武都水庫(kù)土石圍堰高噴灌漿試驗(yàn)研究

楊柳

（二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610051）

1 工程概況

武都水庫(kù)工程是涪江流域以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧城鄉(xiāng)工業(yè)生活及環(huán)境用水等綜合利用效益的龍頭水庫(kù)。壩址位于四川省江油市武都鎮(zhèn)上游約4km的摸銀洞峽谷涪江上游河段，總庫(kù)容5.72億m3。

武都水庫(kù)圍堰工程堰基均為砂礫卵石，堰體為開挖石渣料回填體。為提高圍堰的抗沖和防滲，在上游圍堰的下游坡腳堰基布置了兩排高壓旋噴樁，樁徑不小于1.2m，排距0.8～1.0m，孔距1.0～1.2m，要求樁體連接的最小厚度30～40cm，凝結(jié)體抗壓強(qiáng)度R28≥5MPa。在下游圍堰堰基及堰體布置了高噴防滲板墻，采用旋噴套接，孔距1.0～1.2m，最小厚度30cm，凝結(jié)體抗壓強(qiáng)度R28≥5MPa。高壓旋噴樁及高噴板墻均采用新三重管法施工，雙噴嘴旋噴。樁體深入基巖0.5～1.0m，孔斜率不大于1.5% ，K≤i×10-6cm/s（0＜i＜10）。

2 試驗(yàn)參數(shù)

為了優(yōu)選適應(yīng)本工程地質(zhì)條件的、合理的防滲體設(shè)計(jì)參數(shù)（即孔距、排距）、施工參數(shù)（即漿壓、水壓、氣壓和輸漿量、輸水量、輸氣量、旋轉(zhuǎn)速度、提升速度、漿液配比等）、施工工藝，以便分析施工機(jī)械組合的工效、材料及勞力消耗指標(biāo)，了解固結(jié)凝結(jié)體的物理性能，有必要在施工前進(jìn)行高壓噴射灌漿試驗(yàn)。初擬試驗(yàn)參數(shù)：漿壓不小于40MPa；漿量大于80～100L/min；水壓不小于40MPa；水量大于75L/min；氣壓大于 1.0～1.5MPa；氣量為 8m3/min；轉(zhuǎn)速為10r/min；提升速度為10～12cm/min（不同地層應(yīng)采用不同的提升速度）。

灌漿孔孔壁可用泥漿固壁，也可下入特制的PVC花管護(hù)壁。漿液擬采用密度為1.6～1.7g/cm3的水泥漿液，孔口回漿密度不小于1.2g/cm3。

3 高噴試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)地選擇及填筑

試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在下游圍堰右堰肩上游，試驗(yàn)區(qū)高程為574.8m，平整面積約700m2。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地填筑利用自卸汽車運(yùn)輸石渣料，推土機(jī)攤鋪平整，碾壓機(jī)碾壓密實(shí)，填筑體的干密度達(dá)到2.21g/cm3，達(dá)到設(shè)計(jì)填筑質(zhì)量要求。

3.2 試驗(yàn)機(jī)具選擇與性能

鉆孔采用重慶鉆探廠生產(chǎn)的MGJ—100型鉆機(jī)配合氣動(dòng)沖擊器偏心跟管鉆進(jìn)成孔工藝。鉆頭采用中φ146合金球齒偏心鉆頭，跟進(jìn)套管采用φ150無縫鋼管，絲扣連接。鉆機(jī)能直接跟管鉆進(jìn)，具有成孔快，精度高，適用于任何性質(zhì)的覆蓋層鉆孔。

高噴灌漿采用GS500—4型高噴臺(tái)車，并列三聯(lián)管法自下而上旋噴成樁。噴具直徑φ89，采用專用高強(qiáng)螺栓連接，連接處用尼龍墊密封。GS500—4型高噴臺(tái)車具有一次性提升12.0m的特點(diǎn)，提升采用無級(jí)變速，變速范圍0～25cm；水壓設(shè)備采用天津通用機(jī)械廠生產(chǎn)的302—3275/50高壓柱塞泵，額定工作壓力50MPa，實(shí)際工作壓力40～41MPa，具有長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的特點(diǎn)；灌漿采用BW—150型泥漿泵，調(diào)節(jié)手柄檔位可得到不同的壓力、流量組合。

3.3 施工試驗(yàn)方法

3.3.1 施工工藝流程

場(chǎng)地平整壓實(shí)→臺(tái)車行走→軌道鋪設(shè)→布孔、鉆機(jī)就位→校準(zhǔn)角度、造孔→測(cè)斜→下PVC管、起拔導(dǎo)管→高噴臺(tái)車就位→試噴、下噴具→靜噴、噴灌→孔口注漿、回灌、封孔→高噴臺(tái)車移位。

3.3.2 造孔

1）鉆孔施工工序：放線布孔→鉆機(jī)就位→鉆機(jī)找平→固機(jī)及套管調(diào)整垂直→開孔、糾斜→鉆進(jìn)、糾斜→終孔→取鉆桿→下PVC管→拔導(dǎo)管→終孔驗(yàn)收。

相鄰孔施工時(shí)間間隔不少于24h；鉆孔時(shí)要求管架定位準(zhǔn)確、安裝平穩(wěn)，鉆孔孔位偏差不大于5cm，孔斜率不大于1.5%；鉆孔過程中，根據(jù)返碴情況、鉆進(jìn)速度、鉆機(jī)及沖擊器運(yùn)轉(zhuǎn)情況判斷地層分布情況，并準(zhǔn)確記錄其厚度及孔深；鉆孔結(jié)束后，先取出鉆桿，然后下入φ110×1.5的PVC管護(hù)壁，起撥套管，接頭套接后用塑料帶密封。

2）注水試驗(yàn)：檢查孔鉆孔完畢后，取出鉆桿，下入PVC花管，用砂漿封閉井口后進(jìn)行注水試驗(yàn)，注水方法采用固定水頭法，即將注水孔中的水位抬高到一定高度，采用水箱自流供水，出水口安裝調(diào)節(jié)靈活的配水閥門，保持水頭不變，連續(xù)注水，注水量采用測(cè)量水箱下降深度和量筒檢測(cè)的方法。

鉆孔完成后，清孔，檢測(cè)孔深，確定試段長(zhǎng)度；在鉆孔結(jié)束后測(cè)量并記錄鉆孔深度和地下水位，進(jìn)行注水前的穩(wěn)定水位觀測(cè)，每10min觀測(cè)一次水位，當(dāng)鉆孔水位連續(xù)3次讀數(shù)變化幅度不大于1cm且無連續(xù)升降時(shí)可認(rèn)為穩(wěn)定；注水量由小到大，當(dāng)動(dòng)水位升高到設(shè)計(jì)高度以后應(yīng)控制注水量，使水位保持穩(wěn)定；注水開始后，每隔3～5min觀測(cè)一次水位、水量，穩(wěn)定后改為每隔10min觀測(cè)一次，持續(xù)觀測(cè)24h，讀取穩(wěn)定滲流量值；穩(wěn)定耗水量的允許誤差：（Q最大-Q最?。?Q平均≤10%時(shí)為穩(wěn)定。

根據(jù)SL31-2003《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》計(jì)算滲透系數(shù)。

式中：K—滲透系數(shù)，cm/s；Q—注水量，m3/d；L—試段長(zhǎng)，

m；H—注水造成的水頭高度，m；r0—造孔半徑，m。

3.3.3 高噴灌漿

1）高噴灌漿參數(shù)（見表1）。

2）漿液配制。配制漿液的加料順序?yàn)樗唷鷶嚢?0～90s，必須按加料順序加入所需材料，各種材料的加量準(zhǔn)確，進(jìn)漿濃度滿足設(shè)計(jì)要求。漿液必須充分過篩過濾，自制備到用完時(shí)間不超過4h。

3）高噴灌漿。施工藝程序：臺(tái)車行走、就位及調(diào)試→地面試噴→下噴具→靜噴→孔口返漿檢測(cè)→提升噴灌→孔口注漿、回灌、封孔→高噴臺(tái)車移位。高噴灌漿分二序施工，相鄰次序孔施工時(shí)間間隔不少于24h；先施工圍井墻體孔，后施工圍井封底孔。

當(dāng)噴具下入到設(shè)計(jì)深度后，啟動(dòng)旋噴機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)、水、漿的流量、壓力和旋噴機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，使之達(dá)到設(shè)計(jì)值，待孔口返漿比重符合要求后，開始提升，邊旋轉(zhuǎn)邊提升，自下而上噴射灌漿，直至樁頂高程停噴。在高噴灌漿過程中，隨時(shí)檢查施工機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，風(fēng)、水、漿的流量，壓力值、進(jìn)漿比重、回漿比重及旋轉(zhuǎn)速度、提升速度等參數(shù)，并認(rèn)真做好施工記錄，保證資料真實(shí)、準(zhǔn)確、完整。

表1 高壓旋噴灌漿參數(shù)表

高噴灌漿結(jié)束后，指派專人負(fù)責(zé)用返漿進(jìn)行孔口注漿，直到回填密實(shí)，漿面不再下降。

4）特殊情況處理。提升速度要根據(jù)地層和返漿情況做適當(dāng)調(diào)整，在地層交界處應(yīng)停止提升，靜噴2～3min，并加大供漿量；在塊碎石架空地層中噴射灌漿時(shí)采取以下措施：噴具停止提升，靜壓注漿，使架空地層全部充填密實(shí)，孔口返漿符合要求后才能恢復(fù)噴具提升；降低噴射水壓和風(fēng)壓，水壓、風(fēng)壓分別降至5MPa和0.3MPa加濃漿液，增大供漿量，孔口摻砂等措施；為了防止噴具被埋堵，采用間隔提升的方法，待返漿后將風(fēng)、水、漿等參數(shù)調(diào)整至正常值。試驗(yàn)施工成果分析。

5）孔斜控制。高噴灌漿要求鉆孔孔斜率不大于1.5%，本次試驗(yàn)采用MGJ—100型鉆機(jī)偏心跟管鉆進(jìn)，鉆進(jìn)中邊鉆進(jìn)邊校正孔斜，孔斜不合格要求采用擴(kuò)孔措施進(jìn)行糾偏處理。

4 試驗(yàn)檢測(cè)方法及成果

4.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)檢測(cè)以鉆孔取芯、檢查孔注水及樁內(nèi)外開挖方式進(jìn)行。

1）芯樣試驗(yàn)結(jié)果。從4根樁檢查孔的巖芯看出，大部分巖芯破碎，局部芯樣無水泥膠結(jié)體，取芯率分別為69.2%，73.6%，75%，87%，芯樣強(qiáng)度抽檢 3組，其 14d抗壓強(qiáng)度值均能滿足設(shè)計(jì)要求的R28≥5MPa。

總的來看，取芯效果比較好，相鄰樁之間在高噴時(shí)有明顯切割，膠結(jié)充分。

2）注水試驗(yàn)。為了檢驗(yàn)高噴防滲體的防滲效果，每個(gè)檢查孔都進(jìn)行一次性靜壓注水試驗(yàn)。注水試驗(yàn)采用固定水頭法。注水試驗(yàn)成果見表2。

表2 檢查孔注水試驗(yàn)成果表

3）開挖檢查。采用挖掘機(jī)結(jié)合人工開挖的方式對(duì)防滲體進(jìn)行開挖檢查，開挖時(shí)完全揭露出石渣填筑層、河床砂卵石覆蓋層。

4）注水試驗(yàn)。為了檢驗(yàn)高噴防滲效果，對(duì)檢查孔進(jìn)行了整孔注水試驗(yàn)。注水試驗(yàn)成果見表3。

4.2 試驗(yàn)分析

1）試驗(yàn)區(qū)地層填筑模擬截流圍堰地層，具有一定的代表性，基本上能指導(dǎo)下游圍堰高噴防滲墻的規(guī)模施工。

2）試驗(yàn)采用MGJ—100錨桿氣動(dòng)沖擊偏心跟管鉆進(jìn)，PVC管護(hù)壁，并列三管法高壓噴射灌漿施工工藝，完全能滿足土石圍堰填筑體施工。

3）試驗(yàn)段地層的地質(zhì)情況表明，河床卵石覆蓋層級(jí)配分布極不均勻，粒徑20～40cm的砂卵石集中地段會(huì)使高壓旋噴樁產(chǎn)生嚴(yán)重的“縮徑”現(xiàn)象，從而使樁徑達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的尺寸，（孔距1m的布孔方式），防滲墻剖面出現(xiàn)滲漏點(diǎn)。

表3 注水試驗(yàn)成果表

4）由于圍堰下部砂卵石覆蓋地層可灌性差，制約了高噴灌漿的提升速度，進(jìn)而造成注漿時(shí)間延長(zhǎng)，水泥浪費(fèi)比較大。

5 結(jié)語

1）根據(jù)試驗(yàn)成果資料分析，下游圍堰高噴施工設(shè)計(jì)工程量4500～5000延米，正式施工時(shí)只需4臺(tái)高噴臺(tái)車，6臺(tái)錨桿鉆機(jī)，可在30d內(nèi)完成施工任務(wù)。

2）圍堰填筑時(shí)盡量減少孤石在堰體內(nèi)的比率。高噴灌漿時(shí)遇到孤石時(shí)，將對(duì)漿液擴(kuò)散產(chǎn)生阻礙作用，從而使樁徑達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，搭接出現(xiàn)問題。

3）質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果表明，武都水庫(kù)土石圍堰由大量人工填筑體組成，采用高壓旋噴防滲墻防滲，只要采取適宜的施工方法和合適的工藝參數(shù)，嚴(yán)格控制施工參數(shù)和各工序，防滲質(zhì)量是有保證的，但滲透系數(shù)K不一定滿足K=i×10-6cm/（s1＜i＜9）要求。