深厚層無碾壓土石圍堰防滲施工技術的研究與應用.doc

深厚層無碾壓土石圍堰防滲施工技術的研究與應用 王利WANGLi （中國水利水電第十工程局有限公司，成都610083） 摘要：作者講述本人在四川嘉陵江上石盤電航綜合樞紐工程施工中，對水下深厚層無碾壓土石圍堰防滲體系施工技術的研究與成功應用，為類似土石圍堰工程防滲施工提供借鑒和成功經驗。 關鍵詞：深厚層；無碾壓；土石圍堰；防滲；技術 ：TV543：A：1006-4311（xx）17-0141-05 作者簡介：王利（1976-），男，四川仁壽人，高級工程師，中國水利水電第十工程局有限公司嘉陵江上石盤電航綜合樞紐工程項目經理部副經理兼總工程師，長期從事水利水電工程施工技術與管理工作。 0引言 高壓噴射灌漿技術自20世界70年代引進至我國，后逐漸在各行業(yè)建筑工程領域推廣，普遍應用于建筑物的地基加固，提高地基承載能力。高噴灌漿技術在水利水電行業(yè)中除了地基加固外，更為廣泛地應用于水工建筑物的防滲工程中，與一般的地基加固相比，建造高噴防滲墻有不同的特點和要求，多年來經過我國水利水電工程行業(yè)廣大工程技術人員的共同努力，在各種規(guī)模的水工建筑物中建造了大量的高噴灌漿防滲墻，積累了一些成功經驗。 我國水利水電工程界技術人員通過大量工程實例證明，高噴防滲墻施工技術主要適用于軟弱地層，在淤泥質土層、粉質黏土、粉土、砂土、黃土、級配較好的砂卵（碎）石層等松散透水地基或填筑體內的防滲工程中，效果較好。對含有較多漂石或塊石的地層，需慎重使用，且在某些水電工程項目有失敗的教訓，如某公司在重慶烏江某水電站高噴防滲墻施工失敗，造成發(fā)電工期滯后；某公司在四川岷江某水電站高噴防滲墻施工失敗，給工程防洪度汛造成嚴重影響；某公司在四川青衣江某水電站高噴防滲墻施工失敗，使工程工期延誤了一個枯期等等。根據水利水電工程施工特點，工程基本處于深山峽谷區(qū)，河道中存在大量的漂石和大塊石。嘉陵江上石盤電航綜合樞紐工程中的土石圍堰是當地人多年反復采用船采砂石料后，河床形成了深槽區(qū)，深槽區(qū)內有采砂船拋投的大量廢棄塊石料，且圍堰是在水下深厚層無法實施碾壓的條件下填筑而成的，圍堰存在大塊石集中、圍堰填筑體結構松散等復雜的地質條件，基本沒有類似的工程成功經驗可借鑒。因此，本工程圍堰的防滲施工具有極大的挑戰(zhàn)性和重要意義。 為了使本工程圍堰防滲墻施工取得成果，本文做了大量的試驗研究和技術工作，根據高噴防滲墻成墻機理和工藝特點，本文采取了高壓旋噴、高壓旋噴和高壓擺噴相結合、高噴和傳統(tǒng)的控制性灌漿堵漏技術相結合的方法進行圍堰防滲體系施工。 1工程介紹 1.1工程概況 嘉陵江上石盤電航綜合樞紐工程屬嘉陵江干流四川廣元至蒼溪河段梯級開發(fā)的第一級，工程壩址位于四川省廣元市嘉陵江河段下游，樞紐工程開發(fā)任務為發(fā)電、航運、建設城市水環(huán)境和景觀工程，并兼有提高城市防洪能力的作用，屬河床式開發(fā)，水庫正常蓄水位472.5m，總庫容6860萬m3，日調節(jié)庫容412萬m3。電站額定水頭13.4m，引水流量253.4m3/s，電站裝機容量30MW，為貫流式機組。船閘按級航道通行2500t級船隊，船閘單向年過閘貨運量近期為62萬t，遠期為109萬t。嘉陵江上石盤電航綜合樞紐工程建筑物垂直河流呈“一”字型排列，沿壩軸線自左至右依次為左岸連接壩段、船閘、泄洪沖砂閘及右岸廠房。壩軸線全長378.5m，泄洪沖砂閘閘室共13孔，單孔凈寬14m，閘軸線總長為223m，閘壩最大高度39m。右岸廠房包括進水口建筑物、主廠房、副廠房、開關站、尾水渠及進廠交通公路等。船閘由上引航道、上閘首、閘室、下閘首和下引航道組成。 本工程合同工期為32個月，主要工程量有土石方開挖157萬m3，混凝土澆筑36萬m3，鋼筋制安6500噸，金屬結構制作安裝3850t，圍堰填筑33.7萬m3，圍堰高噴防滲墻35150m，合同金額為人民幣32336.91萬元。 1.2地質條件 工程區(qū)內地下水類型主要有第四系松散堆積層中的孔隙潛水、基巖裂隙潛水、基巖裂隙空隙承壓水三種類型。主要為賦存于河床、漫灘砂卵礫石層中，砂卵礫石滲透系數K=1.910-19.710-3cm/s，平均值K=3.510-2cm/s，屬強透水層，含水豐富。地下水位與河水位關系密切，隨河水漲落而變化。 圍堰經過左右岸漫灘及河床，圍堰地段漫灘覆蓋層厚度一般7.1m9.6m，河床覆蓋層厚度一般11.8m23.7m，縱向圍堰及左岸下游圍堰位于河谷基巖深槽區(qū)，上、下游圍堰地基覆蓋層厚度6m21m，主要由砂卵礫石組成，局部夾中細砂透鏡體。砂卵礫石層滲透系數K3.5102cm/s，屬強透水層，應進行防滲處理。由于受當地人多年反復船采砂石料的影響，縱向圍堰河床段形成了深槽區(qū)，水下深度一般在10m20m。 1.3施工進度規(guī)劃 根據嘉陵江上石盤電航綜合樞紐工程施工進度規(guī)劃，工程分為兩期施工。施工導流采用兩期兩段分期導流的方式，為土石圍堰結構。第一期為全年圍堰導流，導流時段為xx年11月1日xx年9月30日。一期上游圍堰堰頂高程為EL471.5m，土石圍堰堰頂至基巖面高度約為40m，圍堰長度為687m。第二期為枯期導流，導流時段為xx年10月1日xx年4月30日，二期上游圍堰堰頂高程為EL464m，土石圍堰堰頂至基巖面高度約為24m，圍堰長度為665m。 2圍堰填筑施工 本工程圍堰采用土石圍堰結構，分水上和水下兩部分施工。當地人多年反復采用船采砂石料后，河床形成深槽區(qū)。縱向圍堰深槽區(qū)水下填筑深度約25m左右，由于水下深厚層土石圍堰填筑時無法實施碾壓，圍堰的防滲體系施工將是極大的挑戰(zhàn)。因此，水下圍堰填筑時盡量采用級配相對較好的土石料和砂卵石料進行填筑，避免用大塊徑拋填。水上部分的圍堰填筑按照土石壩施工工藝分層填筑分層碾壓。 3一期圍堰防滲體系施工 3.1防滲方案的確定 根據本工程實際情況，并結合類似工程施工積累的成功經驗，該土石圍堰可采用混凝土防滲墻和高噴防滲墻兩個方案。根據施工進度計劃安排，一期需要完成土石方開挖55萬m3，混凝土澆筑17.5萬m3；二期需要完成土石方開挖51萬m3，混凝土澆筑18.5萬m3。由于工期緊，任務重，從工期、工程投資和施工條件綜合分析論證，最終確定采用高噴防滲墻施工方案。 3.2高噴防滲墻工藝介紹 高噴防滲墻是依靠高壓噴射灌漿形成的連續(xù)防滲墻。高壓噴射灌漿是一種采用鉆孔，將有特制合金噴嘴的注漿管下到預定位置，然后用高壓水泵和高壓泥漿泵（3040MPa）將水或漿液通過噴嘴高速噴射出來，通過高速射流束沖擊、切割破壞地層，使水泥基質漿液在噴射范圍內擴散、充填和置換，并與原地層摻混攪合后形成凝結體，從而改變原地層的結構和組成，提高地基和壩體防滲性能和承載力的新型防滲施工技術。高壓噴射灌漿的施工方法有單管法、二管法、三管法和多管法。高噴灌漿噴射形式有高壓旋噴、高壓擺噴和高壓定噴三種。噴嘴噴射時，一邊提升，一邊進行旋噴則形成柱狀墻體；一邊提升，一邊進行擺噴則形成啞鈴狀墻體；一邊提升，方向固定不變，進行定噴，則形成板狀墻體。 高壓旋噴灌漿施工示意及工藝流程見圖1、圖2。 3.3一期全年圍堰防滲施工 根據鉆孔勘察資料和圍井試驗鉆孔資料分析，本工程土石圍堰主要由砂卵礫石層和回填砂卵石土層組成，并結合嘉陵江流域類似工程施工經驗，一期圍堰高噴灌漿采用旋噴形式。 3.3.1高噴鉆孔 鉆孔采用中風壓空氣潛孔錘雙偏心鉆進方法，鉆機型號為YXZ-90，鉆孔直徑146mm，入巖1m。該施工工藝方法改變了傳統(tǒng)的研磨與切削鉆進機理，使巖石及礫石成體積破碎，大大提高了鉆進速度和成孔質量，且在碎巖的同時導管同步跟進，避免了鉆孔垮塌和重復破碎，提高了施工效率。在該工藝方法中，空氣既為碎巖提供動力又作為排渣的介質使巖屑及時排出孔外，保證了鉆孔的清潔和垂直度。鉆進結束后，采用直徑110mm的pvc管將地質套管置換出孔外，再將孔口保護好。 3.3.2高噴灌漿 本次施工采用XPB-90E高壓注漿泵進行送漿或送水，采用GYP-50步履式和ZL-50B履帶式兩種高噴臺車進行噴漿施工。 注漿材料：采用散裝P.O42.5R硅酸鹽水泥，保證高噴墻體強度。 水灰比：“雙管法施工”采用水灰比為11純水泥漿，“三管法”采用水灰比為0.8:1的水泥漿。 高壓噴射灌漿臺車就位，并先在地面進行試噴，以檢驗噴漿機械的各種性能，然后將噴射管下放至孔底，自下而上進行旋噴。噴漿開始時先送入符合要求的水、氣、漿，孔底靜噴13min，待注入的漿液正常返出孔口后，按監(jiān)理人批準的施工參數自下而上邊噴射、邊轉動、邊提升，直到設計高程。噴射灌漿結束后，繼續(xù)往孔內送水泥漿液或將正在噴漿施工所返出的漿液匯入已噴漿結束的孔內，直至孔口漿液下降不明顯為止。當噴射工作完畢后，及時對各管路沖洗干凈。 根據高噴圍井試驗成果選定的高壓旋噴灌漿施工參數如表1所示。 一期圍堰高噴防滲墻工程量為18560m，計劃工期為60天。由于一期工期非常緊張，業(yè)主要求將一期圍堰高噴防滲墻施工工期壓縮至45天完成。施工單位項目部于xx年12月8日開始進行一期圍堰高噴鉆孔施工，xx年1月15日完成。待凝7天后，進行一期基坑排水，至2月2日，投入90160kW的離心式水泵共計12臺，總功率971kW，額定排水量7850m3/h，盡管如此，仍無法將水抽排下去，未能達到預期的防滲效果。xx年2月10日，業(yè)主邀請設計單位、咨詢公司、施工單位及資深的高噴防滲施工專家組織召開專題研討會，研究論證一期圍堰滲水處理方案。 各位專家一致認為，由于工程區(qū)域河道被當地人反復船采過砂石骨料形成了大量的深槽區(qū)，地質情況發(fā)生了極大變化，水下無碾壓深厚層土石圍堰填筑體相對不密實，給防滲體系施工帶來極大難度。加之一期全年圍堰汛期將承受35m及以上的水頭壓力，專家組認為，超過20m孔深的圍堰段采用雙排高噴防滲墻較有保障。 3.4一期全年圍堰防滲補強處理施工情況 3.4.1補強處理方案確定 經現(xiàn)場勘查，主要集中涌水段位于下游圍堰，0+4650+599m段長134m，縱向圍堰存在多處滲水段，上游圍堰無明顯滲水點。經分析論證，確定對下游圍堰0+4650+599m段集中涌水段采用控制性灌漿補強，0+600+465m段圍堰增設雙排高噴孔，第二排高噴防滲墻布置于第一排高噴墻軸線外側60cm處，間距1m，分兩序施工。其余部分為右岸岸坡段孔深15m以下的淺孔，視情況進行補強處理。 3.4.2控制性灌漿防滲機理 控制性灌漿防滲機理和帷幕灌漿機理基本相同，主要利用水泥漿液的滲透和擴散機理起到防滲的作用。不同的是控制性灌漿從灌漿可控性出發(fā)，結合流體和固體的受力特征，應用水泥漿液加外加劑（如水玻璃、絮凝劑等）后迅速失去流動性而變成凝固體的特性，在灌漿漿液中增加外加劑和堵漏物質，及時堵塞流水通道，及時凝結，從而控制漿液擴散半徑，達到控制漿液滲漏的目的。 3.4.3控制性灌漿和普通灌漿的區(qū)別 選用控制性水泥灌漿防滲帷幕或常規(guī)水泥灌漿防滲帷幕，其施灌方法及技術參數的控制和選擇都是有一定的區(qū)別，主要的區(qū)別為： 其一，灌漿方法不同。常規(guī)水泥灌漿一般為單液灌漿系統(tǒng)，而控制性水泥灌漿必須用雙液灌漿。用雙液灌漿方法灌注控制性漿液，以控制灌入的水泥漿液的凝膠時間。 其二，普通灌漿會出現(xiàn)串漿、冒漿，在動水條件下無法施工，而控制性灌漿可以在動水下施工，施工過程中不會出現(xiàn)串漿、冒漿現(xiàn)象。常規(guī)水泥灌漿漿液遇到動水水流的稀釋后，會順水流流向下游，無法達到灌漿防滲的效果。而控制性灌漿漿液中由于添加了水玻璃和絮凝劑等材質，漿液擴散到一定范圍后立即凝固，不會出現(xiàn)串漿、冒漿的現(xiàn)象，也不會出現(xiàn)被水流稀釋后被水流帶走的現(xiàn)象。 其三，灌漿結束標準要求有區(qū)別。常規(guī)水泥灌漿帷幕的結束標準為達到設計要求最大灌漿壓力后進漿量必須小于某一值（例0.4L/min）再穩(wěn)定30min，即結束標準必須滿足最大灌漿壓力值、進漿量小于某值、穩(wěn)定時間三個條件的標準。而控制性水泥灌漿在靜壓和有壓注漿時，只需滿足孔口返漿和達到最大壓力值后方可結束，沒有進漿率和穩(wěn)定時間的要求。 其四，按水泥灌漿規(guī)范，常規(guī)水泥灌漿要求有一定的壓重和混凝土蓋板，灌漿最好在靜水（即沒有地下水流動）條件下進行。而控制性水泥灌漿只要有1.0m左右的孔口管，不需混凝土蓋板，灌漿時對流動水也沒有要求，因控制性漿液能及時堵塞流水通道。 3.4.4控制性灌漿施工工藝及施工方法 鉆孔采用中風壓空氣潛孔錘雙偏心鉆進方法，鉆機型號：YXZ-90，開孔直徑146mm。灌漿采用灌漿泵或螺桿泵進行漿液輸送，大漏失段采用靜壓分段灌注，滲漏較小孔段進行有壓分段灌注，灌注壓力0.30.5MPa。 圍堰控制性灌漿防滲施工工藝流程為：孔位放樣鉆機就位鉆孔靜壓或有壓灌注起拔套管（孔口返漿）灌注起拔套管終孔灌漿封孔。 灌漿結束條件：靜壓達到孔口返漿后即可起拔套管，起拔至孔口即可結束灌漿；有壓灌注達到灌漿壓力即可起拔套管，拔至孔口即可結束灌漿。 3.4.5高噴補強施工 新增的第二排高噴孔采用“雙管法”和“三管法”兩種施工工藝進行施工，雙管法進漿采用11，三管法進漿采用0.81。 主要施工技術參數： 提速：I序孔68cm/min，II序孔810cm/min，圍堰回填層1012cm/min； 漿壓：“雙管法”I序孔壓力3234MPa，II序孔壓力3436MPa； “三管法”壓力：0.21.0MPa； 漿量：“雙管法”不低于60L/min，“三管法”不低于70L/min； 水壓：“三管法”3540MPa；水量：“三管法”7080L/min； 風壓：0.60.8MPa；風量：0.61m3/min； 返漿密度：“三管法”不低于1.2g/cm3，“雙管法”不低于1.3g/cm3。 歷時37天完成一期圍堰軸線長度405m高噴補強，工程量11069m，平均單耗902.4kg/m。最后一序孔施工完成7天后，采用潛孔鉆機鉆孔進行質量檢查，均布置在施工過程中存在異?？锥胃浇⌒窘沂緡叻罎B墻芯樣較完整。進行高噴補強施工后的一期圍堰防滲效果較理想，后續(xù)基坑施工安裝兩臺132kW的水泵就能解決基坑排水問題，兩臺132kW的水泵額定排水能力為1800m3/h，其中一臺處于間歇性性工作狀態(tài)，為一期干地施工和二期按期截流創(chuàng)造了有利條件。 4二期圍堰防滲體系施工 4.1防滲方案確定 二期圍堰防滲施工開始前，項目部在二期下游橫向圍堰深孔段選取兩個區(qū)域進行圍井試驗。圍井區(qū)域位于主河道水下無碾壓深厚層填筑區(qū)，對圍堰地質情況極有代表性。考慮到二期圍堰是枯期圍堰，防滲水頭約23m，遠小于一期全年圍堰40m的水頭。同時為了使高噴試驗具有對比性，擬在同一試驗區(qū)域選用兩種圍井試驗方法，兩個圍井分別采用“三管旋噴”和“三管擺噴對接”施工工藝。方法一：采用孔距0.8m、“三管法”高壓旋噴，高噴孔沿尺寸為3.2m*3.2m的正方形圍井均勻布孔，分兩序施工；方法二：采用孔距1.0m、“三管法”高壓擺噴對接，高噴孔沿尺寸為3.0m*3.0m的正方形圍井均勻布孔，分兩序施工，擺噴角度45。經過壓水試驗檢查，擺噴區(qū)噴漿效果優(yōu)于旋噴區(qū)噴漿效果，但考慮到旋噴試驗區(qū)孔深較深，并結合一期補強施工經驗，擬定二期高噴施工根據鉆孔深淺，分別采取雙排旋噴或單排擺噴的孔位布置方式，工藝采用“三管法擺噴對接”或“三管法旋噴”。二期圍堰高噴噴漿工程量約18805m。 縱向圍堰為水下無碾壓深厚層填筑段，采用三管旋噴對接工藝，按雙排孔、孔距0.8m、排距0.6m布置。 下游橫向圍堰孔深超過20m段，按雙排孔、排距0.6m、孔距1.0m布置，施工工藝采用三管旋噴對接；若孔深小于20m，按單排孔、孔距0.8m布置，施工工藝采用“三管擺噴對接”、擺噴角度60。 上游橫向圍堰孔深低于20m，采用三管法擺噴施工、孔距0.8m、擺角60；上游橫向圍堰孔深大于20m，采用三管法旋噴施工，孔位按雙排、排距0.6m、孔距1.0m布置。 根據一期高噴施工經驗、二期試驗施工成果及水電水利工程高壓噴射灌漿施工技術規(guī)范（DL/T5200-xx）中相關技術要求，二期圍堰采用的施工技術參數見表2。 4.2鉆孔 采用HM-90A液壓潛孔鉆機偏心錘跟管鉆進成孔，孔徑?準146mm，孔深深入基巖1m。鉆孔噴漿依次序進行施工，不同排施工時，先施工I序排，后施工II序排。同一排孔中，先施工I序孔，再施工II序孔。相鄰孔間施工，間隔時間不得低于48h。終孔后，先取出鉆桿，然后下入?準110mmPVC管置換孔內地質套管進行護壁。PVC管底部用塑料膠帶或者專用密封件進行密封，采用“注水法”對PVC管進行下設，下設過程中接頭處同樣采用塑料膠帶或者連接件連接，并涂抹強力膠水，確保不脫接和漏漿。 4.3高噴灌漿 高噴灌漿施工采用“三管法”工藝，通過專用螺栓連接，連接處用尼龍墊密封。噴具組裝完畢后進行試噴，水壓力超過40MPa，5min無異常即可結束試噴，并保護好噴嘴。將噴具下入到PVC管護壁的孔內，并確保噴具下入到終孔深度，噴具嘴用膠帶密封，以免下設時堵嘴。當噴具下入到終孔深度后，按先通漿、后通風、水的順序施工，先進行原位噴射，待孔口返漿正常后，邊旋轉邊提升。噴射作業(yè)采用自下而上連續(xù)施工。中途拆卸噴管時應進行復噴，復噴搭接長度不得小于0.2m，當噴射中途中斷時間超過30min以上，復噴搭接長度不得小于0.5m。在噴漿過程中，要時刻注意檢查風、水、漿的流量、旋轉、提升速度等各項參數是否符合要求。高噴結束后，孔內注漿至孔口，或將下一孔段的孔口返漿引入已完成高噴的孔內，進行回填，直至孔口漿液不再下降為止。二期圍堰高噴防滲墻高施工完成7天后，采用潛孔鉆進行鉆孔質量檢查，檢查孔均