某水電站1號(hào)堆積體錨索砂漿固壁成孔試驗(yàn)與研究

邱順兵，韋 猛 ，劉 俊 ，舒振杰

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610059)

某水電站1號(hào)堆積體錨索砂漿固壁成孔試驗(yàn)與研究

邱順兵，韋 猛 ，劉 俊 ，舒振杰

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610059)

在松散破碎、嚴(yán)重架空地層中鉆進(jìn)成孔及快速施工技術(shù)是一直困擾著工程技術(shù)人員的難題之一。為解決水電站壩區(qū)堆積體中錨索鉆孔中成孔率極低問(wèn)題，經(jīng)過(guò)固壁灌漿試驗(yàn)研究，向普通硅酸鹽水泥中加入一定量的速凝劑和硫酸鈣，改善漿液的凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度，起到很好的固壁灌漿效果，提高了錨索孔施工的成孔功效。

架空地層;固壁灌漿;邊坡治理;錨索鉆孔

1 工程概況

某水電站1號(hào)堆積體位于其壩肩下游側(cè)，為一覆蓋層內(nèi)部早期蠕滑形成。堆積體底部高程位于大渡河河床水邊線以下3～4.5 m，頂部高程為740 m。堆積體內(nèi)無(wú)沖溝發(fā)育，地形坡度較陡，從河床至后緣平均坡度38°，在過(guò)壩公路以上坡度一般為44°～48°，上游側(cè)650 m高程以上坡度達(dá)55°，并在后緣形成以高1～2 m的覆蓋層陡坎(滑坡壁)，后緣以上為河流階地形成的緩坡。堆積體在平面上成不規(guī)則扇形，上部窄、下部寬，堆積體前緣沿過(guò)壩公路線長(zhǎng)約240 m，垂直河流方向最大寬度約180 m，蠕滑區(qū)面積約1.9萬(wàn)m2，總方量約65萬(wàn)m3。水電站庫(kù)區(qū)過(guò)壩公路通過(guò)該堆積體，根據(jù)1號(hào)堆積體覆蓋層邊坡的地質(zhì)條件，1號(hào)堆積體過(guò)壩公路采用抗滑樁、承臺(tái)板、混凝土擋墻及預(yù)應(yīng)力錨索等措施進(jìn)行處理。擋墻錨索共布置139束，錨索長(zhǎng)度45～65 m，錨固段長(zhǎng)度均為11 m，覆蓋層張拉段采用跟管鉆進(jìn)成孔。其中，壩縱向K0+107.5～242.5 m沿墻身垂直方向布置3排，壩縱向K0+242.5～392.5 m沿墻身垂直方向布置2排，錨索孔間距為5 m。錨索布置在過(guò)壩公路C15混凝土擋墻上，墻高為20 m(高程為606～626 m)，墻厚6～11 m，墻背與堆積體邊坡間采用石渣回填，厚度為3～16 m，形成過(guò)壩公路路基，錨索穿越混凝土擋墻和回填區(qū)后進(jìn)入堆積體巖層。

2 錨索成孔技術(shù)難題

通過(guò)已開(kāi)孔的錨索孔鉆進(jìn)情況，均在穿過(guò)擋墻、路基石渣回填區(qū)及進(jìn)入堆積體表層時(shí)，頻繁出現(xiàn)掉塊卡鉆、塌孔埋鉆、套管靴拉斷等現(xiàn)象。錨索開(kāi)工1個(gè)多月，現(xiàn)場(chǎng)僅成功下索4根，鉆進(jìn)機(jī)具損失嚴(yán)重，投入過(guò)大且無(wú)產(chǎn)值，成孔效率極低。經(jīng)過(guò)綜合分析，錨索成孔困難主要是由以下原因造成的。

2.1 鉆孔技術(shù)指標(biāo)要求高

錨索孔設(shè)計(jì)深度45～65 m，錨固段長(zhǎng)度達(dá)11 m，孔徑170 mm。要求鉆孔開(kāi)孔偏差≤10 cm，鉆孔軸線方位角偏差≤3°，終孔孔軸偏差不得大于孔深的2%，終孔孔深應(yīng)大于設(shè)計(jì)孔深50 cm，終孔孔徑不小于設(shè)計(jì)孔徑10 mm。

2.2 地質(zhì)條件復(fù)雜

根據(jù)錨索孔施工鉆進(jìn)情況及ZK02鉆孔攝像資料顯示，1號(hào)堆積體結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜:堆積體覆蓋層主要由大孤石、大塊石、部分夾粘土及粗砂組成;堆積體表層0～8 m為大孤石堆積體，架空現(xiàn)象嚴(yán)重，呈現(xiàn)出較大空腔;8～24 m多為塊石、卵礫石夾砂、粘土物質(zhì)結(jié)構(gòu)，極為松散;24 m以深多為塊石夾粘土，基巖為破碎～較破碎，地層軟硬不均。

2.3 工藝技術(shù)要求高

為滿足設(shè)計(jì)錨索孔徑要求，必須選擇壁厚8 mm、孔徑178 mm的高剛度鋼套管。在跟管鉆進(jìn)時(shí)，由于套管設(shè)計(jì)管徑較大，套管與孔壁間的摩擦阻力很高;在回填區(qū)時(shí)，回填石渣受套管鉆進(jìn)沖擊影響，致使周?chē)鼘?duì)套管的摩擦力增大，導(dǎo)致套管無(wú)法向前跟進(jìn);地層架空現(xiàn)象嚴(yán)重，當(dāng)通過(guò)架空層后，孔壁上方不穩(wěn)定的石塊在重力及鉆具振動(dòng)的影響下，掉入已成孔段，導(dǎo)致鉆具卡死，造成套管靴被拉斷，套管無(wú)法跟管鉆進(jìn)。

3 錨索砂漿固壁成孔試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了確定合理的堆積體錨索砂漿固壁成孔施工措施，參照相關(guān)工程實(shí)例，結(jié)合前期已施工的錨索成孔施工技術(shù)，采用多種砂漿固壁措施進(jìn)行試驗(yàn)，從中選定較優(yōu)的砂漿固壁灌注控制參數(shù)，如砂漿濃度配比、外加劑摻量、注漿過(guò)程控制及成孔效率等，從而達(dá)到以下目的:(1)解決在1號(hào)松散堆積體中錨索成孔困難、鉆進(jìn)效率低的難題;(2)提出在1號(hào)松散堆積體中經(jīng)濟(jì)合理的固壁灌漿成孔工藝;(3)在滿足錨索成孔的前提下，選擇合理的砂漿固壁措施指導(dǎo)后續(xù)錨索施工，加快整個(gè)工程的建設(shè)進(jìn)度，縮短工期，節(jié)約成本。

3.2 試驗(yàn)孔選擇

根據(jù)已開(kāi)孔的4個(gè)錨索孔鉆進(jìn)情況，結(jié)合堆積體覆蓋層結(jié)構(gòu)和錨索布置區(qū)域，由四方(業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工方)現(xiàn)場(chǎng)勘查選擇具有代表性的地質(zhì)區(qū)域，樁號(hào)為0+175～200 m區(qū)間的ZK25、ZK26、ZK34及ZK35號(hào)孔作為試驗(yàn)孔。

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)試驗(yàn)要求，灌漿材料要有以下特點(diǎn):(1)良好的流動(dòng)性，利于泵送灌注;(2)凝結(jié)時(shí)間適當(dāng)，初終凝時(shí)間間隔短，利于提高效率;(3)早期強(qiáng)度好，且持續(xù)增長(zhǎng)。因此對(duì)普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)凈漿的主要灌漿性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得在不同水灰比條件下普通硅酸鹽水泥凈漿的灌漿特性見(jiàn)表1。不同水灰比的普通硅酸鹽水泥的凝結(jié)時(shí)間及強(qiáng)度如圖1、圖2所示。

由表1和圖1、圖2可知，在不同水灰比條件下，其凝結(jié)時(shí)間存在差異，水灰比越高，其凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)。在高水灰比的條件下，強(qiáng)度較低，增長(zhǎng)緩慢。而水灰比小于1時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)快，水灰比在0.5時(shí)14 d強(qiáng)度可達(dá)21.03 MPa。為保證砂漿有較高的早期強(qiáng)度，根據(jù)試驗(yàn)施工時(shí)選擇固定水灰比為0.5。

表1 普通硅酸鹽水泥灌漿成果表

圖1 凝結(jié)時(shí)間與水灰比關(guān)系圖

圖2 強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間關(guān)系圖

采用普通水泥漿液進(jìn)行錨索鉆孔固壁灌漿，待凝時(shí)間較長(zhǎng)，成孔效率低，施工進(jìn)度慢。因此，為滿足快速固壁成孔，減少待凝時(shí)間，向普通硅酸鹽水泥中加入一定量的TF－85高效速凝劑。根據(jù)該工程實(shí)際并結(jié)合既有施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，初步確定速凝劑的3種不同加量，其試驗(yàn)所得結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水泥凈漿+速凝劑試驗(yàn)成果表

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得，隨著速凝劑摻量的提高，其漿液凝結(jié)時(shí)間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。根據(jù)施工可行性，為減少固壁待凝時(shí)間，施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)速凝劑摻量按0.6%選用。

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合孔內(nèi)攝像結(jié)果，ZK25號(hào)試驗(yàn)孔在0～8.1 m時(shí)為砼擋墻，鉆進(jìn)順利;8.1～18.2 m為石渣回填層，鉆進(jìn)漏風(fēng)、卡鉆，采用套管跟進(jìn)，鉆至18.3 m時(shí)，無(wú)法跟管鉆進(jìn)，改為直釬鉆進(jìn); 18.3～24.2 m直釬鉆進(jìn)，鉆遇大孤石及塊石，結(jié)構(gòu)松散，發(fā)生掉塊卡鉆，無(wú)法鉆進(jìn)，經(jīng)孔內(nèi)攝像，在21.2～22.9 m間發(fā)現(xiàn)一空腔，采取速凝劑加0.6%的固壁措施，待凝后掃孔鉆進(jìn)，掃孔后鉆進(jìn)無(wú)改善，復(fù)灌1次，繼續(xù)鉆進(jìn);24.8～27.9 m跟管鉆進(jìn)，塊石夾粘土，結(jié)構(gòu)松散，嚴(yán)重漏風(fēng)，大量水泥砂漿結(jié)塊返出，發(fā)生掉塊卡鉆，套管靴被拉斷，復(fù)灌4次，返出砂漿結(jié)塊中有微小空洞，且經(jīng)孔內(nèi)攝像，之前固壁段結(jié)石孔壁不規(guī)則，且有裂紋和剝落掉塊。

經(jīng)過(guò)分析，水泥漿+速凝劑固壁灌漿存在以下不足:(1)硅酸鹽水泥中硅酸三鈣、硅酸二鈣和鋁酸三鈣等水化不充分，結(jié)石率低;(2)普通硅酸鹽水泥早期強(qiáng)度低，強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，早期抗壓和抗沖擊強(qiáng)度低，在鉆進(jìn)通過(guò)固壁灌漿段后，結(jié)石容易在鉆進(jìn)的各種擾動(dòng)載荷下產(chǎn)生裂紋或剝落掉塊現(xiàn)象。針對(duì)此情況，為確保順利鉆進(jìn)，向試驗(yàn)配比中加入適量的硫酸鈣(化學(xué)組成CaSO4·2H2O)，改善其早期強(qiáng)度，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、圖3和圖4。

表3 水泥漿+硫酸鈣試驗(yàn)成果表

圖3 硫酸鈣摻量與凝結(jié)時(shí)間關(guān)系圖

圖4 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下強(qiáng)度與硫酸鈣摻量關(guān)系圖

根據(jù)表2和圖3可知，隨著硫酸鈣摻量的增加，水泥漿的凝結(jié)時(shí)間逐漸變短，其摻量從2.5%～3.5%時(shí)，其凝結(jié)時(shí)間變短較明顯，而4.0%～4.5%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間變化不明顯。由圖4可知，加入硫酸鈣后，結(jié)石抗壓強(qiáng)度有明顯的提高，而在硫酸鈣摻量為2.5%～3.5%時(shí)，其強(qiáng)度變化較小，增長(zhǎng)緩慢，在硫酸鈣摻量為4.0%左右時(shí)，其強(qiáng)度有明顯的上升階段，強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。而在硫酸鈣摻量為4.5%時(shí)，其28天抗壓強(qiáng)度反而比14天抗壓強(qiáng)度低，這可能是由于硫酸鈣水化后，生成鈣礬石，由于鈣礬石的膨脹機(jī)理會(huì)使得結(jié)石體的后期強(qiáng)度變低。

基于試驗(yàn)研究結(jié)果，根據(jù)砂漿固壁摻外加劑的主要目的，在施工時(shí)采用砂漿固壁配合比為水∶水泥∶硫酸鈣∶速凝劑=0.5∶1∶0.006∶0.04。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需要及實(shí)際情況可對(duì)摻量逐步調(diào)整。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)施工

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，采用集中拌制純水泥漿，泵送至工作面摻砂拌制成砂漿進(jìn)行灌注。純水泥制漿站設(shè)置在擋墻外原便道內(nèi)側(cè)壩縱向K0+205 m處，采用ZJ－600L型高速攪拌機(jī)制漿，采用200 L×2儲(chǔ)漿攪拌機(jī)儲(chǔ)漿，3SNS輸送泵輸送純漿至工作面。利用EL626過(guò)壩公路作為材料運(yùn)輸通道，排架頂端EL624工作平臺(tái)布置2臺(tái)350型砂漿攪拌機(jī)拌制漿液，2臺(tái)臥式螺桿砂漿泵(6～8 m3h)灌送砂漿，送漿管路為32 mm高壓塑料管，注漿量采用灌漿自動(dòng)記錄儀自動(dòng)記錄。

［1］陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理·方法·程序［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2003.

［2］陳祖煜，汪小剛，楊健，等.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理·方法·程序［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2005.

［3］GB 50330－2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］GB 50021－2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［5］林宗元.巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測(cè)手冊(cè)［M］.遼寧沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

Test and Research of Anchor Cable Mortar Wall Consolidation on the 1st Accumulation Body of a Hydroelectric Station

QIU Shun-bing，WEI Meng，LIU Jun，SHU Zhen-jie(Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China)

Engineering and technical personnel are always been plagued by drilling the hole and the rapid construction of technology In loose broken，serious overhead formation.In order to solve low rate of drilling anchor hole in the dam accumulation body，carrying on the solid wall grouting test，adding a certain amount of accelerating and calcium sulfate to Ordinary Portland cement，Improving the slurry setting time and compressive strength.As a result，It plays a good solid wall grouting effect，Improves the efficacy of the construction of anchor cable hole，and get a good use in the slope control.

aerial strata;solid wall grouting;experimental study;slope control

TV698.2+32

A

1672－7428(2012)08－0075－04

2012－03－20;

2012－06－07

邱順兵(1986－)，男(漢族)，四川隆昌人，成都理工大學(xué)碩士研究生在讀，地質(zhì)工程專業(yè)，從事巖土鉆掘工程方面的研究工作，四川省成都市成華區(qū)二仙橋東三段一號(hào)，474984942@qq.com。