W=52/(52.5×0.52)+0.57=2.475， W/C=0.40
　　单位耗灰量：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
　　单位耗灰量： 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节省水泥约65kg/m3。

　　4.4  外加剂用量估算
　　根据工程经验配制高强度的混凝土，需要使用高效减水剂，其掺量一般为0.6%，外加剂量为396×0.006=2.4(kg)。而对于水下不分散混凝土由于掺入了絮凝剂，混凝土配制时可不加或少加减水剂，因此减水剂掺量为331×0.003=1.0(kg)。
　　水下不分散混凝土中的絮凝剂推荐使用掺量为0.5%～3%。由于是在泥浆下浇筑，条件较净水好，取絮凝剂掺量为1%，则絮凝剂量为331×0.01=3.3(kg)。

　　4.5  技术经济比较
　　在同样的条件下，若要得到相同的混凝土强度，使用水下不分散混凝土与普通混凝土的技术经济比较见表2。

　　由表2可以看出，在同样保证墙面混凝土强度的情况下，水下不分散混凝土的弹模值可以较普通混凝土降低约12%；同时，水泥用量可以节省约20%，而减水剂可以节省约140%，除去水泥用量和减水剂用量减少的差价外，拌制水下不分散混凝土所要增加的费用约27元/m3，较之防渗墙约2 000/m2的造价，费用增加约2%。

　　5  水下不分散混凝土的工程应用

　　水下不分散混凝土技术自1983年传入我国以来，在油田建设、水利水电、抗洪抢险、污水处理、桥梁、港口码头及城建工程中得到了较为广泛的应用，如大港油田勘探人工岛、丰满电站挡水大坝迎水面全面修补的水下面板防渗墙工程、四川盐边县水电站地下水库防渗堵漏工程、钱塘江大堤加固工程等。这些工程都因此达到了质量好、进度快、造价低。现对其中的三个工程作一介绍。 

　　5.1  在丰满挡水大坝面板防渗墙施工中的应用

　　为了解决丰满挡水大坝坝体和坝基的质量问题，丰满电厂会同有关部门自1954年以来，采用了十多种修补措施进行处理，但始终未能达到要求。
　　丰满电厂会同设计、施工及研究单位，制定了使用水下不分散混凝土作水下面板防渗墙，并对基底进行强夯处理和水下不分散混凝土保护的施工方案。工程于1995年8月开始进行施工，1996年1月施工完毕。面板及护底面积共约20 000m2，现浇水下不分散混凝土量约30 000m3，混凝土浇筑共历时4个月。经强度试验，孔样平均抗压强度为22MPa，最低强度达19MPa，达到了设计要求(C20)；经抗渗试验，其抗渗标号满足了不低于S12的设计要求；经孔内摄像和超声波检测显示，施工缝、空洞、蜂窝麻面等缺陷率仅占2%。
　　业主及施工单位最满意之处，就是在正常水位的条件下完成了施工，并比较彻底地解决了长期以来困绕大坝的渗漏问题，施工工期因使用了水下不分散混凝土而大大缩短，工程投资也比以前采用过的多种修补方案节省。

　　5.2  在盐边县水电站地下防渗墙及大溶洞封堵施工中的应用
　　盐边县水电站是从地下水库取水至4km外的狼头山利用落差发电的电站。地质勘测显示：该地下水库流水孔洞大小及分布不均匀，需从地面钻孔和开缝对地下流水孔进行水下堵漏和抗渗处理。处理方案为：在空洞集中的部位，从地面钻孔开槽进行整体浇筑防渗墙，防渗墙厚度为1.0m，连续长度为300m，深度达24m，利用吊斗探底开盖倒灌浇筑水下不分散混凝土；对大空洞进行地面钻孔水下封堵的措施，根据水下孔洞的大小由地面开洞，首先抛石块做护基，再用导管连续现浇水下不分散混凝土，封堵分散水流，使水流集中从三个大溶洞流入引水干管中。
　　水下混凝土浇筑共用二个多月，完工后钻孔取样显示：对小溶洞进行的地下连续墙处理部分，缝隙、蜂窝麻点、空洞等缺陷较少；对大溶洞进行的抛石封堵水下浇筑混凝土部分，缺陷相对多一些，但能满足地下封堵水流的要求。

　　5.3  在大港油田先导性勘探人工岛施工中的应用
　　大港油田多目标先导性勘探人工岛号称中华滩海第一岛，经过全国专家论证，认为这是我国首例大型海上连续浇灌水下混凝土工程，难度高，风险大，是代表国家水平的技术项目。大港油田浅海公司和铁十八局在施工后认为：用水下不分散混凝土进行人工岛岛壁水下压舱水下浇筑具有质量好、进度快的特点，对缩短海上工期和预防海上风暴潮灾害十分重要。

　　6  结论
　　(1)水下不分散混凝土富有黏稠性、流动性保持能力强、塑性好、很少秘水或冒浆，具有优良的抗分散性、自流平性、填充性和保水性。
　　(2)与普通混凝土相比，水下不分散混凝土的浇筑受施工条件的影响少，施工质量波动小，能较好地避免成墙目标混凝土材料的离析和强度分散，降低缺陷率，能较大程度地减少泥浆下浇筑而使混凝土强度降低。
　　(3)在获得同等混凝土强度的情况下，使用水下不分散混凝土所要求的配制强度大幅度降低，从而可以节省水泥、降低混凝土弹模。
　　(4)使用水下不分散混凝土有助于施工缝新、老混凝土之间的接触性能保持良好。
　　(5)水下不分散混凝土的发展已有二十余年的历史，近十余年来，在我国已经得到了广泛的推广使用，其技术成熟、可靠，可操作性强，使用常规的施工设备即可完成混凝土浇筑。
　　(6)在获得同样的混凝土强度的情况下，混凝土的生产成本约增加27元/m3，与防渗墙造价相比，费用增加比例约2%，所以其性价比指标较好。

　　综上所述，在防渗墙工程中引进水下不分散混凝土技术将有显著的技术、经济效益和现实意义，有必要在该技术基础上开展相关的试验研究，以在防渗墙墙体材料技术上取得进步，并促进高坝深厚覆盖层基础防渗墙设计与施工技术水平的提高。