水利工程质量管理培训教材

水利水电工程质量管理

培训教材

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前 言

这篇文稿是根据多年来从事水利水电工程施工的经验和教训，对施工中经常遇到的一些技术问题概略地加以说明，不是某一内容的全面论述，有些论点还不一定正确，在文词上也缺乏修饰。只盼能供从事水利工程建设的同仁参考。由于时间仓促和错误之处请予指正。

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,不妥二0一二年一月

前言

水利工程施工技术概述

第一章 土石方填筑和质量控制 ???????????????5 1.1 土石料粒径分级和颗粒组 ???????????????5 1.1.1 粒径分级??????????????????????5 1.1.2 颗粒组成??????????????????????5 1.2 土石料在水工建筑物的用途和要求????????????5 1.3 土石料压实的基本原理和压实特性????????????6 1.4 粘性土料的压实性能和压实标准?????????????6 1.4.1 含水率对土料压实的影响???????????????6 1.4.2 土料压实标准和影响压实的因素????????????7 1.4.3 砾质土的压实标准和压实控制????????????? 8 1.5 粘性土填筑施工质量控制??????????????? 9 1.5.1 料场土料质量控制?????????????????9 1.5.2 填筑面质量控制??????????????????9 1.5.3 填土与结合坡质量控制???????????????10 1.5.4 填土压实质量事故的判断和处理???????????10 1.6 非粘性土的压实性能和压实标准????????????11 1.6.1 非粘性土的结构性能和压实特性???????????11 1.6.2 非粘性土的压实标准????????????????11 1.7 非粘性土的填筑施工?????????????????12 1.7.1 机械压实和填筑面质量控制?????????????13 1.7.2 压实洒水的作用和实施???????????????13 1.7.3 压实质量检查方法?????????????????13

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第二章 水工混凝土及混凝土基本施工方法??????????14 2.1 混凝土和水工混凝土的性能和发展???????????14 2.2 混凝土组成材料和性能????????????????15 2.2.1 水泥???????????????????????15 2.2.2 骨料???????????????????????15 2.2.3 水????????????????????????16 2.2.4 外加剂??????????????????????16 2.2.5 掺和料????????????????????? 16 2.3 优质混凝土应具备的性能???????????????16 2.3.1 混凝土强度????????????????????16 2.3.2 混凝土的抗渗性??????????????????16 2.3.3 混凝土的抗冻性??????????????????17 2.3.4 混凝土的抗腐蚀性?????????????????17 2.3.5 混凝土的体积稳定性????????????????18 2.3.6 混凝土拌和物的和易性???????????????18 2.3.7 混凝土的抗磨、抗气蚀性??????????????18 2.4 混凝土配合比设计??????????????????18 2.5 混凝土质量检查和控制????????????????19 2.6 混凝土基本施工方法?????????????????19 2.6.1 分块和分层浇筑??????????????????19 2.6.2 铺料方法和铺料厚度????????????????19 2.6.3 施工缝处理????????????????????20 2.6.4 混凝土养护????????????????????21 第三章 隧洞混凝土衬砌施工????????????????21 3.1 隧洞混凝土施工条件??????????????????21 3.2 隧洞混凝土初砌结构形式和功能?????????????22 3.3 隧洞混凝土衬砌的分段和分块??????????????22 3.4 隧洞衬砌混凝土浇筑 ?????????????????22

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第四章 水工建筑物基岩灌浆施工???????????????23 4.1 灌浆的目的和作用??????????????????23 4.1.1 岩石特性及施工的影响???????????????23 4.1.2 灌浆的基本作用??????????????????23 4.1.3 不同建筑物对灌浆的要求??????????????23 4.1.4 灌浆所用的材料??????????????????23 4.2 灌浆的分类?????????????????????24 4.2.1 固结灌浆?????????????????????24 4.2.2 帷幕灌浆?????????????????????24 4.2.3 回填灌浆(充填灌浆,接触灌浆) ???????????24 4.3 隧洞灌浆??????????????????????24 4.3.1 隧洞衬砌形式和灌浆要求??????????????24 4.3.2 灌浆孔的预留方式?????????????????25 4.3.3 回填灌浆的分序和技术要求?????????????25 4.3.4 固结灌浆的排序和技术要求?????????????26 4.3.5 特殊地段的灌浆??????????????????26 4.4 坝基基岩灌浆??????????????????????27 4.4.1 坝基灌浆的种类和作用???????????????27 4.4.2 固结灌浆?????????????????????27 4.4.3 帷幕灌浆?????????????????????28 4.4.3.1 帷幕灌浆的标准和孔、排距????????????28 4.4.3.2 帷幕灌浆的方式和适用条件???????????28 4.4.3.3 帷幕灌浆的程序和方法?????????????29 4.4.3.4 帷幕灌浆深度和验证??????????????29 4.4.3.5 帷幕灌浆质量检查???????????????30

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第一章 土石方填筑和质量控制

1.1 土石料粒径分级和颗粒组成

1.1.1 粒径分级

在自然界中,土石料都是由不同粒径大小的颗粒组成,为了研究,应用和评价土料的性质,根据土料的粒径大小,将土料划分成若干粒径级。水利水电工程将土料的粒径划分如下:

颗粒粒径d,mm

d<0.005 粘粒 0.005～0.05（0.075） 粉粒 （0.075）0.05～2（5）砂粒 （5） 2～20 砾石 20～200 卵石(碎石) >200 漂石(块石) 1.1.2 颗粒组成

由粘粒、粉粒、砂粒组成的土料称为粘性土。 由砂粒和更大的粒径组成的土料称为非粘性土。

在土料中根据不同粒径所占比例形成颗粒组成,颗粒组成决定土料的性质。一般将不同颗粒组成的土料,绘于颗粒组成图上,称为颗粒级配曲线。根据曲线的形式,以不均匀系数和曲率系数判断土料的组成性质(连续级配、均匀级配和缺少中间粒径的间断级配)

不均匀系数Cu=d60/d10≥5 曲率系数Cc=d302/d60*d10=1～3

式中d60、d10、d30分别为该粒径以下的土粒占60%、10%和30%。 d60称控制粒径(限制粒径),mm; d10称有效粒径,mm。

不均匀系数和曲率系数在以上范围,土料颗粒组成为连续级配,适合于工程应用,超出上述范围为不良级配,应慎重应用。

1.2 土石料在水工建筑物的用途和要求

粘性土主要用于水工建筑物的防渗体或防渗与稳定结构。如心墙坝的心墙,斜墙坝的斜墙,均质坝的坝体。要求渗透性小,具有一定的塑性,渗透稳定性好和相应的稳定性。

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非粘性土主要用于水工建筑物的承载体和稳定体。如心墙坝的上、下游坝壳,斜墙坝的支撑体,面板坝的坝体,软基的换填和各种反滤料等。要求级配好,易压实,强度大,稳定性好。

1.3 土石料压实的基本原理和压实特性

土石料压实就是在静力和动力荷载反复作用下使土中颗粒重新组合,将细颗粒逐级挤入粗颗粒的孔隙,使土体更加密实。

由于土料颗粒粗细不同,压实特性也不同。粘性土以静力压实为主,而非粘性土以动力压实为主。

1.4 粘性土料的压实性能和压实标准

1.4.1 含水率对土料压实的影响

粘性土料必须具有一定的含水才成为粘性土。土粒间的水份是以薄膜状态存在,薄膜的薄厚直接影响着压实的效果。在压实时,要使土料、水份、空气进行最优组合,才能得到好的压实效果。

在施工压实时,水的薄膜厚度是无法测定的,而是采用击实试验来量定含水对压实的影响。

击实试验是各行业规定采用标准的击实仪,并规定一定的击实次数对不同含水量的土料进行击实。随着含水量的不同,击实后土体的干密度也不同。击实功能不变而所得干密度最大,此时的含水量称为最优含水率,相应的干密度称为最大干密度。击实功能改变所得相应的最大干密度和最优含水率也改变。击实功能小时,最优含水率大,而相应的最大干密度小。击实功能大,最优含水率小,而相应的最大干密度大。所以最优含水率和最大干密度对颗粒级配不变的土料不是一个定值,而是随击实功能而变的。所以对土料的压实必须将压实功能、最优含水率、最大干密度三因素统一考虑，不能撇开压实功能而谈最优含水率和最大干密度。在某一压实功能下的最优含水率和最大干密度并不一定是该土料最优含水率和最大干密度。

水利水电所用的击实仪是击实筒体积V为0.001立方米,锤重Wg为2.45kg,落距H为0.3米,分三层装土,每层锤击27次,其击实功能

E0=(Wg×H×N3×Nl/V)=(2.45×0.3×3×27／0.001×1000)=59.5t·m 击实试验时,对同一颗粒组成的土料,分别调整其含水量,由低到高分为5～6个不同含水量,然后分别在上述击实仪做击实试验,分别算出干容重和含水率,点于方格纸上,并连成曲线,曲线最高点即为最大密度,对应含水率即为最优含水率。如下图示:

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以上所述的击实试验是在已定的击实功能下求得的最大干密度和最优含水率。如击实功能27次改为40次,其击实功能为88.15t·m,其最大干密度增加,而最优含水率减小,如下图所示,如再增加击实功能,最大干密度和最优含水率按同样规律变化。

干密度 rd t/m 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 3

干密度 rd t/m 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 3

0 11 12 13 14 15 16 17 18 1 9 含水率ω,% 0 11 12 13 1 4 15 16 17 18 19 含水率ω,% 1.4.2 土料压实标准和影响压实的因素 目前国内对土料压实皆以击实试验为标准和现场碾压试验确定压实参数(碾型和碾重,铺土厚度,碾压遍数,控制含水率等),但应选什么击实功能呢？因为击实功能不同,对同一种土料,有不同的最大干密度和最优含水率,这就给选择击实功能增加了变数。上世纪80年代以前采用的是南京水利实验处型(简称南实处)击实仪,25击,击实功能为86.25t·m,最大干容重较大,

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而最优含水量偏低。现行《碾压式土石坝设计规范》规定的击实仪击实功能是59.5t·m,以此功能求得的最大干密度乘以≤1的压实度，做为施工控制干密度标准，因此最大干密度偏小,而最优含水量偏高,为弥补干密度偏小的差距,此规范规定压实度比老标准压实度约提高1%～2%。

填筑含水率推荐控制在最优含水率的-2%～+3%偏差范围,同时给出了含水率上、下限的附加限制条件。规范规定含水率范围，不能做为施工控制范围，施工控制含水率偏差不应大于3%。

实际工程土料压实中,由于目前使用的碾压机械(凸块振动碾)压实功能远大于击实功能,规范建议的含水量控制范围偏高,大型机械施工易造成填筑面橡皮土和剪切破坏,无法保证填筑质量,不得不降低填筑含水量,但填筑干密度仍按击实最大干密度控制,干密度很容易达到。一些重要工程不得不将压实度提高为1.01至1.02，如小浪底、恰甫其海。由于填土含水量降低,压实后的土体虽在同样干密度下,但土体的强度增高,在填筑过程中土体受上部荷载不易压缩沉陷,当土体挡水后容易浸水湿陷造成较大的沉陷差,对防止裂缝、渗透和渗透稳定、水力劈裂不利。

现行规范规定的击实试验标准,不分坝的等级和坝高皆用同一的击实功能 也不分土料性质,这很难适应实际情况,只是在压实度上有所差别,而且未将含水量与干密度的对应情况阐明。建议击实试验应根据坝的等级,坝高及土料性质,做不同击实功能击实试验(标准击实,加强击实如60t·m、80t·m、90t·m、100t·m),分别求出最大干密度和最优含水率。在现场碾压中,控制含水率能满足正常施工条件下,以此含水率对应相应击实功能的最大干密度再乘以压实度做为干密度控制指标。

1.4.3 砾质土的压实标准和压实控制

粘性土中有一定含量的砾石是一种具有防渗性好和强度高的土料,更加适用于水工建筑物的防渗体。

砾质土的压实标准一般应采用大型击实仪击实试验确定。当砾石含量较少,在40%以下,也可采用公式计算法确定其干密度和含水率,可按下式计算:

砾质土的最大干密度:?max?式中γ

max

1

p/?s??1?p?/rd——砾质土的最大干密度；

p——大于5mm砾石含量,以小数计；

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Δs——大于5mm的砾石的比重；

rd——小于5mm的细粒土的最大干密度；

砾质土的最优含水率: W0= (W0)0*(1～p)

式中W0——砾质土的最优含水率；

(W0)0——小于5mm的细粒土的最优含水率。

1.5 粘性土填筑施工质量控制

要得到高质量的填筑体,必须控制土料施工的各个环节,料场质量控制是关键,只有符合填筑标准的土料才允许拉运至填筑面。

1.5.1 料场土料质量控制 1.颗粒级配和压实标准

自然形成的土料,其颗粒级配是很不均匀的,不能用统一的标准控制,因此在填筑开工之前(至少3个月)应以50～100m方格网的形式,挖探坑(或用洛阳铲取样),分层取土进行颗分和击实试验,以确定分区使用的压实标准,同时测定土料的含水率,以确定含水量调整方法。

2.含水量的控制和调整

土料的颗粒组成和压实标准确定后,含水量是重要控制指标,如不能满足填筑要求,必须处理。如自然含水量偏低过多,一般应在料场开沟或打畦泡水,泡水时间应根据土料渗透性和泡水量试验确定,泡水应在填筑前不少于3个月。如土料过湿,应分层翻晒。

3.土料制备常用方式

土料在天然条件下,颗粒组成和含水量是不会均匀的,为保证填筑土料的均匀性和控制填筑含水量,对重要填筑土体,如心墙坝的心墙和斜墙坝的斜墙等要求高的填筑土料,一般多采用予先制备土料的备料方式,将同一料场颗粒组成有差别的土料和不同含水量的土料,分别由挖土机械开挖,运至填筑体附近,利用有利地形堆置土牛,并按含水量的要求进行处理,并用推土机高坡溜土或摊平堆存,堆存一定时间后,检查合格,再挖运填筑。

1.5.2 填筑面质量控制

土料填筑,一般每层铺土厚30～40cm,过厚难以使土体压实均匀。有的工程每层铺土厚达50cm甚至60cm,这显然是不妥的。

已压实土层在铺上层土时,应使结合面含水量与新铺土层相近,最好是稍高于新填土的1～2%,以利上、下土层结合,避免形成光面或干土层面。如

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因汽车行驶或其他原因形成光面,在填土前应扒毛,铺土时如发现有局部橡皮土和剪切破坏应及时进行处理。铺土机械应采用进占法铺土,随铺随平,不允许后退法铺土。每一填筑面应保证一昼夜填2～3层。如填筑面较大,不能保证每昼夜填土2层时,应采取分区填筑,一般填高1～2m左右,再更换填筑区。分区填筑要留结合坡,坡比应不陡于1:3。如遇雨天,应及时碾压,并应采取防雨和防积水措施。雨后填筑 应全面检查填筑面的含水量,符合要求时,再铺土碾压。

1.5.3 填土与结合坡质量控制

在填筑土体时经常会发生分段分区施工,这就形成纵向和横向的结合面,如处理不当,就会形成渗流和软弱结合面,对坝体防渗和稳定不利。对结合坡的处理,除结合坡度不陡于1:3外,对已填土层,必须清除不符合要求的土料,并予留15～20cm保护层,刨松并经常洒水湿润,在分层填土时再将松土保护层清除。坡面土体含水量应保持大于新填土含水量1～2%。坡面不应有台阶，如不能形成一种坡度,可采用变坡联结。

当填土与岩石面、混凝土坡面或建筑物联结时,应认真处理。当填土与坝肩岩面相接时,如填土为心墙或斜墙,一般在填土与岩面结合的范围,先浇一层坡面混凝土；如为均质坝,应在填土与岩面结合的心墙范围浇一层混凝土,混凝土宽度按填土允许渗透比降确定 。混凝土上、下游其他部位可不浇混凝土,但在填土时应将坡面松动岩块清除干净。如有倒坡应用混凝土或砂浆补成正坡。

当填土与混凝土坡结合,每层铺土时,应用水土比约为1:2.5的粘粒含量较多的高塑性浓泥浆涂刷混凝土面,涂刷厚度约为3～5mm,涂刷高度应与填土层相适应,待泥浆稍晾至含水量约高于填土1～2%时,随即铺土复盖。严禁泥浆干固后铺土,如已干固应铲除重新涂刷。

当混凝土坡面较缓,填土压实时易发生爬坡脱空,一般采取此处填土面留一向坡面的缓坡,或碾压后将脱空部位挖除,再人工回填。对此种部位应加强检查,发现问题及时进行处理,不得留有隐患。

1.5.4 填土压实质量事故的判断和处理

在填土过程特别是心墙或斜墙填筑 过程,经常会发生一些不符合质量要求的质量事故,对此应引起高度重视。经常遇到的事故如层面和铺土含水量偏高,干密度达不到压实标准；层面和铺土含水量偏低,填土入口处产生剪切破坏等。一般处理原则是含水量偏高而压实干密度稍低(不低于设计标

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准的98%),一般不做处理,待随填土荷载增加自行加密,但应特别注意上层填土应采用含水量接近的土,不得过压,否则可能在碾压上层填土时,造成下层偏高含水量的土层产生剪切破坏,那就要全部挖除重新铺土压实。如含水量偏低而又未压实到设计干密度时,则应挖除重新填筑。对心墙和斜墙,填土压实后产生橡皮土和剪切破坏不论任何部位都应清除重新填筑；对均质坝,如发生在坝轴线以下,面积又不大时可不做处理,但应采取措施避免再次发生。

1.6 非粘性土的压实性能和压实标准

1.6.1 非粘性土的结构性能和压实特性

非粘性土的粒径范围很大,从砂粒到漂石皆可能同时存在,很难用干密度指标衡量。特别是在细料较多时,由于土料无粘性,当土体受剪切或地震时,体积发生变形,松散时将变密实,密实时将变松散。在土体被水饱和时,受剪切或地震,松散体变密实,必然要将水挤出,产生很大孔隙水压力,固体颗粒将随水而流动,故称为土体的液化。密实土体变松散,原充满孔隙的水而变为自由水,对土体不产生孔隙水压力。因此,非粘性土只有压实到某种密实程度 ,才能保证在相应剪切和地震强度时不发生液化。

1.6.2 非粘性土的压实标准

由于上述原因,非粘性土粒径变化大,颗粒组成复杂,加之所固有的受力、变形特性,无法以干密度和压实度做为压实指标。

非粘性土(主要是砂卵石料)的压实标准是以相对密度为标准而不是以干密度为标准,虽然在计算相对密度时仍要测定干密度,但只是用于换算。

1.相对密度

所谓相对密度就是对某一颗粒组成的土料,压实到由试验所得从最松散到最紧密时的一定程度。

相对密度的计算是以土料的孔隙比为准。(孔隙比是土料中的孔隙体积与土粒实体积之比)

Dr?emax?e0

emax?emin式中:Dr—相对密度

emax、emin——最大孔隙比(最松状态)和最小孔隙比(最紧密状态) e0——实际压实的孔隙比

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孔隙比ei?1?rd/?s?s??1

rd/?srd式中:ei——不同压实状态的孔隙比; rd——土体在不同状态的干密度； Δs——土粒的比重。

分别以最大最小和实际压实的孔隙比代入上式,则相对密度为:

Dr??r0?rmin??rmax

?rmax?rmin??r0如已知要求的相对密度,可按下式直接算出应达到的干密度:

rmax?rminrd?rmax?Dr?rmax?rmin?

由上式可知,非粘性土的相对密度,不仅与压实干密度有关,还与试验所得的最大、最小干密度有关。

2.相对密度的施工控制

由于最大干密度在现场缺乏试验设备时无法测定,必须根据所选用的料场,分别取料送有资质的试验单位或工地试验室,调整大于5mm颗粒不同含量,分别测出不同含量的最大、最小干密度,绘成大于5mm含量、最大最小干密度三因素关系图供施工时根据已定的相对密度,检测填筑干密度是否满足要求。三因素示意图如下: 干密度 rd t/m rmin曲线 大于5mm砾石含量 p5 % 含水率ω,% 在测定最大最小干密度时,由于设备的限制,一般将大于80mm粒径料筛除后,进行试验测定。在工地检查时应筛除大于80mm后的干容重和砾石含量为准。

1.7 非粘性土的填筑施工

1.7.1 机械压实和填筑面质量控制

干密度 rd t/m 3rmax曲线 313

非粘性土以振动压实为主,目前皆用振动碾压实,振动碾不能施工的部位,以振动夯辅助。非粘性土的铺土压实要比粘性土简单,铺土厚度一般为60～100cm,结合面一般不做处理,铺土顺序多采用后退法(汔车在已压实面上行驶铺土)。分区填筑时结合坡以稳定和后序接坡时碾压机机能压到为原则。铺土时的主要质量控制是避免铺料时粗细料分离,如有分离应用推土机或人工处理；结合坡填料由于坡陡,振动碾不易压到边,同时坡面无侧限不易压实,因此在后序接坡时,应清除坡面不合格土料,清除量较大。

1.7.2 压实洒水的作用和实施

规范规定非粘性土在碾压时要充分加水,加水量一般为填筑量的20～40%。压实时充分加水有利的方面是:加水下渗时随着振动碾的振动细颗粒随水下沉,填料易于密实; 加水可软化有尖角的颗粒,易于破碎密实。加水的不利方面是用水量很大,汽车拉水难满足要求,铺设管道供水与施工干扰大；砂砾料压实后特别是含泥量较多的料渗水慢,致使坝面积水,无法施工；加水量不够时形不成垂直渗流,反而对压实不利。非粘性土加水压实的特性是干燥无水时,颗粒之间无凝聚力,振动碾压实时细颗粒在重力作用下易于密实。加水偏少形不成渗流,水分在颗粒表面形成假凝聚力,细粒相互粘结不易充填密实。加水较多,消除假凝聚力并形成渗流时压实效果较好。含水量与压实效果如上图2所示。

大量非粘性土加水压实的试验证明,在干燥时压实干容重大。根据料的粗细,含水量为2～4%时压实效果较差,含水量超过6%后压实效果更好。

由于新疆气候干燥少雨,而砂砾料多在高处,不含水,即使在河床开挖,铺土后水份很快散失,碾压时含水量已很少,故一般不采用洒水碾压,而是采取重碾和增加碾压遍数及适当减少铺土厚度的方法,同样能达到要求的相对密度。

对石方填筑,硬岩(抗压强度30Mpa以上)可不加水碾压,软岩仍要加水碾压。

1.7.3 压实质量检查方法

测定非粘性土的填筑干密度,一般采用挖坑法,坑的最小尺寸(直径和深度)应大于坑内挖出的最大粒径的三倍。挖出的土料称出其总重后,根据含水量的大小,换算成干重,并将大于5mm的颗粒分筛出,如有大于80mm的颗粒应单独筛出,并分别称出5～80mm和大于80mm颗粒重量,分别计算其含

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量百分数。坑的体积用灌砂法求得,或用灌水法。用灌水法测定坑的体积时,所用薄膜应用乳胶膜,并事先用灌砂法率定。5～80mm颗粒的含量为:

G1?100% P5??G?g?式中:G1——5mm至80mm颗粒的干重； G ——坑内挖出料的总干重； g ——大于80mm颗粒的重量。 坑内80mm以下料的干密度为:

?G?gG?g?rd??

V?v?V?g/?s?式中:V——用灌砂法测得的挖坑总体积； ν——80mm以上颗粒的实体积； Δs——80mm以上颗粒比重。

根据以上计算求得的P5含量和80mm以下料的干密度rd,对照三因素关系图是否满足在规定相对密度下的干密度。

以上计算公式是用于大于80mm颗粒占总重不超过20%时,如大于80mm颗粒超过总重的20%,公式不宜采用。那是一个更为复杂的问题,目前尚无统一规定。

第二章 水工混凝土及混凝土基本施工方法 2.1 混凝土和水工混凝土的性能和发展

自水泥发明以来,混凝土成为各行业建筑的最主要材料,二十世纪30年代以前,混凝土主要凭经验施工,30年代以后由于水灰比定则的发现,混凝土逐渐走向理论和实用的阶段。混凝土和钢筋混凝土结构的力学计算也由弹性理论发展为弹塑性理论。在国内,50年代以前混凝土主要用于房屋建筑和公路桥梁,混凝土的主要控制指标是力学强度。随着水利水电工程大规模建设,混凝土大量用于水利水电工程。单一力学强度指标控制已不能完全适用。由于水利工程的混凝土经常或周期性受水的作用,建筑物多处于露天,遭受冰冻风化,并经常受地下水的侵蚀,水工混凝土又有其特殊性。因此对混凝土有其更高的要求,逐渐从要求强度指标改为要求强度和耐久性,而耐久性指标更为重要。这是因为水工建筑物多为大体积,强度不成为控制因素,而抗冰冻、抗渗、抗侵蚀、抗磨损等往往起控制作用。由于对水工混凝土的更高要求,对以水泥、砂石骨料为主的混凝土,过渡到增加外加剂、掺和

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料做为必备条件的水工混凝土 ,目前又逐步向高性能混凝土过渡(高性能混凝土为高强度、高耐久性、高流动性等)。

2.2 混凝土组成材料和性能

2.2.1 水泥

水泥的质量指标，除常规的物理力学指标外（安定性细度、初终凝时间、抗压抗折强度等），为保证不同使用条件和混凝土的耐久性，应特别重视其化学性质，控制水泥的主要矿物成份。

水泥熟料中主要矿物成份、含量和特性

硅酸三钙(3CaO·SiO2) C3S 37～60% 硅酸二钙(2CaO·SiO2) C2S 15～37% 铝酸三钙(3CaO·Al2O3) C3A 7～15%

铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3) C4AF 10～18% 硅酸三钙是水泥的基本成分,初期强度增长较快,抗冻性强,但水化热较高,硬化时收缩较大,但在水泥中其含量太少就不易硬化。硅酸二钙初期强度低,后期强度增长较快,水化热较低,硬化时收缩较小。铝酸三钙,初期强度增长最快,水化热最高,硬化收缩最大,不抗硫酸盐腐蚀,是水泥中应予控制其含量的矿物成分。铁铝酸四钙其性能与硅酸二钙相近。

2.2.2 骨料 1.细骨料

有天然河砂,山砂和人工砂,其品质要求应符合规范,主要控制指标为含泥量不超过3%,一般控制在2%以下,细度模数在2.2～3.0范围,一般控制在2.4～2.8。

2.粗骨料

为了使骨料级配稳定,水利水电工程所用粗骨料(卵石或碎石)按粒径大小分为四级,即5～20mm(小石),20～40mm(中石),40～80mm(大石),80～150mm(120)(特大石),在以往和现行规范中,要求在条件允许时尽量采用较大粒径,即最大料径不超过结构物最小尺寸的1/4,钢筋净距的2/3。因此选用骨料最大粒径时,往往选的较大,其主要指导思想是选最大粒径时骨料级配密实,节约水泥,减少水泥水化热。但在实践中,随着外加剂和掺和料的采用,水泥用量已大大减少,水化热也比纯用水泥小,选用大的粒径的优点已不明显。但选用最大粒径后,在施工过程中混凝土入仓时容易分离,易形成蜂窝麻面,密实性差,特别是钢筋混凝土结构,入仓量大时人工难以平仓,既

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便加强振捣也仍难免混凝土不密实或振捣过量,使大骨料与水泥砂浆分离(大骨料下沉水泥砂浆上浮)。当钢筋混凝土保护层较小时,大石易卡在钢筋与模板之间,造成空洞。故水工混凝土结构设计规范规定保护层厚度应大于混凝土中骨料最大粒的1.25倍,换言之即最大粒径不超过保护层的0.8倍。从现在施工的一些大型工程中,特大石一级的骨料已不采用,如小浪底,三峡等大体积混凝土,普通钢筋混凝土已逐渐不采用大石一级。在钢筋混凝土中,特别是人工难以入仓的结构,采用较小的最大粒径是合理可行的,可以保证混凝土的均匀而密实,提高混凝土的耐久性。

2.2.3 水

凡能饮用的水皆可用于拌制和养护混凝土。用含有硫酸盐的水拌制混凝土应限制在规范规定的2700mg/l以内,此含量的水虽不会造成流态混凝土拌和物的侵蚀膨胀破坏,但对钢筋具有腐蚀性。

2.2.4 外加剂

水工混凝土常用外加剂有减水剂、高效减水剂、引气剂、引气减水剂及其他特殊用途的外加剂。外加剂已是水工混凝土必不可少的组成材料。国内生产外加剂厂很多,质量差别很大,有的无法保证质量。因此,选用时应选用正规生产厂,并应进行检验,检验外加剂的实际效果和所用水泥的适应性(有的外加剂与所用水泥不适应,掺入后造成速凝或不凝)。

2.2.5 掺和料

水工混凝土常用掺和料有Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰,磨细矿碴微粉、高强度混凝土掺用的硅粉等,掺入掺和料、不仅可节约水泥,更重要的是改善混凝土性能,增加混凝土的密实性,提高混凝土的耐久性。

2.3 优质混凝土应具备的性能

2.3.1 混凝土强度

混凝土的强度(抗压、抗拉、抗剪)是混凝土的基本力学指标,以往由于所用水泥强度较低,水灰比偏大,混凝土设计强度较低,一般设计强度150kg/cm2(C15),250kg/cm2就是高强度了。现在生产的水泥强度提高了,水工混凝土由于要求耐久性高了，限制水灰比较小,200kg/cm2(C20)强度很容易达到,甚至超强很多,因此设计采用150kg/cm2(C15)已无实际意义,应以最低强度200kg/cm2(C20)为宜。对特殊要求的高强混凝土,达到500kg/cm2(C50)或更高也是不困难的。

2.3.2 混凝土的抗渗性

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混凝土的抗渗性是耐久性指标之一,混凝土承受水压时,如抗渗性不足形成渗水,将严重影响混凝土的强度和耐久性,在实际工程中经常看到混凝土表面和裂缝渗水形成的白色凝结物,是混凝土中的氢氧化钙随水流溶出与空气中的二氧化碳(CO2)凝结成碳酸钙。混凝土中氢氧化钙逐渐溶失,强度降低,最终造成建筑物的破坏。因此水工混凝土要根据其承受水压的条件,达到相应的抗渗性(抗渗指标是试件承受若干大气压水头时不渗水)。

2.3.3 混凝土的抗冻性

水工混凝土多处于露天和受水的作用,遭受冻融是必然的,当混凝土表层水份冻结时,体积膨胀(水冻结时的体积膨胀量为9%)使混凝土胀裂。冻融次数越多,破坏越严重,最终使混凝土表层膨胀剥落。水工混凝土必须根据所处气候条件和受水浸湿的情况,使其承受若干冻融次数而不致破坏。抗冻性指标是在若干次冻融循环后,动弹性模量不低于未冻前的60%,重量损失不大于5%,动弹模的指标在实际应用中一般不应低于80%。

混凝土的抗冻性指标不单是冻融,而是其他无法量定因素的综合反映,如风化、碳化等,因此不发生冻融的温暖气候同样也要求混凝土的抗冻性。

2.3.4 混凝土的抗腐蚀性

水工混凝土建筑物多处于地下,不论处于岩体内或软土地基,当周围界质含有可溶于水中的腐蚀性化学物质时,与其接触的混凝土将产生腐蚀,腐蚀程度的大小决定于溶于水中的腐蚀物质的浓度,因此对受地下水腐蚀的混凝土首先要查清腐蚀物质的种类和浓度,采取相应的抗腐蚀措施。在对混凝土腐蚀的物质中,新疆地区特别是北疆地区硫酸盐腐蚀是主要形态。当水中硫酸根离子(SO42-)大于250mg/l时,对普通水泥混凝土就有腐蚀,当SO42-大于3000mg/l时,对抗硫酸盐水泥混凝土仍具有腐蚀,必须采用高抗硫酸盐水泥。高抗硫酸盐水泥可用于SO42-不大于8000mg/l的地下水环境。抗硫酸盐对混凝土腐蚀的措施主要采用“抗”和“防”或者“抗”、“防”结合的措施。所谓“抗”就是 SO42-在一定浓度时采用相应的抗硫酸盐水泥拌制混凝土；所谓“防”就是将含SO42-的环境水与混凝土隔离。“抗”、“防”结合是在缺乏抗硫酸盐水泥或高抗硫酸盐水泥或SO42-含量高,抗硫酸盐水泥或高抗硫酸盐水泥仍不能抗腐蚀时,一方面采用隔离,一方面用抗硫酸盐水泥拌制混凝土。如克孜尔水库主坝基础普通混凝土顶面涂2～3cm沥青玛蹄脂,以隔离心墙土料高含量SO42-的渗透水。引额济乌南干渠建筑物和500水

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库放水涵洞基础采用沥青混凝土,将基础与涵洞底板隔离,底板采用高抗硫酸盐水泥拌制混凝土。

对抗硫酸盐腐蚀,除以上所述“抗”和“防”的措施外,还与混凝土的配合比和施工质量密切相关,配合比设计不合理、混凝土浇筑密实度差或有裂缝等质量缺陷,造成渗水将加速硫酸盐腐蚀,应引起高度重视。

2.3.5 混凝土的体积稳定性

体积稳定性是指混凝土浇筑后,在凝结和硬化过程 收缩量小,不易产生裂缝。这一问题在水工混凝土施工中尚无成熟经验,虽做过不少努力,如掺加膨胀剂,浇筑塑纤维混凝土等,但尚无成功实例。

2.3.6 混凝土拌和物的和易性

和易性系指混凝土浇筑时的流动度,根据建筑结构的形式、断面尺寸、钢筋密集程度,混凝土拌和物应有相应的流动度,以便较易浇入仓内并易于振捣密实。

目前有些施工单位为减少水泥用量,采用与建筑物不相应的较小流动度(以坍落度表示),入仓不利,振捣后易造成内部蜂窝和混凝土不密实,对此应予纠正。不能因小失大,节省少许水泥而造成无法弥补的质量缺陷。

2.3.7 混凝土抗磨、抗气蚀

有些水工混凝土处于泥砂磨损和高速水流的部位,容易造成磨损和气蚀破坏。对抗磨损或抗磨损和抗气蚀同时存在,常用的措施是表层浇硅粉混凝土,强度标准要高于500kg/cm2(C50),抗气蚀混凝土除强度要高于500kg/cm2外,平整度要求高。要根据流速大小提出升阶和降阶不同的要求。

2.4 混凝土配合比设计

水工混凝土所要求的性能是要通过合理的配合比来体现,做配合比试验时要根据混凝土所处环境、部位和施工条件而定,以满足所要求的性能为准,但有三项指标是必不可少的,即抗压强度,抗渗性和抗冻性(C、W 、F),其他特殊指标,如抗腐蚀、抗磨损、抗气蚀等,以环境和使用条件而定。配合比试验是在满足各项要求条件下,确定采用水泥品种和强度、水灰比、外加剂品种和掺量、掺和料品种和掺量以及不同粒径粗骨料的用量、砂率及应达到的和易性。这样的配合比一般称为基准配合比,或称试验室配合比。在现场施工时,还应根据供料情况、气候条件和所浇筑结构物的尺寸、钢筋密集程度做适应性调整,但以下指标是不能改变的,即水泥品种和强度、水灰比、外加剂品种和掺量、掺和料品种和掺量。粗细骨料不同粒径的用量

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应根据各级骨料的超逊径、砂中含石量及含水量进行调整。浇筑地点的坍落度亦应根据气候条件、结构物的特点、进行调整,即在不改变水灰比的条件下,增减用水量,同时增减水泥用量,以达到适当的坍落度。加水量应扣除砂、石含水量。

2.5 混凝土质量检查和控制

在施工过程应随时检查混凝土所用材料的变化情况,及时调整施工配合比,检查拌和物的拌和情况,有无配料错误。混凝土的水灰比在现场很难及时检查,多以控制坍落度做为检查内容。在一定的配合比时,坍落度的变化是不大的,一旦发现坍落度增大或减小,说明砂石骨料含水量与预计的不同或加水量不准。坍落度增大也就是水灰比大,降低了混凝土质量,坍落度减小,水灰比减小,虽不影响混凝土质量,但不能顺利入仓和振捣,容易发生浇筑不密,甚至造成内部空洞等事故。所以在施工中除用眼观察拌和物的质量外,要经常测定混凝土的坍落度,以做为评定混凝土质量和均匀性的依据。混凝土的抗冻性,除与水灰比、掺和料有关外,还与所用外加剂的引气性能有关。规范规定抗冻混凝土必须加引气剂,在混凝土中形成一定量的微气泡,以提高抗冻性。因此在施工中应经常测定混凝土的含气量,以评定混凝土的抗冻性。

2.6 混凝土基本施工方法

2.6.1 分块和分层浇筑

混凝土建筑物不可能一次完成,必须分成若干个浇筑块,每块又分为若干层,分块的大小一般由设计规定。这里要说的是如果分块过大,由于混凝土凝结硬化时收缩,受地基的约束,受已浇块的约束等因素,易使新浇混凝土产生裂缝、这是在分块时应予注意的。每一浇筑块要分层浇筑,这就形成施工缝是混凝土整体薄弱部位,如处理不当,将造成结构渗水和降低结构强度。因此分层施工缝的位置应置于受力较小和易于施工处理的部位(施工缝的处理在下节中介绍)

2.6.2 铺料方法和铺料厚度

混凝土浇筑块的铺料,一般为水平铺料,由一端向另一端进占,随即振捣,上层也必须同样铺料振捣。斜面浇筑时由低向高水平分层铺料振捣。每层铺料厚度要根据拌和能力、气候条件确定,在铺上层料时,下层料未达初凝。在大面积浇筑时,应加大拌和、供料能力,以满足上述要求。如个别浇筑块面积较大,拌和能力不能满足水平浇筑时,过去曾用过台阶浇筑和斜面

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浇筑的方式。台阶法施工较复杂,不易形成明显台阶,易造成漏振,一般不采用。斜面浇筑适用于长宽比较大,每层浇筑厚度在1.5m以下的结构。斜面坡度1:5～1:7,混凝土坍落度应适当减小,斜面振捣时,每层由下向上,振捣器插入下层的深度不应超过5～10cm。

2.6.3 施工缝处理 1.平缝处理

凡处于施工缝以下的混凝土,浇至顶面时要振捣密实,并将表面抹平,待混凝土达一定强度后用低压水、高压水或人工凿毛。用低压水冲毛应待混凝土接近终凝时开始,并同时用扫帚随冲随扫除冲碴；人工凿毛可在混凝土强度较高时进行,凿毛应全面进行,不得留有光面,凿后用水冲净缝面。在浇筑上层混凝土前,应用压力水重新清理缝面和清除杂物,并使混凝土保持湿润。在浇筑第一层混凝土时,规范规定必须先铺一层厚2～3cm的水泥砂浆,砂浆水灰比应较所浇混凝土水灰比减少0.03～0.05。现在也有不铺砂浆,而铺一层一级配混凝土,或涂刷一层水灰比为0.4～0.5的水泥浆的做法。规范还有一条“铺设工艺应保证新混凝土与基岩或老混凝土结合良好”。这是一条强制性条文,但往往不被理解或忽视。这一条是处理施工缝的关键性工序,很多施工缝处理不当,形成不结合的缝面渗水,主要原因就在此。规范中的上述条文,在老规范中明确说明是用竹刷、钢丝刷将所铺砂浆与老混凝土全面均匀涂刷,随即浇筑混凝土。在老混凝土面上,不论铺砂浆、一级配混凝土或水泥浆,用钢丝刷涂刷是必不可少的。为保证在老混凝土面的涂刷,凡人能进入的浇筑仓,进入涂刷当无问题,不能进入的仓面,在侧面模板接缝处留20～30cm的空隙,待涂刷后用模板封闭,再浇混凝土。

过去在一些习惯中,甚至一些文献资料中,常见一些施工缝处理方式:1.在缝面上插一些石块或插筋,这种做法使凿毛和刷浆难以进行；2.在缝面留凹槽,认为可以增加抗剪强度和渗径,这种做法使下层混凝土难以振实,凿毛、清碴和刷浆困难,浇上层混凝土时骨料易集于槽内。以上所述施工缝习惯作法都是不妥的。

2.立缝处理

混凝土施工,一般很少留立面施工缝,因立面缝很难处理,易于脱开。如不得已而留时,应严格按工艺流程施工。立面施工缝应在先浇块予设插筋,插筋直径一般为16～20mm,间距50～100mm。先浇块拆模后,应尽早凿毛、刷净,并保持缝面湿润。后浇块在每层混凝土浇至立缝面时,先在缝面浇层

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厚度范围涂刷浓水泥浆,待水泥浆失水不下流时,铺坍落度较小的混凝土,先不振捣,停置至混凝土接近初凝时振捣,振捣后加强抹面压实。

3.反缝处理

混凝土留反缝是很少的,多用于一些特殊情况。所谓反缝,是先浇上部混凝土后浇下部混凝土。这种情况多用于不良地质条件的隧洞衬砌(先浇顶拱后浇边墙),和墙面缺陷修补。反缝处理,先将上部混凝土底面凿成由外向内的斜坡,坡度宜为1:1。在浇下部混凝土前先将混凝土面润湿,下部模板立至距缝面口约20cm,待浇至接近缝面时,先在缝面涂刷浓水泥浆,再将模板封闭。模板上口超出混凝土墙面15～20cm,高出缝口约20cm,以便浇入混凝土和振捣。混凝土入仓后应停置至初凝再行振捣。混凝土拆模时间应适当延长,拆模后将超出断面的多余混凝土凿除并用浓水泥浆或水泥砂浆抹平。

2.6.4 混凝土养护

水泥混凝土水化和硬化过程比较缓慢,在水化过程应保持湿度和温度状态。在自然环境中很难达到这一要求,因此必须人工创造湿温条件,即洒水养护和保温。洒水养护的目的是保持混凝土表面有较高的湿度,内部水份不易蒸发而有足够的水份使水泥水化。由于混凝土表面密实、平整,洒水不易保持,复盖吸水材料养护就是必不可少的。混凝土养护洒水不能时干时湿,当干燥时内部水份蒸发,即使是再洒水也不能增加内部水份和改善水化性能。

温度高时水泥水化较快,但如保湿不利,其内部水份蒸发也快,高温对水化有利,但必须要有表面保湿相适应。温度骤降会对混凝土造成冷缩裂缝,因此在温度骤降环境,还应注意保温,使表面与内部温差减小,防止裂缝的发生。

养护复盖材料过去多用麻袋、草袋、草帘,从实用看,既不经济又造成环境污染,目前已很少采用。新疆自97年“乌鲁瓦提”、“635”水库及引额总干渠采用线毯作为养护复盖以来,其他工程也逐步推广应用。用线毯复盖既可以保湿也能保温,是经济、实用的材料,大量推广应用还能拉动废旧棉的利用。

第三章 隧洞混凝土衬砌施工 3.1 隧洞混凝土施工条件

隧洞混凝土衬砌是处于周围受围岩约束,只有一个工作面的结构,施工条件与露天建筑物相比更为不利,对衬砌混凝土的施工要求更高。

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3.2 隧洞混凝土衬砌结构形式和功能

隧洞衬砌形式根据其运行功能,常用的形式有:方圆形断面(又称城门洞形),平底直墙圆弧顶拱；

马蹄形断面,底板、边墙、顶拱为不同半径的圆弧形；圆形断面。方圆形断面主要用于明流隧洞,也可用于水头不大的压力隧洞；马蹄形断面主要用于地质条件差,围岩软弱或有膨胀性的明流隧洞；圆形断面主要用于承受内水压力的压力隧洞。

3.3 隧洞混凝土衬砌的分段和分块

隧洞衬砌混凝土要分段施工,分段长度规范推荐6～12m,这要根据围岩的约束条件、施工气候和工作环境而定。围岩约束大(如不平整的硬岩),分段长易产生环向裂缝,过短增加接缝处理的工程量,一般采用8～10m。分段接缝一般要设止水,止水多用止水橡皮或紫铜片,且应设在混凝土内部。实践证明,内部止水在施工时很难做好,多数工程存在漏水现象,在未受水压时又很难确定那条止水缝漏水,为安全计往往对所有止水缝又重新做了外止水,如乌鲁瓦提冲砂洞和发电洞,喀浪古尔泄水发电洞等。鉴于此,有的工程在设计时就只设外止水(表面止水)或保留内止水又增加一道外止水,如引额总干渠乌伦古河渡槽是外止水,引额济乌干渠,三个泉倒虹吸进出口明槽是内、外两层止水。从发展看,对承受水压较大的衬砌和漏水会造成严重后果的衬砌采用外止水是更为安全可靠的。

隧洞衬砌是一个完整的结构,但在施工时又必须分块浇筑,一般情况应先浇底板或底拱,再浇边墙顶拱,施工缝为平缝易于处理。当地质条件较差时,为及早支护,也可采取先浇边顶拱后浇底板或先浇顶拱后浇边墙和底板,施工缝为立缝或反缝,必须特殊处理。

3.4隧洞衬砌混凝土浇筑

在二十世纪七十年代以前,由于施工水平和设备的限制,混凝土多以人工入仓,衬砌混凝土浇筑次序多为底板、边墙、顶拱分别浇筑,施工缝形成四处(底板与边墙,边墙与顶拱)。底板与边墙施工缝设在底板面,边墙与顶拱施工缝设在拱脚。施工缝处正是受弯矩和剪力最大部位,一旦处理不好将影响结构强度且渗水。七十年代以后,由于施工水平提高,混凝土泵的普遍采用及钢模台车的推广应用,衬砌混凝土浇筑次序多为先浇底板或底拱,再浇边顶拱,一次浇筑边墙与顶拱,不留施工缝。边墙与底板的施工缝设在边墙内,即浇底板时同时浇筑一段边墙,高约30～40cm,施工缝采用上述平缝

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处理办法。边墙模板或钢模台车下部必须留出人工涂刷砂浆或细粒混凝土的空间,涂刷后用模板封闭随浇混凝土。为保证混凝土的质量,边墙混凝土由边墙予留天窗入仓,不得由顶拱溜料入仓。由于边墙和顶拱混凝土连续浇筑,为避免边墙混凝土沉陷裂缝,在边墙混凝土浇至拱脚时应停置一定时间,接近初凝时再浇顶拱混凝土。顶拱混凝土入仓点每浇筑段不应少于三处,并设监测管,保证混凝土浇至设计厚度以上。如用钢模台车浇筑边顶拱,在顶拱混凝土浇完达终凝时,将钢模台车顶拱部位的支撑结构放松,放松不能使模板脱离顶拱混凝土底面,使顶拱混凝土具有初始压应力,避免发生纵向裂缝。

隧洞圆形断面衬砌是先浇底部园弧,园心角为90°,施工缝仍留平缝(水平形式),便于凿毛、清理及铺浆和涂刷。施工缝不平行剪切面,对结构强度有利。一些文献上和有的专家提出施工缝应为径向并应设凹槽。由于衬砌为双层钢筋，这种形式难以凿毛，清仓冲洗和刷浆，浇上层混凝土时，大骨料易滑向内面，造成不密实，故在施工上难以实施。

第四章 水工建筑物基岩灌浆施工 4.1 灌浆的目的和作用

4.1.1 岩石特性及施工的影响

水工建筑物所处的基岩,由于成岩时间久远(数千万年至数亿年),受地壳变动、风化、干湿、地下水侵蚀等多种因素的影响,会产生裂隙、破碎、断裂等性状,不同程度地影响水工建筑物的使用功能。加之在对基岩的施工过程,由于开挖、爆破等因素,也会产生新的破裂、破碎情况。为确保水工建筑物的使用功能,一般要对存在以上情况的基岩进行灌浆处理。

4.1.2 灌浆的基本作用

灌浆的基本作用就是将化学材料(人工材料)利用专门的机械,加压灌入岩体裂隙中,充填和胶结已有裂隙和破碎的岩石,使其成为或接近完整的岩体,以增加其强度和不透水性。

4.1.3 不同建筑物对灌浆的要求

水工建筑物使用功能不同,有不同的灌浆要求。为加固基岩提高抗压强度时,多用高强的材料灌浆,即为固结灌浆；为提高基岩的防渗性能,多用一般强度和弹塑性材料灌浆,即为防渗灌浆。

4.1.4 灌浆所用的材料

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水工建筑物对基岩的要求不同,所用灌浆材料亦有所不同。最常用的灌浆材料是硅酸盐水泥,可用于各种不同要求的灌浆,灌入的水泥要具有相应的强度和不透水性。对一些特殊要求的基岩灌浆有用环氧树脂灌浆(如承受高抗压强度的基岩),磨细水泥灌浆和化学材料灌浆(如要求高防渗性的基岩)等。如基岩裂隙水含有硫酸盐对普通水泥具有侵蚀性,必须用相应的抗硫酸盐水泥灌浆。

4.2 灌浆的分类

4.2.1 固结灌浆

在建筑物与基岩的接触范围的灌浆,以增加表层岩石的整体性和强度为主,一般灌浆深度在10m以内,多以水泥作为灌浆材料。

4.2.2 帷幕灌浆

在建筑物与基岩接触范围的某一位置的灌浆,在基岩内形成一道防渗结构,形同帷幕,以增强基岩的防渗性为主,一般灌浆深度较深,在几十米至数百米。一般用水泥或磨细水泥作为灌浆材料,如防渗要求高时,可附加化学灌浆。

4.2.3 回填灌浆(充填灌浆,接触灌浆)

由于混凝土结构在与基岩接触部位难以完全密实或混凝土无法完全浇筑留有空间,必须进行接触或回填灌浆,典型工程是隧洞混凝土或钢筋混凝土衬砌的顶拱。一般用浓度大的水泥浆或水泥砂浆灌浆。

4.3 隧洞灌浆

4.3.1 隧洞衬砌形式和灌浆要求

水工隧洞衬砌形式,常用的有方园形断面、马蹄形断面和园形断面,永久衬砌结构有混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌,另外少数隧洞采用锚喷混凝土衬砌或浆砌条石或混凝土预制块衬砌。根据泄水功能有明流(无压流)隧洞和压力(有压流)隧洞。一般明流隧洞和压力水头较小时多采用方园形断面。在地质条件差、外水压力大和围岩具有膨胀性时应采用马蹄形断面或园形断面。有压隧洞压力水头较大时皆采用园形断面。隧洞衬砌后的灌浆有回填灌浆和固结灌浆。回填灌浆是用浓水泥浆或水泥砂浆灌注衬砌顶部与围岩的空腔；固结灌浆是用水泥浆灌注整个衬砌的外层围岩。凡用混凝土和钢筋混凝土衬砌的顶部(顶拱),必须进行回填灌浆。一般明流隧洞不进行固结灌浆,但当围岩破碎,外水压力大时应进行固结灌浆以减小围岩和外水的压力及外水沿洞壁的渗流。压力隧洞除必须进行回填灌浆外,一般都要

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进行固结灌浆,以提高围岩的整体性和强度、增加围岩对内水压力的抗力。灌浆程序是衬砌完成达一定强度后,先进行回填灌浆,后进行固结灌浆。

4.3.2 灌浆孔的预留方式

不论回填灌浆和固结灌浆,都要在衬砌结构上有孔。无钢筋的混凝土衬砌,用风钻直接在混凝土衬砌钻孔。钢筋混凝土衬砌多采用预埋钢管或直接在衬砌上打孔。这两种方法存在的问题是预埋钢管,不仅消耗大量管材,且埋入的钢管在浇筑混凝土时容易移位,事后难以找到或钢管偏移了方向不能使用,不得不直接在衬砌上打孔。钢管与衬砌增加了接触面,容易造成漏水,封灌浆孔时,钢管不易与封孔水泥浆紧密结合,同样易漏水。无论是钢管找不到还是封孔漏水,对有压隧洞都是不利的。直接在钢筋混凝土衬砌上打孔,往往碰到钢筋,打孔困难,有时在一个孔位上要打四、五个孔才能打通衬砌,不仅费工费时,消耗钻孔材料,也破坏了衬砌结构的整体性,有时还会把主筋打断影响结构强度。预留灌浆孔较有利的方法是采用拔管法预留灌浆孔。具体方法是在浇筑混凝土的模板上或钢模台车的模板上,按设计所定灌浆孔位,在模板上钻孔,孔径稍大于预埋钢管外径约1~2mm,将一端焊有钢环,长度大于衬砌厚度加模板结构厚度的钢管插入孔内,其内端用细铅丝固定于外层钢筋上,使其不变位。在浇筑混凝土时,已埋入混凝土的钢管由专人定时转动钢管(一般每隔30分钟转动一次),直至埋入钢管的混凝土终凝后即可随转动将钢管拔出。其上层的钢管按同样要求依次进行。拔管法预留灌浆孔,可大大减少衬砌打孔的时间和费用,减少钢管的用量,同时灌浆孔定位准确,灌浆封孔质量得以保证。这种拔管留孔的方法,目前施工单位很少采用,主要原因是衬砌与灌浆不是同一个施工单位,各自图省事而不计工费。要解决这一问题,设计和业主单位在投标时应明确规定衬砌单位在模板上按设计灌浆布置钻孔,在混凝土浇筑时由灌浆单位派专人埋管和拔管,才可以实施。

4.3.3 回填灌浆的分序和技术要求

回填灌浆部位是顶拱衬砌顶面与围岩未能相接的空腔,在横断面上一般预留3个孔,即中心线和距中心线1~3m处(视隧洞断面大小和顶拱的形式),排距宜为2~6m,一般采用4~6m或6m,每一回填灌浆区段以不超过50m为宜。回填灌浆孔钻孔深度应伸入围岩5~10cm,每一区段灌浆时应由低一端开始,向较高一端推进,一般分两序进行,同一序孔可全部钻通,先灌两边排孔,后灌中间排孔。灌浆时下一灌浆孔出浆即停灌,改由下一孔灌浆。浆液

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浓度一序孔可灌注水灰比为0.6或0.5的水泥浆,二序孔可灌注水灰比为1和0.6~0.5的水泥浆。水灰比不允许过大是因为顶拱混凝土浇筑时往往难以达到设计断面厚度,在回填灌浆时以低水灰比的水泥浆弥补衬砌厚度的不足,灌浆后的结石强度接近或超过混凝土强度。回填灌浆的压力应根据混凝土衬砌厚度和配筋情况确定,对混凝土衬砌可采用0.2~0.3Mpa(2~3kg/cm2),钢筋混凝土衬砌可采用0.3~0.5Mpa。在实际施工中,对厚度较薄的衬砌(0.5m以下)多采用小值即0.2Mpa和0.3Mpa,以保证灌浆不造成衬砌破坏(主要是压力大使顶拱产生纵向裂缝)。回填灌浆后的质量检查,应在检查部位灌浆结束7天后进行,检查孔数宜为灌浆孔数的5%,检查孔应布在脱空较大,串浆集中、异常等部位。质量检查采用钻孔注浆法,向孔内注入水灰比为2:1的浆液,在规定压力下(灌浆时的压力),初始10分钟内注入量不超过10升,认为合格,如不合格,该区段必须重灌。

4.3.4 固结灌浆的排序和技术要求

对需进行固结灌浆的隧洞,应在回填灌浆完成后进行。如衬砌未预留灌浆孔,应用风钻打孔,并用压力水冲净孔内和裂隙的岩粉。灌浆前应对少数孔进行压水试验,测定围岩透水率以确定灌浆压力和浆液浓度,压水试验的孔数不少于总孔数的5%。

固结灌浆孔的排距宜采用2~4m,一般多采用3m,每排不少于6孔,孔深可取0.5倍隧洞直径或洞宽,灌浆压力可采用1~2倍内水压力或不大于3Mpa。

固结灌浆时应按环间分序,环内加密。环间一般分为两序,环内多采取先灌底部孔,依次上升,灌浆多采用单孔灌浆或对称双孔灌浆。一般在孔深小于6m时可全孔一次灌注。灌注浆液浓度应根据压水试验测定的透水率,确定起始水灰比并以由稀变浓的原则变换,开灌水灰比一般采用5:1或3:1,终灌浆液浓度为0.5:1。固结灌浆结束标准为在规定压力下,灌浆孔段注入率不大于0.4l/min,延续30分钟即可结束。

固结灌浆质量检查,一般采用压水试验测定透水率。压水试验应在该部位灌浆结束7天后进行。检查孔数不少于总孔数的5%,压水试验孔段合格率应在80%以上,不合格孔段的透水率值不超过设计规定值的50%,且不集中,灌浆质量可认为合格。如不合格应在不合格孔段范围补灌(不合格孔段范围,多指不合格孔两侧合格孔之间的范围)。

4.3.5 特殊地段的灌浆

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在隧洞沿线所遇地质情况有时差别很大,特别是不良地质洞段和隧洞与其他建筑物的关系。对

这些情况应作特殊灌浆。不良地质洞段应加密加深灌浆孔；沿洞壁围岩透水性较大,为减少沿洞渗流和降低外水压力,要在隧洞前部做阻水环。阻水环为沿洞的放射形固结灌浆,排数不少于三排,每排孔的间距约为固结孔的1/2,深度至相对不透水围岩或固结灌浆透水率的1/2。隧洞与坝肩帷幕相交时,灌浆孔排数应与帷幕相应,并在洞内作放射形灌浆与帷幕衔接一个灌浆段,灌浆透水率标准同帷幕要求。

4.4 坝基基岩灌浆

4.4.1 坝基灌浆的种类和作用

土石坝防渗体与基岩相接,如基岩破碎、渗流较大,强度和防渗不能满足要求时,一般采取水泥灌浆措施。增加基岩强度和整体性的灌浆为固结灌浆,为减小渗流增加防渗能力的灌浆为帷幕灌浆。固结灌浆范围较大,多为防渗体与基岩接触面全面灌浆,又称铺盖式灌浆,孔深较浅。帷幕灌浆只是在接触面一定部位垂直于渗流设一排或两排灌浆,孔深较深,有时达设计水头深度。为保证灌浆质量和防渗体与基岩的结合,在灌浆范围的基岩面浇筑一层混凝土盖板,盖板厚度0.5~1.0m,多采用0.5m。盖板要分块浇筑,缝间设止水和填料。

4.4.2 固结灌浆

在有固结灌浆和帷幕灌浆时,应先进行固结灌浆,后进行帷幕灌浆,以使表层基岩强度和整体性增加,在进行帷幕灌浆时,有利于提高灌浆压力和防止基岩抬动,提高灌浆效果。固结灌浆孔深宜为5~10m,孔、排距3.0~4.0m。灌浆压力,当有混凝土盖板时,初选为0.2~0.5Mpa,具体数值以不抬动盖板为准,固结灌浆孔深一般不超过10m,多采用6m,通常情况采用一个灌浆段。灌浆应按分序加密的原则进行,一般分为二序,即先隔孔灌浆为一序,一序灌后,再灌二序。固结灌浆结束标准是在规定的压力下,当注入率小于0.4l/min时,继续灌注30分钟,灌浆可以结束。固结灌浆的质量检查宜采用测量岩体波速和静弹性模量的方法,判断灌浆前后的变化以评价固结灌浆质量改善程度。质量检查也可采用压水试验方法,检查孔数量不少于灌浆总孔数的5%。压水试验检查,孔段合格率应在80%以上,不合格孔段的透水率值不超过规定值的50%,且不集中,灌浆质量可认为合格。如不合格应对不合格孔段的范围补灌。

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有时防渗体与基岩接触面较窄,只设一排帷幕和少排固结灌浆,为提高灌浆的防渗效果,也可将固结灌浆作为防渗的副帷幕,固结灌浆按帷幕灌浆要求进行,即先进行接触灌浆,再进行下一段的灌浆,灌后压水检查标准是透水率不大于规定值,且合格率为100%。

4.4.3 帷幕灌浆

4.4.3.1 帷幕灌浆的标准和孔、排距

帷幕灌浆标准应按灌后基岩的透水率控制。现行规范规定,1级、2级坝及高坝(坝高大于70m)透水率宜为3~5吕荣(lu),3级及其以下的坝透水率宜为5~10吕荣。(lu的单位是在1Mpa压力下,每米灌浆段在1分钟内,透水多少升计,以l/Mpa·m·min表示。过去多用吸水率表示,l/min·m·m,透水率值为吸水率值约100倍)。透水率与渗透系数的大致关系为3～5lu约相对渗透系数为10-5cm/s,5～10lu约相对渗透系数为10-4cm/s。

帷幕排数,过去以渗透比降确定,在一定的允许基岩渗透比降的条件下,水头差越大帷幕排数越多。这种决定排数的理论是把基岩看做均质透水体,把压入的渗水平均算于基岩的挡水面积。但实际上基岩本身是不易透水的,透水皆为基岩裂隙,计算方法与实际有较大的差别。目前已不采用渗透比降决定帷幕排数,而认为只要灌浆堵塞了基岩裂隙就起到了防渗作用。现行规范规定宜采用一排灌浆孔,只有基岩破碎带或断层带宜采用两排或多排。但在实际应用中,认为一排难以截断基岩裂隙,而帷幕灌浆又是隐蔽工程,处于坝下基岩内,一旦有问题很难或无法补救,因此多采用两排或三排。帷幕灌浆的孔、排距宜为1.5m~3m；一般排距小于孔距。用两排或三排灌浆孔时,按梅花型布置。帷幕灌浆孔的深度以基岩相对不透水层的透水率与灌浆要求的透水率相同。

4.4.3.2 帷幕灌浆的方式和适用条件

帷幕灌浆通常采用的方式有:自上而下分段灌浆,自下而上分段灌浆和综合灌浆法。

自上而下灌浆是先钻一段孔进行灌浆,该段灌浆结束后再向下钻一段孔进行灌浆,依次向下分段灌浆直至设计灌浆深度。此法适用于地质条件差,在以下的灌浆段压力可以提高、灌浆效果较好,一般在灌浆深度不大在50m以内多采用自上而下灌浆法,但灌浆效率较低,消耗浆液多。

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自下而上灌浆是灌浆孔一次钻至设计深度由下而上分段灌浆。此法适用于地质条件较好,灌浆深度较大的条件,灌浆效率较高,废液量少,但卡塞困难,易于串浆和埋塞造成事故。一般较少采用自下而上灌浆法。

综合灌浆法是先自上而下灌注一定深度后,再采用自下而上灌浆。此法适用于基岩表层较破碎、下部基岩较好的地质条件,充分利用自上而下和自下而上的优点,以提高灌浆效率。

4.4.3.3 帷幕灌浆的程序和方法

当帷幕采用二排或三排时,应先灌下游排后灌上游排,最后灌中间排,这是因为地下水总是从上游流向下游,先灌下游排,虽在灌浆时有浆液流失,但在灌上游排时会形成一道阻水阻浆幕,减少上游排灌浆时浆液流失,提高上游排灌浆效果。最后灌中间排有上下游排的阻隔,灌浆效果更好。

帷幕灌浆在同一排内一般分三序钻孔灌浆,即第一序孔之间留有三个灌浆孔,第一序灌至设计深度后,再灌第一序之间的中间孔,为第二序,最后灌第一序和第二序之间的孔为第三序。所以分序是采用逐渐加密的原则,第二序补灌一序的不足,第三序补灌一序、二序之不足,以提高灌浆效果。

帷幕灌浆时,每一灌浆孔应先灌盖板与基岩的接触部位,称为接触段。接触段深入基岩的深度不得大于2m,灌后待凝应不少于24小时。其下再进行分段灌浆,分段长度通常不超过5m。各灌浆段之间可不待凝,连续钻孔灌浆。

灌浆压力应通过灌浆试验确定,特别是在灌注接触段及其下一段时,灌浆压力应由低逐渐提高,以使盖板抬动不超过规定值为准(抬动允许值不超过200微米即0.2mm)(监测盖板抬动有绝对抬动和相对抬动两种方法,设计应对施工单位提出要求)。灌浆浆液的浓度应由稀到浓逐级变换,开灌水灰比可采用5:1逐渐变浓最终结束为0.5:1。帷幕灌浆的结束标准是当采用自上而下分段灌浆时,在规定压力下,当注入率不大于0.4l/min时,继续灌注60min,灌浆可以结束。

4.4.3.4 帷幕灌浆深度和验证

基岩灌浆帷幕深度一般由设计根据地勘提供的基岩沿深度透水率资料以确定灌浆深度。但由于地质条件的复杂性,仅靠少数地质钻孔提供的资料,是很难涵盖整个坝基情况的,因此在施工时要进行复查。一般是在帷幕灌浆一序孔中选择部份孔位做为先导孔,由上而下分段钻孔做压水试验直至设

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计深度以下两段,以验证基岩透水率大小,做为修正设计深度的依据,在分段压水试验后随即进行灌浆。

规范规定各序孔的各灌浆段在灌浆前宜进行简易压水检测透水率,以确定开灌水灰比。但这种方法有其不利的一面,就是上段灌浆后未待凝,下段压水试验易冲淡或冲去上段已灌浓浆。故在施工中多不采用每段压水的方法,只要求达到设计深度的最后一段做压水试验,测定该段透水率是否满足设计要求。如不能满足随即灌浆后再向下钻一段重测透水率,如仍不能满足,灌浆后再向下钻一段,随后灌浆该孔即结束。如透水率较大,可能存在不利结构,应提供资料由设计做出处理决定。

4.4.3.5 帷幕灌浆质量检查

帷幕灌浆结束14天后必须进行质量检查,检查孔数量宜为灌浆孔总数的10%。检查孔应布置在帷幕中心线上,岩石破碎、断层、大孔隙等地质条件复杂的部位、注入量大的孔段附近、钻孔偏斜过大、灌浆情况不正常的部位。质量检查应以检查孔分段压水试验成果为主,接触段应单独进行压水试验并结合对竣工资料和测试成果的分析综合评定。检查孔压水试验结束后,进行全孔灌浆和封孔。

压水检查成果,基岩与盖板接触段及其下一段,合格率应为100%,再以下的各段合格率应在90%以上,不合格段的透水率值不超过设计规定值的100%,且不集中,灌浆质量可认为合格。如不合格,应在不合格孔与合格检查孔之间重新钻孔检查,如新检查孔合格,则应在不合格孔两侧新合格孔之间重新补充灌浆。如检查孔虽不合格但与规定值相差不大,或在非重要部位,可由建设单位会同设计、监理、施工单位商定处理方案。

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计深度以下两段,以验证基岩透水率大小,做为修正设计深度的依据,在分段压水试验后随即进行灌浆。

规范规定各序孔的各灌浆段在灌浆前宜进行简易压水检测透水率,以确定开灌水灰比。但这种方法有其不利的一面,就是上段灌浆后未待凝,下段压水试验易冲淡或冲去上段已灌浓浆。故在施工中多不采用每段压水的方法,只要求达到设计深度的最后一段做压水试验,测定该段透水率是否满足设计要求。如不能满足随即灌浆后再向下钻一段重测透水率,如仍不能满足,灌浆后再向下钻一段,随后灌浆该孔即结束。如透水率较大,可能存在不利结构,应提供资料由设计做出处理决定。

4.4.3.5 帷幕灌浆质量检查

帷幕灌浆结束14天后必须进行质量检查,检查孔数量宜为灌浆孔总数的10%。检查孔应布置在帷幕中心线上,岩石破碎、断层、大孔隙等地质条件复杂的部位、注入量大的孔段附近、钻孔偏斜过大、灌浆情况不正常的部位。质量检查应以检查孔分段压水试验成果为主,接触段应单独进行压水试验并结合对竣工资料和测试成果的分析综合评定。检查孔压水试验结束后,进行全孔灌浆和封孔。

压水检查成果,基岩与盖板接触段及其下一段,合格率应为100%,再以下的各段合格率应在90%以上,不合格段的透水率值不超过设计规定值的100%,且不集中,灌浆质量可认为合格。如不合格,应在不合格孔与合格检查孔之间重新钻孔检查,如新检查孔合格,则应在不合格孔两侧新合格孔之间重新补充灌浆。如检查孔虽不合格但与规定值相差不大,或在非重要部位,可由建设单位会同设计、监理、施工单位商定处理方案。

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