技术篇

第1章　绪论

1.1　概况

1.1.1　混凝土防渗墙基本特性

混凝土防渗墙（以下简称“防渗墙”）是在水工建筑物地基或土石坝（围堰、堤）体中，利用钻孔、挖槽机械，以泥浆固壁造孔挖槽，在泥浆下浇筑混凝土筑成的地下连续构筑物，主要起防渗作用和提高土基或土石坝（围堰、堤）体的渗透稳定性，在水利水电工程之外的其他基础设施行业，统称为地下连续墙，如图1.1所示[1]。

在水利水电工程中，防渗墙主要有连锁桩柱式和槽孔型。连锁桩柱式防渗墙是在土体中，采用钻机钻孔形成独立桩体，并通过套接、平接等方式形成连续体，如图1.2所示。槽孔型防渗墙是利用钻孔、挖槽机械分独立单元挖掘槽形孔，浇筑混凝土或回填其他防渗材料后，通过接头技术形成连续体，如图1.3所示[1]。

防渗墙工程是隐蔽工程，如何通过周密的设计、严谨的施工和有效的检测，达到设计要求和质量标准，有它独特的规律和要求，防渗墙的质量与效率直接关系到工程安全与成败。防渗墙施工技术与装备发展很快，施工机械、工艺、材料等不断有新的成果涌现出来，防渗墙的施工能力常常关系到工程建设的方案、技术经济水平。防渗墙与其他行业地下连续墙施工技术相辅相成，已被其他建筑领域广泛推广应用，其他行业的先进技术也不断地移植到防渗墙工程上[1]。

1.1.2　国内外防渗墙技术发展历程

1.1.2.1　20世纪我国防渗墙技术发展历程

防渗墙作为地下连续墙在水利水电工程中的专有形式，起源于欧洲，它是综合了钻井技术和水下浇筑混凝土技术而发展起来的。1950年前后开始在意大利和法国等国家应用。

我国防渗墙的建设开始于20世纪50年代末期。1958年湖北省明山水库创造了预制连锁管柱桩防渗墙[2]。同年在山东省青岛月子口水库用这种办法在砂砾石地基中首次建成了深20m、有效厚度43cm的桩柱式防渗墙。

1959年，中国水电基础局有限公司（以下简称“基础局”）在北京市密云水库砂砾石地基中创造了“钻劈法”造孔工法，建成了最大深度44m、厚0.8m的槽孔型防渗墙，成墙面积1.9万m2，形成了规模施工和最初的成套技术[3]。

1967年，在四川省大渡河上的龚嘴水电站中，首次将防渗墙用作大型土石围堰的防渗设施，最大深度52m，墙厚0.8m，成墙面积12382m2。这一工程的顺利建成，为我国水利水电工程找到了一种“多快好省”的围堰防渗结构[1]。

20世纪60年代后期，许多地质条件很差的坝（闸）基都纷纷采用了防渗墙方案。如四川省映秀湾水电站闸基防渗墙和渔子溪一级水电站闸基防渗墙。

20世纪70年代，防渗墙作为病险土石坝处理的最佳手段被广泛应用。主要工程有1974年建成的广西壮族自治区百色澄碧河水库大坝防渗墙[4]、甘肃省武威黄羊河水库坝体防渗墙[5]和1978年建成的江西省永修柘林水库坝体防渗墙等[6]。

20世纪80年代初，在葛洲坝水利枢纽大江围堰防渗墙施工中，首次引进了日本液压导板抓斗挖槽机，进行了施工试验，并首次进行了防渗墙“拔管法”接头技术的试验[7]。

1986年，四川省铜街子水电站左深槽承重防渗墙工程建成，最大深度74.4m，墙厚1.0m，成墙面积6896.2m2，大型防渗墙兼作承重结构，创造了防渗墙深度的新纪录[8]。

1989年，河北省岳城水库溢洪道出口防冲墙建成，该防渗墙由44个工字形断面单元墙段组成，工字形断面12.6m、宽7.3m，墙厚1.3m，成功实施了异型布置的防渗墙施工，其施工难度前所未有[9]。

1990年，福建省水口水电站主围堰防渗墙首次应用塑性混凝土[10]，取得了良好效果，防渗效率达98％，塑性混凝土材料开始应用推广，如山西省册田水库防渗墙[11]、北京市十三陵水库防渗墙[12]、河南省小浪底水利枢纽上游围堰防渗墙[13]以及长江三峡大江围堰防渗墙[14]等。

1994年，小浪底主坝混凝土右岸防渗墙工程建成，最大墙深81.9m，墙厚1.2m，成墙面积10541m2，混凝土设计强度35MPa，是迄今为止我国墙体材料强度最高的防渗墙。施工中右岸部分采用了缓凝型高强混凝土，缓解了墙体混凝土强度过高给钻凿接头带来的困难，并创造了防渗墙深度的新纪录[15]。

1997年，在冶勒水电站现场，进行了百米深防渗墙首次施工试验，开展了CZF-1500冲击反循环钻机钻孔、传统“钻劈法”防渗墙造孔工艺、传统“套接法”与新型“双反弧法”接头技术以及泥浆下混凝土浇筑技术等试验研究[16]。

1997年12月，基础局在调研的基础上，开始了CZF-2000型重型冲击反循环钻机的设计和样机生产与现场试验工作，同期开展了JHB型系列泥浆净化机研发。

1999年3月至2002年3月，在黄壁庄水库除险加固工程中，继续开展了CZF-2000型冲击反循环钻机的研究应用工作，系统开展了复杂地层水库除险加固防渗墙施工技术研究[17]。

1998年，长江三峡工程二期上游围堰防渗墙工程建成，该防渗墙是我国20世纪已建防渗墙工程中规模最大、综合难度最大的防渗墙，地层地质条件复杂，其中二期围堰防渗墙体现了关键技术。为了确保在一个枯水期完成任务，基础局进行了全面攻关，并通过精心组织成功完成了施工[18]。该工程与小浪底工程一起，标志着我国100m以下深度防渗墙施工技术已经成熟，施工技术水平总体达到国际先进水平。

1998年以前国内部分防渗墙工程情况见表1.1。

1.1.2.2　21世纪我国防渗墙技术发展历程

2001年7月至2005年6月，冶勒水电站防渗墙工程施工。

2002年1—10月，润扬大桥地下连续墙工程开展了大口径液压拔管机系列研发和防渗墙“接头管法”施工技术研究，并成功进行了50m深拔管试验[19]。

2002年9月至2003年11月，在下坂地水利枢纽现场，再次进行了百米深防渗墙施工试验。

2004年12月至2005年10月和2008年11月至2009年4月，结合向家坝水电站一期、二期围堰防渗墙工程，开展了复杂地质条件围堰防渗墙优质快速施工技术研究[20]。

2005年10月至2006年9月，狮子坪水电站防渗墙工程施工[21]。

2006年4月至2009年5月，下坂地水利枢纽防渗墙工程施工[22]。

2007年12月至2008年3月，结合溪洛渡水电站围堰防渗墙工程，开展了复杂地质条件围堰防渗墙优质快速施工技术研究[23]。

2008年9月至2009年4月，结合窄口水库除险加固防渗墙工程，开展了复杂地层水库除险加固防渗墙施工技术研究[24]。

2007年，开展了防渗墙正电胶（MMH）泥浆调研、室内试验和工程应用研究[25]。

2008年11月至2010年4月，泸定水电站防渗墙工程施工[26]。

2009年9月至2013年6月，旁多水利枢纽防渗墙工程施工[27]。

2012年9月至2013年7月，黄金坪水电站防渗墙工程施工[28]。

2013年10月至2014年10月，新疆小石门水库防渗墙工程施工。

1.1.2.3　国外防渗墙技术发展历程

地下连续墙技术起源于欧洲，它是综合了水井、石油钻井以及水下浇筑混凝土技术而发展起来的。1950年前后开始在意大利和法国等国家应用，这是因为意大利米兰和法国巴黎的地基是由砂砾石和石灰岩构成的，不便采用打桩或打板桩的办法进行基础施工，特别是临近已有建筑物部位的施工更加困难。在这种情况下，首先出现了由桩柱排列形成的防渗墙，1951—1952年在巴舍斯坝的导流围堰下修建了连锁桩柱式防渗墙。1954—1955年在玛利亚奥拉哥坝42m深的含有大漂石的砂砾石层中修建了同样的防渗墙。接着，为了建造等厚度的防渗墙又发展了槽孔式防渗墙施工法，在莱茵河侧渠电站修建了深40m、厚0.8m的围堰防渗墙，并迅速向其他建筑领域扩展，成为深基础和地下构筑物施工的重要手段，建筑的数量和规模不断扩大。与此同时，施工工艺不断改进，形成了许多高效实用的工法，较著名的有意大利的采用抓斗和冲击钻联合作业成槽的伊科斯（Icos）法、单斗挖槽的埃尔塞（Else）法；法国的冲击回转式钻机成槽的索列丹斯（Soletanche）法；德国的反循环法等[1，29]。

1959年日本从意大利引进伊科斯法，用于中部电力田雉坝的防渗墙施工。1961年在地下铁道4号线的方南街段用伊科斯法建造了箱型隧道的边墙。此后，日本各大公司陆续开发研制成功了许多独创的地下连续墙施工设备和相应的施工方法，如以多头钻切削成槽的BW工法、以双头滚刀式成槽机成槽的TBW工法、以凿刨式成槽机成槽的TW工法等，共有30多种。

20世纪90年代以前，国外修建了大量的防渗墙工程，深度比较大的有：1966年修建的墨西哥马莱罗斯心墙壤土坝防渗墙，深91.4m；1968年修建的墨西哥拉·维力大心墙堆石坝防渗墙，深80.0m；1970年修建的加拿大马尼克-3号心墙土石坝防渗墙，深130.4m；1972年修建的土耳其心墙土石坝防渗墙，深100.6m；1987年修建的美国纳沃霍坝土坝防渗墙，深110.0m；1990年修建的美国穆德山坝土石坝防渗墙，深122.5m。

最近20多年来，国外水利水电领域比较大的防渗墙工程较少，修建了大量城市与交通等领域的地下连续墙工程，例如，日本横跨东京湾道路的川崎人工岛工程，地下连续墙深119m；东京江东泵站工程，地下连续墙深104m；外郭放水公路1号、2号、3号、4号竖井工程，地下连续墙深度分别为130m、129m、140m、122m，主要特点有以下几个方面：

（1）大多数地下连续墙工程不需要嵌入基岩，地层相对均匀。

（2）施工设备主要采用各类抓斗、液压铣槽机，日本也经常采用多头钻机，设备昂贵，冲击钻机很少被采用。

（3）液压铣槽机可直接采用“铣削法”接头，地下连续墙大量采用刚性接头，接头不需要起拔，也有不少采用接头管（板）技术的。

（4）一般采用优质膨润土泥浆固壁，超深墙经常采用钠基膨润土，成本较高。

（5）建造了一批100m以上深度的地下连续墙工程，最大深度为140m。

国外建设的部分防渗墙工程与城市地下连续墙工程情况见表1.2。

1.1.3　超深与复杂地质条件防渗墙技术发展需求与技术难点

1.1.3.1　发展需求

进入21世纪，伴随着我国西部大开发与“西电东送”战略的实施，我国水利水电工程的开发重点逐步向西部地区转移，向长江、黄河、澜沧江、雅砻江、大渡河等大江大河中上游迈进，西部大型水利水电工程设施的建设也将大力推进。西部地区社会经济条件较差，水利水电工程大多地处高原地区，山高谷深、气候恶劣、覆盖层深厚，工程建设面临众多技术难题。一大批高坝覆盖层地基100m以上超深复杂地质条件防渗墙工程需要建设，复杂地层条件下大型工程围堰防渗墙和病险库防渗墙施工技术亟待提升和创新，防渗墙技术面临全新的形势和任务。

（1）深厚覆盖层地基高坝建设提出了迫切需求。我国西部地区水利水电工程建设面临的重要课题之一是深厚覆盖层建设高坝问题。我国有大量的水利水电工程需要在深厚覆盖层上建设高坝，如冶勒水电站覆盖层厚度约400m，下坂地水利枢纽覆盖层厚度为148m，狮子坪水电站覆盖层厚度为110m，瀑布沟水电站覆盖层厚度为110m，黄金坪沥青混凝土心墙堆石坝覆盖层厚度为128m，旁多水利枢纽覆盖层厚度为420m，新疆小石门水库覆盖层厚度为120m，西藏雅砻水库覆盖层厚度为120m，新疆大河沿水库覆盖层厚度为180m等。部分国内外深厚覆盖层建坝案例见表1.3[30]。

深厚覆盖层建设高坝的技术难点之一是坝基渗漏及渗流控制措施，特别是百米以上超深覆盖层地基防渗处理技术，常常关系到工程的安全与成败。在枢纽建筑物中，防渗体系关系到地基的稳定、大坝的安危，许多大坝失事，大都是防渗体系失效或遭到破坏。据统计，国内外大坝失事中因渗流导致的高达30％～40％，我国241座大型水库土石坝的千次事故中，渗透破坏占31.9％。

渗漏及渗流控制的措施主要有截水墙、防渗墙、帷幕灌浆等垂直防渗措施和上游黏土铺盖等水平防渗措施。其中，上游黏土铺盖应在上游地形有利、有天然铺盖或坝前淤积物较厚可以利用时采用，但水平铺盖防渗方案效果有限，对中、高坝及复杂地层和防渗要求较高的工程，一般要慎重选用。

垂直防渗方案中，明挖回填黏土的截水槽深度一般在15m以内施工较为方便。帷幕灌浆方案对于深厚覆盖层建设高坝在技术上是可行的，如埃及的阿斯旺土斜墙坝，最大坝高122m，覆盖层厚225～250m，采用悬挂式灌浆帷幕，上游设铺盖、下游设减压井等综合渗控措施。帷幕灌浆最大深度达170m，上部15排帷幕，深部7排帷幕，厚20～40m，但造价高和工期长；我国在坝基和围堰覆盖层防渗中也大量采用灌浆帷幕防渗方案，但由于深孔帷幕灌浆排数多、工程量大、幕体连续性较差等原因，目前，多用于70m以下深度防渗工程。防渗墙具有墙体连续好、质量可靠等优势，对各种地层和坝型适应性好，造价较低，防渗效果好，对于深厚覆盖层地基建设高坝，是广泛采用的方法。

基于防渗墙在深厚覆盖层地基高坝工程建设中的独特优势，防渗墙技术的应用前景十分广阔。20世纪我国防渗墙工程最大深度超过80m，具备了100m以下深度施工防渗墙的技术能力，但对于100m以上超深与复杂地质条件防渗墙的施工，技术储备与能力明显不足，全面开展超深与复杂地质条件防渗墙技术研究的需求十分迫切。

（2）复杂地质与环境条件病险库除险加固工程提出了新的挑战。20世纪50年代到70年代末，我国兴修了大量的水库大坝，由于当时建设条件及管理水平所限，运用过程中出现了各种病险隐患，不但影响到水库效益的发挥，而且还严重威胁下游人民生命财产及设施的安全，病险水库已日益成为水利防洪体系中最为薄弱的环节和最大的安全隐患，对全国范围的病险水库实施除险加固工作已显得十分必要和迫切。

据统计，我国87076座水库中有38019座为病险水库。造成水库病险的重要因素之一是大坝渗流不安全问题，即坝体或坝基存在渗漏，大量土石坝出现管涌、流土、接触冲刷等渗透破坏问题，浆砌石及混凝土坝发生溶滤破坏。据相关资料，计入1998年前全国第一、第二批病险水库中，有46座坝型为均质坝的大型病险水库，其中10座渗流不安全，17座坝基严重渗漏，8座存在绕渗、接触渗漏，11座下游坝坡渗漏严重；有55座坝型为心墙坝的大型病险水库，其中5座渗流不安全，19座坝基渗漏严重，9座存在绕渗、接触渗漏，11座坝的心墙存在防渗质量问题；有16000座存在渗流安全问题的小型病险水库。

在病险库土石坝坝体防渗加固中采取防渗墙方案的约占52％，其中相当部分的防渗墙工程墙深、工程量大、面临不良与特殊地质条件；多数水库需要不降水施工，施工期需要保护大坝安全和水库水资源；防渗墙施工设备布置在坝体上，施工空间受到限制；特别是病险库长期带病运行，使得坝体和地层结构发生恶化，情况十分复杂。其中一些防渗墙工程，如黄壁庄水库除险加固工程防渗墙（约26万m2）、窄口水库坝体加固工程防渗墙（最大深度为83.28m），均为当期高难度工程，技术难度很大，对防渗墙技术提出了新的挑战。

（3）我国西部地区大型围堰建设提出了新的课题。我国西部中上游大江、大河导截流围堰工程，大多具有山谷狭峻、河道陡窄、水流湍急的地形特点，覆盖层中多存在松散架空地层，孤、漂石比例高，为保证工程安全，围堰防渗墙工程常常需要在一个枯水期内完成。防渗墙施工工期紧、地层条件差、地下水流速高，有的深度达80～100m，面临造孔成槽难度大、槽孔安全风险高、施工效率低等困难，防渗墙是否能够按照设计工期优质完成，直接关系到围堰的安全，甚至成为工程成败的关键因素。因此，创新和优化传统大型工程围堰防渗墙施工技术，形成相适应的安全、优质、高效的成套施工技术，是十分重要的课题。

1.1.3.2　技术难点

100m以上超深与复杂地质条件防渗墙、复杂地质与环境条件病险库除险加固防渗墙和大型围堰防渗墙优质高效建设的技术难点主要体现在以下几个方面：

（1）防渗墙造孔挖槽施工机械与机具的性能和能力需要大幅提升。100m以下深度防渗墙施工的实践表明，随着墙体深度量级增加，对设备性能与能力的要求越来越高。100m以上超深防渗墙槽孔的施工，加之复杂地质与西部高原恶劣气候等条件叠加效应，传统冲击钻机、液压（钢丝绳）抓斗等造孔挖槽设备，面临动力不足、提升系统不适应、机具不配套等问题，即使是最先进的液压铣槽机，面对超深槽孔严重漏浆塌孔，大比例孤、漂（块）石地层与硬岩地层等复杂恶劣地质条件的地层，其适应性也需要检验，能力面临考验。因此，必须通过新设备研发和改进，全面提升防渗墙造孔挖槽施工机械与机具的性能与能力，否则很难突破防渗墙100m深度大关。

（2）防渗墙造孔成槽施工工法技术需要创新和完善。与防渗墙造孔挖槽设备的研发与改进相配套，100m以上超深与复杂地质条件防渗墙造孔成槽施工工法技术需要创新和完善，如“钻劈法”等传统单一的工艺已远远不能满足要求，多种设备配合的施工工艺需要创新和完善，新的工法技术需要研究和总结。此外，针对不同超深与复杂地层防渗墙工程的不同特点与条件，以往经验式的项目组织方式已难以适应，通过对不同造孔成槽设备特性的把握和各种施工工法特点的发挥运用，项目成槽施工方案优化组合综合比选方法需要系统研究。

（3）传统固壁泥浆性能制约着超深与复杂地质条件防渗墙槽孔稳定性要求。20世纪末，在基础局的带动下，我国防渗墙施工已大规模应用优质膨润土泥浆，显著提高了固壁泥浆的性能，保证了槽孔稳定性和混凝土浇筑质量。但近100m深度防渗墙施工的工程实践表明，随着100m以上超深槽孔稳定性风险的大幅增大，固壁泥浆材料性能面临更高的要求，传统思路和方法已不适用，研发新型固壁泥浆材料、改进泥浆性能和配套设备等，显得十分必要。

（4）防渗墙接头技术是超深与复杂地质条件防渗墙的技术瓶颈。我国的防渗墙接头长期采用“套打法”施工，因为100m以上超深防渗墙混凝土强度高、墙体深，这种方法，从小浪底工程84m深度防渗墙的施工实践看，已不可能应用于100m以上超深防渗墙。20世纪末，“铣削法”与“双反弧接头法”在工程中开始试验应用，但“铣削法”是液压铣槽机专用的接头方式；“双反弧接头法”在冶勒水电站100m深墙试验中，也暴露出种种弊端，在100m以上超深防渗墙施工中应用难度极大。为此，防渗墙接头技术成为100m以上超深与复杂地质条件防渗墙技术的瓶颈，关系到防渗墙防渗在超深覆盖层高坝建设中运用的成败，研发新的防渗墙接头方式和相应设备、机具十分迫切。

（5）复杂恶劣地质条件防渗墙施工仍然是防渗墙施工技术的突出难点。随着防渗墙深度的增加，复杂恶劣地质条件下防渗墙施工更加困难，如严重漏失塌孔地层和大比例孤、漂（块）石地层与硬岩地层造孔，大倾角陡坡硬岩地层嵌岩等，面临众多技术难点。

（6）超深与复杂地质条件防渗墙的其他配套技术，如清孔换浆技术、混凝土浇筑技术、墙下预埋灌浆管技术等，随着防渗墙深度量级的增加，都需要全面研究和实践。

（7）我国病险库除险加固防渗墙工程量巨大，其中有相当数量的高难度工程，基于水库大坝安全运行条件下的复杂恶劣地质条件问题、水库水环境保护问题、水库正常运行动水渗流影响问题等，需要系统研究与实践。

（8）我国西部中上游大江、大河导截流围堰工程，水文气候条件更加恶劣，地形地质条件更加复杂，由于关系到围堰度汛安全和基坑按期抽水，防渗墙的工期往往异常紧张，如何实现安全、优质、高效施工，将是十分重要的课题。

综上所述，100m以上超深与复杂地质条件防渗墙、病险库防渗墙和复杂地层条件下大型工程围堰防渗墙施工的技术难点主要有以下几个方面：

（1）两大瓶颈。传统接头技术无法用于100m以上深度防渗墙工程，传统固壁泥浆难以满足100m以上深度防渗墙槽孔稳定性要求。

（2）三大障碍。造孔挖槽施工机械与机具的性能与能力需要大幅提升，超深与复杂地质条件防渗墙施工工法体系和配套施工技术需要创新和完善，复杂恶劣地质条件超深防渗墙施工诸多技术难题需要突破。

（3）两大难点。病险库除险加固高难度防渗墙施工技术需要研究与探索，大型围堰防渗墙安全、优质、高效施工技术水平需要进一步提升。