高壓旋噴技術(shù)在土石壩防滲墻中的應(yīng)用

謝承平, 黃　偉, 王　磊, 姚　陽(yáng)

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州　450003)

1　工程概況

某水電站大壩由碾壓混凝土重力壩段和心墻土石壩段組成,最大壩高46 m,壩軸線長(zhǎng)574 m。其中碾壓混凝土重力壩段位于大壩中間,布置于河床部位,左右岸導(dǎo)墻過(guò)渡壩段;心墻土石壩段布置在重力壩兩側(cè)。水庫(kù)總庫(kù)容約13億m3,本工程規(guī)模為大(1)型,工程等別為Ⅰ等。

壩址區(qū)屬低山地貌,地形較緩?；鶐r僅在河谷及右岸有零星出露,巖性為花崗巖和花崗片麻巖。地表多為第四系覆蓋層,主要為兩層:第一層為坡積黃色、黃褐色的粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土;第二層為黃紅色的風(fēng)化殘積層,砂質(zhì)含量稍高,且土層多含有未風(fēng)化的呈粗砂狀的石英顆粒,局部含少量花崗巖全—強(qiáng)風(fēng)化碎塊,粒徑在1～3 cm不等。地下水埋深多位于第二層風(fēng)化殘積層中。通過(guò)注水試驗(yàn),兩土層平均滲透系數(shù)約5.2×10-4cm/s,屬中等透水,對(duì)庫(kù)水滲漏、壩基及壩體出現(xiàn)滲透破壞等均有較大影響。需對(duì)該段壩基進(jìn)行防滲處理,減弱其滲透性。工程要求正常蓄水位時(shí)土質(zhì)壩基滲透系數(shù)

2　防滲處理方案的比較與選擇

壩址區(qū)左岸覆蓋層厚10～24 m,厚度較大,如采用開挖坑槽至基巖澆筑混凝土防滲墻,有利條件是澆筑防滲墻便于施工、控制質(zhì)量,防滲效果較好。但有開挖量大、釋放地基應(yīng)力,造成接觸結(jié)構(gòu)變形失調(diào)、坑槽側(cè)壁穩(wěn)定、造價(jià)較高等問(wèn)題。

采用造槽孔澆筑混凝土方式,防滲效果較好,但其施工工藝較復(fù)雜、槽孔壁穩(wěn)定、混凝土澆筑施工質(zhì)量等不利于控制,同樣造價(jià)較高。

高壓噴射技術(shù)在此類土層較適合,水泥漿高壓射流與土混合形成的加固體形狀靈活?？尚龂姶罱映舍∧粔驍[噴、定噴成薄的帷幕墻,深度可自由調(diào)節(jié),且抗?jié)B性較好,施工工藝較開挖坑槽澆筑混凝土方案復(fù)雜,但較造槽孔澆筑混凝土方案簡(jiǎn)單。同樣,其施工質(zhì)量相對(duì)不好控制,而造價(jià)相比前述兩種方法均要低[1-2]。通過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合比較,采用高壓旋噴防滲墻的方法進(jìn)行防滲。

3　高壓旋噴施工參數(shù)的確定

高壓旋噴防滲墻主要在左岸粘土心墻壩段,為了確定高壓旋噴施工參數(shù),本次在左岸土石壩段開挖的導(dǎo)流明渠右側(cè)縱向圍堰上進(jìn)行旋噴試驗(yàn)?？v向圍堰除上部有1～2 m少量填土外,其下均為原狀土。試驗(yàn)旋噴防滲體同時(shí)可作為圍堰的加固與擋水抗?jié)B。旋噴試驗(yàn)采用三管法,參考其他類似工程經(jīng)驗(yàn),試驗(yàn)孔數(shù)為4孔,孔深8 m,孔距分別為0.8 m、1.0 m、1.3 m,每孔旋噴長(zhǎng)度為6 m。水灰重量比在0.8∶1～1∶1之間變換;水壓采用35～40 MPa,氣壓0.6～0.8 MPa;漿液壓力采用兩種:一種為0.2～1.0 MPa,另一種為高壓的25～30 MPa,各個(gè)旋噴孔自下而上,每2 m按不同的旋噴轉(zhuǎn)速和提升速度進(jìn)行。

按上述方案進(jìn)行試噴,其成樁性均較好,在不同的噴射壓力、旋噴轉(zhuǎn)速和提升速度下,旋噴直徑略有區(qū)別,不同噴射參數(shù)的直徑在0.8～1.0 m之間?？组g距0.8 m的兩旋噴樁搭接較好,搭接部位厚約0.3 m;孔距1.0 m的兩樁搭接較差,搭接部位較薄;而孔間距1.3 m的兩旋噴樁搭接失敗,兩樁邊緣相距0.3 m左右。試驗(yàn)旋噴防滲體見照片1。

照片1　旋噴試驗(yàn)不同孔距防滲體搭接情況

對(duì)28 d齡期高壓旋噴防滲體在孔中心和搭接部位,鉆孔取芯進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),同時(shí)在孔內(nèi)進(jìn)行壓水試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果均符合工程要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和類似工程經(jīng)驗(yàn),確定本工程高壓旋噴施工參數(shù),見表1。

4　高壓旋噴的施工

單排高壓旋噴孔布置在土石壩段粘土心墻位置,分兩序施工,孔徑110 mm,孔距0.7 m,孔底深入弱風(fēng)化基巖1.0 m,旋噴體直徑≥0.8 m。其布置示意圖見圖1。施工流程主要有三大部分:場(chǎng)地平整、鉆孔、高壓旋噴。

表1　高壓旋噴施工參數(shù)

圖1　高壓旋噴平面和剖面示意圖

旋噴場(chǎng)地施工:由于旋噴灌漿部位多為傾斜面,不滿足高壓旋噴臺(tái)車施工要求,高噴之前需平整工作面,保證臺(tái)車施工安全。施工平臺(tái)沿防滲墻布置,頂寬6 m,兩側(cè)按1∶1修坡,平臺(tái)采用土料填筑,填筑用料在土料場(chǎng)或附近開挖區(qū)采用自卸汽車運(yùn)輸至工作面?；靥钔瓿珊箜敳坎捎谜駝?dòng)碾壓密實(shí),保證作業(yè)面地基穩(wěn)定。

鉆孔:鉆孔設(shè)備為XY-2PC地質(zhì)鉆機(jī),鉆孔前對(duì)孔位應(yīng)進(jìn)行測(cè)量放線,鉆機(jī)對(duì)點(diǎn)誤差≤50 mm,并檢查鉆機(jī)的垂直度,鉆孔偏斜率≤1%。鉆孔的有效深度須鉆至弱風(fēng)化巖層1.0 m。鉆孔孔徑應(yīng)大于高壓旋噴機(jī)噴射管外徑20 mm以上。鉆進(jìn)暫?；蚪K孔待噴時(shí),孔口用軟木塞或采取其它措施加以保護(hù)。

高壓旋噴:高壓旋噴臺(tái)車型號(hào)為CYP-50,可通過(guò)該臺(tái)車的自行行走能力,調(diào)整以使高壓旋噴管軸中心線和鉆孔孔位中心線重合。臺(tái)車下噴射管前,先進(jìn)行地面試噴,檢查機(jī)械和管路運(yùn)行情況。在孔內(nèi)貫入注漿管的同時(shí),后臺(tái)拌制水泥漿液。潛水泵將河水先加入立式攪拌機(jī)內(nèi),再加入水泥并攪拌。漿液攪拌后經(jīng)過(guò)篩和HBW150型灌漿泵壓入至高壓旋噴機(jī)中的漿液管道內(nèi)。水泥漿制備使用量,至旋噴結(jié)束的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)4 h。

高壓旋噴防滲墻分兩道工序施工,單孔旋噴主要步驟有[3-4]:①噴頭就位,將噴頭深入孔底位置。旋噴、提升、靜壓注漿。②高噴旋噴全孔自下而上連續(xù)作業(yè)。按設(shè)定旋噴參數(shù)進(jìn)行原位噴射,先送高壓水,再送水泥漿和壓縮空氣。在一般情況下,壓縮空氣可晚送30 s,待漿液返出孔口、情況正常后,方可開始提升噴射。邊噴漿、邊旋轉(zhuǎn)、邊提升,待第一根鉆桿完全提出地面后,停止噴漿,迅速拆除此根鉆桿而后恢復(fù)噴漿。當(dāng)漿液壓力恢復(fù)至旋噴壓力后,重新開始提升旋噴,依次循環(huán)作業(yè),直至噴嘴提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高。需中途拆卸噴射管時(shí),搭接段需進(jìn)行復(fù)噴,復(fù)噴長(zhǎng)度≥0.2 m。為防止?jié){液凝固收縮,低于防滲體設(shè)計(jì)高程,可在原孔位采取靜壓注漿,直至孔口液面不再下沉為止等措施，待旋噴機(jī)注漿管全部提出地面后,移至新的孔位。相鄰兩孔施工間隔時(shí)間應(yīng)≥72 h。

5　施工質(zhì)量控制

施工前應(yīng)檢查水泥的質(zhì)量、鉆孔和旋噴孔的樁位,管路壓力表和流量表的精度和靈敏度、高壓噴射設(shè)備的性能等。

鉆孔過(guò)程中做好鉆孔記錄并核對(duì)地層,采用測(cè)斜儀隨鉆進(jìn)深度檢查鉆孔角度和傾斜度。

施工中應(yīng)檢查高壓旋噴施工參數(shù)的應(yīng)用情況及高壓旋噴灌漿施工順序是否正確。

高壓旋噴過(guò)程中,出現(xiàn)壓力突降或劇增、孔口回漿密度或回漿量異常等情況時(shí),必須查明原因,及時(shí)處理。在進(jìn)漿正常的情況下,若孔口回漿密度變小、回漿量增大,應(yīng)降低氣壓并加大進(jìn)漿密度或進(jìn)漿量。發(fā)生串漿時(shí),應(yīng)填堵串漿孔,待高噴灌漿結(jié)束,盡快對(duì)串漿孔掃孔,進(jìn)行高噴灌漿或繼續(xù)鉆進(jìn)[5]。

如局部需要擴(kuò)大噴射范圍或提高凝結(jié)體密實(shí)度時(shí),可采取復(fù)噴措施。

若孔內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重漏漿,可采取以下措施處理[6]:①孔口不返漿時(shí),應(yīng)立即停止提升;孔口少量返漿時(shí),應(yīng)降低提升速度。②降低噴射壓力、流量,進(jìn)行原位注漿。③在漿液中加入速凝劑。④加大漿液密度或灌注水泥砂漿、水泥黏土漿等。⑤向孔內(nèi)填入砂、土等堵漏材料。

6　防滲處理效果檢驗(yàn)與分析

高壓旋噴防滲墻齡期28 d后,按5%比例抽樣,進(jìn)行鉆孔取芯檢查,檢查孔布置在防滲墻中心軸線上,重點(diǎn)檢查旋噴搭接部位。對(duì)芯樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和檢查孔分段壓水試驗(yàn),目前已檢測(cè)完畢的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2　各土層高壓旋噴防滲墻檢測(cè)參數(shù)

通過(guò)檢測(cè),各孔段滲透系數(shù)均2 MPa,符合要求;而風(fēng)化殘積砂質(zhì)土地層防滲體個(gè)別樣品抗壓強(qiáng)度稍低于設(shè)計(jì)值,通過(guò)對(duì)鉆孔芯樣查看分析,因其局部含有碎塊,相對(duì)取芯試樣,尺寸效應(yīng)和應(yīng)力集中明顯,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低,但在壩基深處的原位狀態(tài),其強(qiáng)度會(huì)有所增大,故在此類孔段,均采取復(fù)噴措施,再進(jìn)行檢測(cè),以達(dá)到防滲的目的。

7　結(jié)語(yǔ)

在本工程土石壩段土質(zhì)壩基防滲處理措施中根據(jù)工程情況,進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選處理方案,并在壩基土層中進(jìn)行不同噴射參數(shù)的旋噴試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,確定本壩基地層采用高壓旋噴防滲技術(shù)是可行的,并比較選擇各項(xiàng)旋噴施工參數(shù)。按照擬定的旋噴施工方案進(jìn)行高壓旋噴。防滲墻滿足齡期后,進(jìn)行鉆孔取樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和壓水試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)分析,高壓旋噴防滲墻基本達(dá)到預(yù)期的處理效果。

同時(shí),根據(jù)本次高壓旋噴防滲墻在風(fēng)化殘積層砂質(zhì)土與粘性土出現(xiàn)的差別,可考慮在風(fēng)化殘積層砂質(zhì)土地層,進(jìn)一步試驗(yàn)分析高壓旋噴技術(shù)應(yīng)用的施工工法。

參考文獻(xiàn):

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