厚覆蓋層土石圍堰組合防滲施工技術(shù)研究

王 鵬，錢詩饒，周 閩

(1.中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410021；2.江蘇科興項(xiàng)目管理有限公司，江蘇 南京 210029)

0 前 言

在水利水電工程建設(shè)過程中，圍堰防滲的施工技術(shù)和質(zhì)量一直占據(jù)著重要地位。已有工程實(shí)踐表明，復(fù)雜地質(zhì)條件下的圍堰防滲質(zhì)量已成為影響工程建設(shè)效益的關(guān)鍵。厚覆蓋層是航電樞紐工程中較為常見的一種地層，具有空隙率大、透水性強(qiáng)，易造成流土、管涌等現(xiàn)象，在厚覆蓋層上進(jìn)行圍堰防滲施工的質(zhì)量控制難度大，防滲效果常難滿足設(shè)計(jì)要求。

目前，學(xué)者們在圍堰防滲方案設(shè)計(jì)和施工方面進(jìn)行了一些研究，如李榮清[1]研究了漂卵石層中高壓擺噴灌漿防滲施工技術(shù)；王軍平[2]論述了冬季卵礫石圍堰旋噴的施工方法；黃勇等[3]介紹了復(fù)雜地質(zhì)條件下導(dǎo)流洞進(jìn)出口圍堰雙液注漿及大壩上、下游圍堰塑性混凝土防滲墻施工流程、關(guān)鍵施工參數(shù)和處理措施；歐陽小平等[4]對防滲墻成槽工藝和基巖裂隙海蝕溝槽發(fā)育重難點(diǎn)部位的處理措施、塑性混凝土的配比進(jìn)行了研究；吳棟等[5]研究了汛期高壓旋噴墻防滲施工技術(shù)及質(zhì)量控制措施；黃德平[6]提出了黏土心墻防滲和砂礫石覆蓋層帷幕灌漿施工方法；徐勇等[7]介紹了雙江口水電站大壩的上、下游圍堰防滲墻導(dǎo)墻下部覆蓋層加固、巨漂孤石、倒懸體、超高陡坡地層的施工技術(shù)；徐澤等[8]在常規(guī)圍堰施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究并優(yōu)化了高土石圍堰的施工工序；張宗剛等[9]研究了一種以快速鉆孔技術(shù)、懸掛式防滲、石粉與水泥的混合漿液及靜壓控制注漿為主要技術(shù)的綜合防滲灌漿技術(shù)；程丙權(quán)等[10]對深基坑圍堰防滲工程進(jìn)行了非洲某擴(kuò)機(jī)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工。

分析表明，雖然現(xiàn)有研究成果對圍堰防滲處理產(chǎn)生了積極意義，一些工程施工技術(shù)在適宜的工況下取得了較好的工程效果；然而，針對堰基為厚覆蓋層、采用高噴灌漿+黏土心墻防滲等問題開展的施工技術(shù)和效果評價(jià)等方面的研究成果尚難滿足工程實(shí)踐需要。

1 工程概況

井岡山航電樞紐工程地處贛江中游河段，江西省吉安市境內(nèi)，根據(jù)該工程的開發(fā)任務(wù)和功能要求，樞紐主要由通航建筑物、擋水建筑物、泄水建筑物、電站廠房和魚道等組成。工程完成的防滲施工項(xiàng)目主要有一期的四個(gè)圍堰防滲處理和二期的兩個(gè)圍堰防滲處理等。圍堰主要由石碴、砂石料、塊石、黏土等材料填筑而成，其上游頂標(biāo)高69 m、下游頂標(biāo)高68.0 m、頂寬度為7 m。

井岡山航電樞紐工程壩址河谷寬而淺，主河道位于河床中部略偏左岸，兩岸岸坡平緩，其中左岸稍陡，河谷形態(tài)略顯不對稱。河谷為“U”型寬谷，壩軸線處河谷谷底寬約700 m，地面高程55.3～60.5 m，初擬正常蓄水位67.5 m，河床覆蓋層厚度4.6～8.4 m，河床基巖面高程50.4～52.6 m。

本工程覆蓋層砂礫石夾礫砂層厚度大，透水性強(qiáng)，為改善圍堰防滲施工效果，施工時(shí)采用了厚覆蓋層土石圍堰組合防滲施工技術(shù)。

2 圍堰設(shè)計(jì)及施工工藝流程

2.1 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目圍堰位于左岸側(cè)邊灘，地面高程為55.0～61.0 m，覆蓋層砂礫石夾礫砂層厚度約4.4～6.6 m，砂礫石均一性差、結(jié)構(gòu)松散、透水性強(qiáng)；基巖面高程為51.6～52.7 m，下伏基巖巖體透水率小于10 Lu。

圍堰型式為土石圍堰，堰體填料為河床砂卵石，圍堰防滲采用高噴灌漿與黏土心墻組合防滲，其中高噴灌漿防滲的底部進(jìn)入弱風(fēng)化巖約0.5 m，上部伸入黏土心墻1 m，最大高度約11 m；低水圍堰以上采用黏土心墻防滲。圍堰頂寬5 m，迎水面邊坡坡比1∶2，背水面邊坡坡比1∶1.5。考慮圍堰的安全超高和風(fēng)浪高，確定圍堰頂高程68.0 m，最大堰高約13 m。圍堰全長979 m，其中50 m為下游岸坡防滲軸線延長。

本工程圍堰平面布置及結(jié)構(gòu)剖面見圖1。

圖1 圍堰平面布置及結(jié)構(gòu)剖面

2.2 圍堰施工工藝流程

圍堰工程的施工工藝流程如圖2所示。

圖2 圍堰施工工藝流程圖

3 圍堰組合防滲施工

由于圍堰及河床覆蓋層均為砂卵石，滲透系數(shù)過大，為提升防滲效果，在圍堰及河床覆蓋層采用高噴灌漿防滲，在圍堰填筑體內(nèi)部設(shè)置黏土心墻。

3.1 高噴灌漿防滲施工

3.1.1 高噴灌漿防滲施工工藝

圍堰高噴灌漿采用二重管高壓旋噴分序進(jìn)行，灌漿孔單排設(shè)置，孔距1.0 m，孔深9～11 m，共布孔980個(gè)。鉆、噴流水作業(yè)，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，先導(dǎo)孔應(yīng)最先施工，高噴墻的合龍段應(yīng)選擇在地層條件相對較好的部位。其施工工藝流程如圖3所示。

圖3 高噴灌漿防滲施工工藝流程圖

3.1.2 高噴灌漿防滲質(zhì)量控制指標(biāo)

1)防滲技術(shù)指標(biāo)。墻厚不小于30 cm，抗壓強(qiáng)度R28≥4.0 MPa，墻體滲透系數(shù)K≤1×10-5cm/s，墻體允許滲透坡降J≥80。

2)施工技術(shù)要求。①高噴灌漿鉆孔孔徑應(yīng)大于噴射管外徑2 cm以上，孔位偏差≤50 mm；②鉆孔垂直度偏差值：≤1%；③水泥用量400～500 kg/m，水泥漿液的水灰比為1.5∶1～0.6∶1；④壓力控制：氣壓不小于0.7 MPa，氣體流量3.2 m3/min，水泥漿壓力25～40 MPa，旋噴提升速度初擬為8～15 cm/min。

3.2 防滲黏土心墻施工

低水圍堰以上部分堰體采用黏土心墻防滲，在進(jìn)行黏土心墻填筑前，須對高噴灌漿頂面浮漿進(jìn)行清理，并對先前填筑的1 m厚下層黏土心墻進(jìn)行刨毛處理，以使上、下黏土心墻有效搭接。

黏土心墻填筑與堰體加高增厚同步上升，黏土從左岸土料場取料，采用1.6～2 m3挖機(jī)挖裝、15～25 t自卸汽車運(yùn)料上堰，TY320推土機(jī)分層攤鋪、每層攤鋪厚度為30～50 cm，然后用YZ-16振動碾靜壓壓實(shí)，壓實(shí)度不小于90%。

4 圍堰組合防滲施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

4.1 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

1)根據(jù)施工控制點(diǎn)，進(jìn)行現(xiàn)場測量放點(diǎn)。沿防滲墻軸線定孔位，將每個(gè)高噴孔的孔位都測放出來，并用紅油漆注明其樁號、孔號等。

2)灌漿施工鉆機(jī)根據(jù)布設(shè)的孔位，先進(jìn)行施工導(dǎo)孔，采用頂驅(qū)跟管鉆機(jī)鉆進(jìn)，下設(shè)PVC花管護(hù)壁，起拔套管成孔。終孔深度應(yīng)至設(shè)計(jì)高度，終孔前應(yīng)及時(shí)報(bào)告現(xiàn)場技術(shù)人員，并由相關(guān)負(fù)責(zé)人員簽字后方可終孔?？讖綉?yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，保證不塌孔。

3)灌漿施工時(shí)，應(yīng)將噴射架對準(zhǔn)孔位，在地面上試噴后下管至設(shè)計(jì)深度，調(diào)整噴射方向，送入所要求的漿液和風(fēng)，靜噴2～4 min，以保證高噴墻體與基巖的有效結(jié)合，然后起動旋噴臺車，旋轉(zhuǎn)噴桿；待孔口返漿比重大于1.3時(shí)即可邊旋噴邊提升，直到地表為止。噴射完畢，及時(shí)對已噴孔進(jìn)行充填注漿，直至孔口漿液不再下沉。整個(gè)施工過程應(yīng)以旋噴機(jī)為主，其他人員和設(shè)備密切配合，服從指揮和調(diào)遣。

4)為了使圍堰防滲高噴灌漿與黏土心墻有效搭接，在高噴灌漿施工前，對低水圍堰先進(jìn)行加高1 m(按先兩側(cè)填筑砂卵石料，再中間填筑約5 m寬黏土心墻施工)，然后再進(jìn)行圍堰高噴灌漿施工。

5)黏土心墻填筑施工時(shí)，應(yīng)確保黏土中黏粒含量、黏土含水率、壓實(shí)度等指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求

4.2 特殊工程問題處理

4.2.1 噴射灌漿施工過程中特殊情況的處理

在噴射灌漿過程中，會遇到一些特殊情況，主要有噴射灌漿中斷、漏漿和不返漿、作業(yè)故障等現(xiàn)象，應(yīng)分別采取措施進(jìn)行處理。

1)噴射灌漿中斷的處理：①灌漿中斷時(shí)間不超過30 min，恢復(fù)后，可重新進(jìn)行噴射灌漿，搭接長度不少于50 cm；②灌漿中斷時(shí)間超過30 min，應(yīng)將噴管取出清洗，重新造孔后，再噴射灌漿，鉆孔搭接長度不少于50 cm。

2)漏漿的處理。在高噴過程中，由于地層松散及高噴工藝本身要求不返漿不提升，水泥耗量大，經(jīng)常出現(xiàn)相鄰孔串漿甚至鄰近多孔串漿，漏漿和不返漿，在漏漿和不返漿段應(yīng)進(jìn)行靜噴的處理方法，同時(shí)采用加濃漿液、孔口注漿、孔內(nèi)填砂或碎石，待孔口返漿后再提升噴具。

3)冒漿過大的處理。冒漿過大是由于噴射范圍與注漿量不相適應(yīng)造成的，應(yīng)采取提高噴射壓力，適當(dāng)縮小噴嘴直徑，提升速度適當(dāng)加快。

4)對返漿不正常的孔，考慮幾種情況：①不返漿，采取如下步驟：停提靜噴→降低漿壓，保持風(fēng)壓，進(jìn)漿量不變，孔口摻砂、摻水玻璃、在水泥漿中摻粉煤灰(30%)→把防噴管埋住，可采用間隔提升的辦法，待返漿后將風(fēng)漿等參數(shù)調(diào)整至正常值，然后按設(shè)計(jì)施工。②本孔不返漿而鄰孔返漿時(shí)，參數(shù)不變，正常提升。

5)操作事故的處理。噴孔過程中易出現(xiàn)卡、埋噴管、漿嘴堵塞、漿嘴磨損、漿管堵塞等故障。由于地層松散串漿嚴(yán)重，施工時(shí)，Ⅰ孔返漿不正常，Ⅱ孔返漿正常。對于返漿正常的孔，漿壓、風(fēng)壓不變的前提下，進(jìn)漿量可減少，但不低于60 L/min。

6)進(jìn)漿比重與其他參數(shù)不變時(shí)，當(dāng)返漿比重小于1.2時(shí)，著重檢查進(jìn)漿量是否正常，并考慮地層可能有通道，采取加大進(jìn)漿漿液比重、間隔提升等辦法予以解決。

7)漿壓與漿嘴直徑有很大關(guān)系，使用同樣的泵，將漿嘴變小，漿壓會增大，但有可能噴出的不是漿流而是漿霧，切割能力大大降低，不同泵配不同漿嘴。漿嘴在噴射一段時(shí)間后，口徑會磨大，每次開噴前須檢查漿嘴并試噴，并觀察漿射流是否同一平面，射程遠(yuǎn)近。

8)漿液比重要求1.4～1.5，為避免漿液比重變化影響灌漿質(zhì)量，宜設(shè)置儲漿設(shè)備。

9)埋管噴射不旋轉(zhuǎn)時(shí)，可用滑輪或千斤頂輔助提升，但不能在死角邊線噴射。

10)事故孔處理：按重新掃孔或側(cè)邊補(bǔ)孔重噴。

4.2.2 對圍堰合龍部位的特別處理

由于在合龍部位難免填筑大孤石，以實(shí)現(xiàn)及時(shí)的合龍，采用常規(guī)高噴灌漿難以達(dá)到要求，故應(yīng)進(jìn)行特別處理。按施工經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)采用控制性灌漿技術(shù)進(jìn)行施工處理，以達(dá)到高效經(jīng)濟(jì)的目的。

1)確保成孔率。根據(jù)填筑體、地層的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)要求，采取相應(yīng)的成孔工藝鉆進(jìn)成孔。遇架空掉鉆情況時(shí)，采先用級配碎石、織物、充填并注漿和模袋灌漿等形式進(jìn)行處理，然后在適時(shí)進(jìn)行下伏地層的鉆進(jìn)。

2)控制漿液固化時(shí)間。漿液配合比應(yīng)具備早強(qiáng)、速凝穩(wěn)定漿液的特點(diǎn)，使注漿待凝時(shí)間大大縮短，從而使鉆孔→灌漿→待凝→鉆孔的循環(huán)周期縮短，以達(dá)到提高工效的目的。

5 工程應(yīng)用效果

該施工技術(shù)中，在低水圍堰部分采用高噴灌漿防滲，防滲墻底部嵌入弱風(fēng)化巖約0.5 m，通過防滲墻底部與下伏基巖的封閉作用，在有效阻擋河水向圍堰內(nèi)基坑滲透的同時(shí)，降低了施工成本，增強(qiáng)了圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；同時(shí)高噴灌漿防滲墻上部伸入黏土心墻1 m，與低水圍堰以上部分堰體形成有效搭接，優(yōu)化了黏土心墻的受力性狀。工程應(yīng)用表明，工程中采用高噴灌漿與黏土心墻組合防滲技術(shù)，不但可以增強(qiáng)圍堰防滲效果，而且降低了后期圍堰拆除施工難度，節(jié)省現(xiàn)場施工費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

從應(yīng)用效果看，該施工技術(shù)降低了圍堰工程對基礎(chǔ)承載能力的要求，提升了圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗?jié)B性能，可節(jié)省基礎(chǔ)處理費(fèi)用約15%；另外該施工技術(shù)可提升工程實(shí)施過程中的質(zhì)量管理水平，降低工程的建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，保證工程按期完工，對提高工程施工質(zhì)量、防止施工過程中質(zhì)量事故的發(fā)生、降低施工對周邊環(huán)境的影響具有積極意義。

6 結(jié) 論

基于井岡山航電樞紐工程中厚覆蓋層土石堰基的地質(zhì)特點(diǎn)，從圍堰防滲效果提升、圍堰穩(wěn)定性增強(qiáng)角度出發(fā)，結(jié)合堰基地質(zhì)特點(diǎn)，提出了一種高噴灌漿與黏土心墻相組合的厚覆蓋層土石圍堰組合防滲施工技術(shù)，并對厚覆蓋層土石圍堰組合防滲施工技術(shù)的施工過程、施工質(zhì)量控制要點(diǎn)及特殊工程問題處理進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)合該技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用效果，論證了研究技術(shù)的合理性和工程可實(shí)施性，闡明了研究技術(shù)的工程應(yīng)用價(jià)值。

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