王立彬,燕 喬,畢明亮,許小東

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北宜昌 443002)

深厚覆蓋層是近年來開發(fā)西南山區(qū)水電工程常常遇到的一種復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造,它具有結(jié)構(gòu)松散、堆積厚度大、巖層不連續(xù)、巖性變化大、透水性強(qiáng)等特征,其成分以漂卵礫石、塊碎石、粉細(xì)砂等為主,顆粒組成偏粗大,顆粒級配曲線均呈由粗粒為主體的陡峻型結(jié)構(gòu)到平緩型的細(xì)粒結(jié)構(gòu),通常情況下缺乏中間粒徑[1]。對如此復(fù)雜的深厚覆蓋層如何進(jìn)行有效的防滲已成為近年來研究的熱點(diǎn)。

垂直防滲是控制壩基滲流的有效措施,其主要形式有混凝土防滲墻和帷幕灌漿?；炷练罎B墻是垂直防滲處理中首選的、最可靠的措施,但是對于埋藏近百米以上的復(fù)雜深厚覆蓋層來說,采用防滲墻全部截?cái)鄩位鶟B流在目前還是很困難的,需克服很多施工技術(shù)難題;采用帷幕灌漿的形式又存在因工程量浩大而導(dǎo)致工期長、投資大的問題。因此,采用單一的防滲墻或帷幕灌漿無法解決深厚覆蓋層壩基防滲問題。經(jīng)過不斷實(shí)踐和研究,在有些工程中創(chuàng)造性地提出了墻幕結(jié)合的防滲方法。該方法可充分發(fā)揮造墻與灌漿各自的優(yōu)勢,將防滲墻嵌入弱風(fēng)化層一定深度,并在防滲墻下實(shí)施帷幕灌漿,從而形成上有防滲墻、下有灌漿帷幕的一種聯(lián)合防滲體系[2]。

目前,這種聯(lián)合防滲體系已成功應(yīng)用于多個(gè)深厚覆蓋層壩基垂直防滲工程,如三峽一、二期圍堰[3-4],瀑布溝水電站,冶勒水電站,下坂地水利樞紐,尼山水庫工程[5]等,效果都很顯著。對于此項(xiàng)技術(shù)主要還是依靠單一的常規(guī)防滲墻和防滲帷幕技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。目前,此項(xiàng)技術(shù)還沒有現(xiàn)行規(guī)范可供指導(dǎo)與參照,還存在一些重要問題值得研究和思索。本文將對墻幕結(jié)合技術(shù)中存在的一些問題進(jìn)行闡述,為今后此類工程提供一些有益的參考。

1 墻幕結(jié)合形式

目前,墻幕結(jié)合形式呈現(xiàn)多樣化。如新疆下坂地水利樞紐工程采用墻下幕結(jié)合墻外3排帷幕灌漿形式,見圖1(a);四川冶勒水電站右岸地基采用上下雙墻對接、下墻接帷幕形式,見圖1(b);四川瀑布溝水電站采用 2道防滲墻結(jié)合墻下接帷幕,且在2道墻間采用固結(jié)灌漿的組合形式,見圖1(c);云南小灣水電站上游圍堰因時(shí)間所限,采用防滲墻與5排灌漿帷幕水平組合形式等等。

圖1 墻幕結(jié)合形式布置示意圖

墻幕結(jié)合形式的關(guān)鍵問題在于如何合理確定防滲墻深度與帷幕灌漿的厚度,實(shí)現(xiàn)防滲墻與帷幕深度與經(jīng)濟(jì)的合理組合,滿足工程進(jìn)度、降低造價(jià)等要求。對于防滲墻深度問題,與灌漿帷幕相比,防滲墻有防滲可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。因此,在保證施工質(zhì)量的前提下,設(shè)計(jì)時(shí)上部防滲墻應(yīng)做得盡量深,墻厚則根據(jù)防滲墻墻體材料的允許水力坡降及其承受的水頭來初步確定;然后進(jìn)行滲流計(jì)算、滲透穩(wěn)定分析,以及強(qiáng)度和變形分析,以確認(rèn)所選墻厚的合理性;最后根據(jù)施工設(shè)備、地質(zhì)條件和環(huán)境水質(zhì)等因素進(jìn)行調(diào)整。灌漿帷幕的厚度主要取決于帷幕允許水力坡降的取值,在沒有試驗(yàn)資料的情況下可憑經(jīng)驗(yàn)取,然后根據(jù)地質(zhì)條件、防滲標(biāo)準(zhǔn)、灌漿試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整,以確定帷幕厚度和合理的排數(shù)。排數(shù)的多少影響著墻幕結(jié)合的布置形式,也決定著灌漿工程的難易程度以及工程進(jìn)度與投資問題。如果僅需1排灌漿孔就達(dá)到帷幕厚度要求,那么灌漿孔最好布置在墻體中心線上,這樣有利于整體防滲效果及保證墻幕搭接質(zhì)量;如果需要多排灌漿孔,那么就存在灌漿孔如何合理布置的問題。防滲墻厚度是有限的,墻體內(nèi)一般布設(shè)1排灌漿孔,最多布設(shè)2排(如冶勒水電站)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析,其他排灌漿孔最好對稱布置,如果是奇數(shù)排,多余的1排布置在墻體下游側(cè)。

2 墻內(nèi)預(yù)埋管技術(shù)

對于布設(shè)在墻體內(nèi)的帷幕灌漿孔如何實(shí)現(xiàn)成孔問題,目前有3種方法[2]:①墻體形成后,在墻體上開鉆成孔;②墻體澆筑時(shí)利用拔管技術(shù)成孔;③墻體澆筑時(shí)采取預(yù)埋管技術(shù)成孔。在深厚覆蓋層中采用墻幕結(jié)合技術(shù)時(shí),由于防滲墻墻體深度很大,如果在成墻后采用鉆機(jī)鉆孔,鉆孔精度要求高,鉆灌比大,工期緊,難以保證鉆灌工程質(zhì)量和工期;如果在墻體澆筑時(shí)采用拔管法技術(shù)成孔則經(jīng)濟(jì)快捷,但成孔率低,且與混凝土墻體澆筑施工干擾大,技術(shù)復(fù)雜;如果在墻體澆筑時(shí)采用預(yù)埋管技術(shù)成孔,雖耗費(fèi)管材,但便于成孔,成孔率高,可節(jié)省工期。因此,為了滿足施工進(jìn)度和質(zhì)量要求,工程中往往采用墻內(nèi)預(yù)埋管技術(shù)成孔,這樣可節(jié)省投資和降低部分帷幕灌漿鉆孔的難度。

對于墻內(nèi)預(yù)埋管技術(shù)目前已到達(dá)埋管百米深度[6],其技術(shù)難點(diǎn)是埋管定位和防止?jié)仓炷習(xí)r混凝土料沖擊埋管,使之位移偏斜,造成埋管失敗。

采用定位架是預(yù)埋管定位行之有效的方法。即在防滲墻槽段劃分時(shí)充分考慮埋管間距要求,并按防滲墻槽孔形狀焊接制作輔助埋管定位的保持鋼筋架,保持鋼筋架沿埋管深度方向上每隔一定距離(要合理確定)設(shè)置1個(gè)定位架,底部位保持鋼筋架距孔底不大于2.0m,孔口保持鋼筋架固定在槽口導(dǎo)墻上,管腳采用圓形鋼筋定位架定位。若預(yù)埋鋼管,則按設(shè)計(jì)成孔位置將鋼管焊在保持鋼筋架上固定,預(yù)埋鋼管接頭采用對口焊接。如預(yù)埋塑料管,則按設(shè)計(jì)成孔位置將塑料管膠接捆扎在保持鋼筋架上固定,塑料管接頭采用對口外套接頭套捆扎膠接,埋設(shè)時(shí)采用內(nèi)套鋼管(防止混凝土澆筑時(shí)由于側(cè)壓力太大而導(dǎo)致塑料管變形或折彎)、待混凝土澆筑后拔出鋼管的方法施工。圖2為槽內(nèi)鋼筋定位架示意圖。

圖2 槽內(nèi)鋼筋定位架示意圖

3 墻幕搭接問題

墻幕的搭接處是防滲的薄弱環(huán)節(jié),因?yàn)榉罎B墻與帷幕的防滲能力、允許水力梯度和滲透系數(shù)都是不同的,如果處理不好會(huì)形成地下水流的滲漏通道。搭接處應(yīng)滿足水力滲透比降和滲流量要求。

對于有多排灌漿孔的帷幕,防滲墻最好采用嵌入的形式進(jìn)行墻幕搭接,見圖3。此外,為了增加防滲效果,保證深厚覆蓋層滲流穩(wěn)定要求,也可將防滲墻下游排灌漿孔沿墻體深度方向進(jìn)行全段灌漿,這樣可以起到墻幕并用的雙保險(xiǎn)作用。當(dāng)然這種情況主要針對墻體下游排灌漿孔較少的情況,如果排數(shù)太多,則會(huì)影響工程的工期和投資。

圖3 插入式墻幕搭接形式

目前對于墻幕的搭接長度還沒有統(tǒng)一規(guī)定,也很少有人針對此問題進(jìn)行計(jì)算分析。在沒有理論分析依據(jù)的情況下,墻幕的搭接長度可盡量長些,以延長地下水流的滲流路徑,削減滲透壓力,降低滲流量,滿足滲透比降要求。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),防滲墻采用嵌入帷幕的形式進(jìn)行墻幕搭接,最理想的搭接長度為10 m[7]。在壩基冰磧砂礫石覆蓋層厚度達(dá)150余m的新疆下坂地水利樞紐中,壩基防滲采用的墻幕結(jié)合形式的搭接長度為10m,經(jīng)過運(yùn)行檢驗(yàn),效果顯著。

4 墻下帷幕灌漿技術(shù)

關(guān)于墻下灌漿問題存在鉆孔與灌漿兩大難題。對于鉆孔問題,首先要注意鉆孔的時(shí)間。一般在防滲墻施工完畢且在墻體達(dá)到70%強(qiáng)度、相鄰槽孔混凝土強(qiáng)度達(dá)50%以上方可施工鉆孔及進(jìn)行灌漿作業(yè),避免因過早施工而損壞墻體,降低防滲效果。

對于預(yù)埋灌漿管的墻體,在進(jìn)行墻下鉆孔前應(yīng)先用測斜儀檢查預(yù)埋管的孔斜度,檢查其在墻體施工時(shí)是否受到碰撞或擠壓導(dǎo)致灌漿管孔偏斜過大或埋管失敗。對預(yù)埋管偏斜過大或埋管失敗以至于無法施工的灌漿管孔,為了保證墻下帷幕的完整與連續(xù)性,必須在原孔旁重新鉆孔灌漿或設(shè)加密灌漿孔,這樣就必須克服在墻內(nèi)鉆孔的難題。因此,在墻體澆筑時(shí)應(yīng)小心保護(hù)預(yù)埋管,盡量避免埋管失敗。檢查完后進(jìn)行掃孔,再在防滲墻底部開始鉆孔。在預(yù)埋管內(nèi)進(jìn)行鉆孔要嚴(yán)格控制孔的斜度,以保護(hù)墻體不被破壞。

對于在墻外復(fù)雜的深厚覆蓋層中鉆孔也是公認(rèn)的難題。在實(shí)際工程中往往選擇多種手段、多種設(shè)備進(jìn)行合理組合,充分發(fā)揮各種設(shè)備的優(yōu)勢。已有的大型工程實(shí)踐證明,在現(xiàn)有的施工技術(shù)水平下進(jìn)行設(shè)備的合理組合和方案優(yōu)選是可以滿足復(fù)雜深厚覆蓋層鉆孔需求的,這一點(diǎn)在新疆下坂地工程中得到很好的體現(xiàn):采用SM-400型跟管鉆機(jī)鉆進(jìn)至孔深40m,以下地層采用XY-42型巖芯鉆機(jī)配金剛石鉆頭、泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)?？浙@段鉆孔以巖芯管作為護(hù)壁套管,穿過嚴(yán)重失漿地層時(shí),結(jié)合掏芯鉆進(jìn)法、堵漏式灌漿等工藝,變徑鉆進(jìn),最后一級巖芯管(管徑不小于91mm)作為下部灌漿段護(hù)壁管;灌漿段鉆進(jìn)采用? 76金剛石鉆頭、泥漿固壁鉆進(jìn)[8]。

對于灌漿問題,若墻體采用預(yù)埋鋼管法成孔,宜采用自上而下分段鉆孔,孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)法灌漿;若墻體采用預(yù)埋塑料管成孔或鉆機(jī)鉆探成孔,宜采用自上而下分段鉆孔灌漿,灌漿采用孔內(nèi)阻塞、孔內(nèi)循環(huán)法灌注,阻塞器下設(shè)至灌漿段頂,以保護(hù)墻體安全。

對于在墻下深孔內(nèi)進(jìn)行灌漿,當(dāng)注入率偏小時(shí)常出現(xiàn)回漿變濃現(xiàn)象,如不及時(shí)處理,幾分鐘之內(nèi)鉆桿即會(huì)鑄管,帶來巨大的損失并嚴(yán)重影響正常施工。分析其原因:①由于深厚覆蓋層地質(zhì)的特點(diǎn),墻下灌漿孔段較深,漿液在孔內(nèi)高速流動(dòng)時(shí)對孔壁產(chǎn)生擾動(dòng)、沖刷,孔壁內(nèi)的沙粒成分逐漸被漿液沖刷掉并大量進(jìn)入漿液中,隨著灌漿時(shí)間的延長,孔內(nèi)循環(huán)漿液中細(xì)、粗沙粒以及小卵石成分增多,致使?jié){液變濃;②由于循環(huán)灌漿本身的特點(diǎn),在深孔帷幕灌漿過程中漿液在狹窄通道上遠(yuǎn)距離、長時(shí)間地流動(dòng)摩擦將產(chǎn)生大量熱量,使?jié){液溫度迅速升高,水化過程加快,黏度劇增,導(dǎo)致漿液變濃。③當(dāng)灌漿段遇到超固結(jié)的粉質(zhì)壤土層或粉細(xì)沙層時(shí),地層致密完整,基本上不吸漿,即使在高壓力下也無法將其劈裂,此時(shí)的高壓灌漿僅能起到進(jìn)一步擠密壓實(shí)粉質(zhì)壤土層或粉細(xì)沙層的作用,地層會(huì)出現(xiàn)吸水不吸漿的現(xiàn)象,致使?jié){液變濃,發(fā)生鑄管現(xiàn)象。在深厚覆蓋層墻幕結(jié)合工程中曾出現(xiàn)過此類現(xiàn)象,如四川冶勒水電站工程[9]、新疆下坂地水利樞紐工程[10]。關(guān)于此類問題的解決還要依靠對灌漿工藝和漿液性能的研究。如在冶勒水電站工程中,帷幕灌漿的孔深普遍超過100m,根據(jù)國內(nèi)灌漿施工經(jīng)驗(yàn),在孔深超過100m的灌漿段進(jìn)行循環(huán)式高壓濃漿灌注時(shí)存在較大的鑄管危險(xiǎn)。而在生產(chǎn)性試驗(yàn)中也出現(xiàn)了以上特殊情況,如在大規(guī)模施工中繼續(xù)使用純水泥漿,產(chǎn)生鑄管的風(fēng)險(xiǎn)大,對工程的順利實(shí)施十分不利。經(jīng)國內(nèi)眾多基礎(chǔ)處理工程專家咨詢,改用穩(wěn)定性極高的膨潤土水泥漿才得以解決此問題。再如重慶小南海水庫地震崩塌堆積天然壩體帷幕灌漿施工中采用了孔口旋升封閉器,它的特點(diǎn)是在整個(gè)灌漿過程中可以不中斷灌漿過程,同時(shí)使射漿管在孔口靈活旋轉(zhuǎn)和升降。孔口封閉器通過射漿管的旋升作用能有效地破壞漿液的絮凝結(jié)構(gòu),避免灌漿過程中造成鑄管事故。

墻下灌漿尤其要注意墻底接觸段。由于前期防滲墻施工時(shí)孔底沉積了大量巖屑和泥皮,結(jié)構(gòu)松散,是墻下灌漿施工中的薄弱環(huán)節(jié),該處也是墻幕結(jié)合搭接的關(guān)鍵部位,因此要認(rèn)真處理。工程中一般采用加大灌漿壓力的方法達(dá)到致密灌漿的效果。采用較高的灌漿壓力,既可以盡量將巖屑和泥皮排擠出去,又可以提高接觸段的灌注量,在此形成一個(gè)較致密的能承受較高滲透破壞比降的搭接段,以保證墻幕搭接處的滲透安全。

5 結(jié) 論

a.墻幕的組合形式關(guān)系到技術(shù)、進(jìn)度、投資等多方面,要綜合考慮確定,在技術(shù)可行的情況下,上部防滲墻要做得盡量深,以保證壩基垂直防滲的有效性。

b.在墻體內(nèi)采用預(yù)埋管技術(shù)成孔,可節(jié)約工期和降低部分帷幕灌漿鉆孔的難度,滿足工程質(zhì)量與進(jìn)度的要求。

c.墻幕的搭接處是防滲的薄弱環(huán)節(jié),要保證搭接質(zhì)量,合理確定搭接長度。

d.墻下帷幕灌漿易發(fā)生鑄管現(xiàn)象,解決此問題要依靠對灌漿工藝與漿液性能的研究。

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