吳艷梅,張建軍

(武鋼礦業(yè)公司程潮鐵礦,湖北鄂州 436051)

塑性混凝土防滲墻在程潮鐵礦攔洪壩治理中的應(yīng)用

吳艷梅,張建軍

(武鋼礦業(yè)公司程潮鐵礦,湖北鄂州 436051)

針對(duì)程潮鐵礦攔洪壩的變形原因和狀況,較詳細(xì)地闡述了在不影響礦山水庫(kù)正常使用的情況下,采用彈性模量低、抗?jié)B性能好的塑性混凝土防滲墻,對(duì)不斷變形的病患?jí)误w進(jìn)行防滲加固治理,通過(guò)治理過(guò)程和效果分析,以期為類(lèi)似地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害治理提供有益啟示。

攔洪壩;塑性混凝土;防滲墻;治理

0 引言

地下連續(xù)墻施工技術(shù)是20世紀(jì)60年代興起的一種基礎(chǔ)工程施工方法[1],主要用于擋土、防水、構(gòu)筑物承重等方面。近年來(lái),中國(guó)有許多用塑性混凝土防滲墻對(duì)病患水庫(kù)大壩基礎(chǔ)防滲處理的工程實(shí)例,但在不影響水庫(kù)正常使用的情況下,對(duì)處于持續(xù)變形條件的壩體進(jìn)行防滲加固處理,在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有工程實(shí)例。程潮鐵礦攔洪壩受井下采礦、地表塌陷變形的影響,壩體出現(xiàn)了不同程度的水平、沉降位移和滲漏,通過(guò)采用塑性混凝土防滲墻進(jìn)行防滲加固處理,取得了極佳的治理效果,為處于持續(xù)變形狀況的病患水庫(kù)治理提供了工程先例。

1 工程概況

1.1 攔洪壩的基本情況

程潮鐵礦攔洪壩位于東采塌陷區(qū)北部,主要用于礦山井下涌水排水量的存儲(chǔ)及匯水面積內(nèi)地表水的攔截,同時(shí)為井下生產(chǎn)循環(huán)用水和選礦生產(chǎn)用水提供水源,是礦山正常、安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施。

攔洪壩是一個(gè)“U”字型土壩,最大壩高15.28 m,壩軸線(xiàn)長(zhǎng)120 m,于1959年在原塘堰的基礎(chǔ)上加高而成。壩基坐落在強(qiáng)風(fēng)化的斑狀花崗巖上,筑成后下游就有滲漏現(xiàn)象,1962年在壩體上游臨水面建立了一垂直剛性混凝土擋墻,且在下游坡作片石壓壩處理,但滲漏現(xiàn)象并沒(méi)有完全消失。

1.2 地質(zhì)條件

程潮鐵礦攔洪壩水庫(kù)出露的地層主要為燕山晚期第四次侵入斑狀花崗巖以及第四紀(jì)的殘坡積物和人工堆積物。壩體主要為人工堆填的粘土及碎石土。壩體及壩基的巖土結(jié)構(gòu)從上到下為:①粉質(zhì)粘土,黃褐色—灰褐色,稍密狀態(tài),稍濕,平均厚1.94 m;②碎石土,淺肉紅色—灰褐色,粒徑一般0.5～3 cm,最大厚度13.4 m,平均厚度9.66 m;③粉質(zhì)粘土,淺黃褐色—灰褐色,可塑,稍濕,頂部含淤泥質(zhì)粘土,平均厚度4.06 m;④強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,黃褐色、肉紅色,大部分風(fēng)化呈砂土狀,平均厚度6.51 m。下伏中風(fēng)化花崗巖,水庫(kù)及壩體下覆基巖在完整的情況下為相對(duì)隔水巖體。

1.3 壩體變形狀況

程潮鐵礦建礦以來(lái)一直采用無(wú)底柱分段崩落法采礦,隨著礦體的開(kāi)采,礦體上覆巖土體松動(dòng),產(chǎn)生地面錯(cuò)動(dòng)、塌陷變形。采礦塌陷區(qū)大小不等的地面塌陷坑10多個(gè),坑坑相連。攔洪壩位于塌陷區(qū)北側(cè)、地面移動(dòng)界線(xiàn)內(nèi),離塌陷坑最近距離約為110 m,受地基變形的影響,攔洪壩出現(xiàn)了不同程度的水平位移和垂直沉降,2008年7月～2009年2月三維變形速率達(dá)到0.40 mm/d,滲漏量比往年同期增加一倍多,對(duì)壩體的穩(wěn)定造成嚴(yán)重的影響,并使位于水庫(kù)南側(cè)的東采區(qū)礦坑涌水量大幅增加,嚴(yán)重威脅壩體和井下生產(chǎn)安全。

2 防滲加固設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)礦區(qū)生產(chǎn)安排,短期內(nèi)攔洪壩水庫(kù)的功能不能缺失,隨著礦體的開(kāi)采,采礦引起的地面變形對(duì)攔洪壩的影響還將持續(xù)存在,攔洪壩治理刻不容緩。治理工程設(shè)計(jì)必須以經(jīng)濟(jì)合理、見(jiàn)效快、安全運(yùn)行為原則。

2.2 設(shè)計(jì)方案

由于塑性混凝土是用優(yōu)質(zhì)的膨潤(rùn)土、粘土等材料按一定比例與混凝土混合而得到的一種新型防滲材料,具有變形模量低、能適應(yīng)地基變形[2]、防滲性能有保證等良好特性,因此設(shè)計(jì)選用施工速度快、防滲效果好的地下連續(xù)墻施工技術(shù)方案。

通過(guò)對(duì)攔洪壩的變形特征、地質(zhì)條件分析,設(shè)計(jì)在壩體及壩基巖體強(qiáng)風(fēng)化部位采用塑性混凝土防滲墻作為防滲加固的主體(見(jiàn)圖1),在墻與巖體的接觸部位及壩體兩肩中采用接縫注漿進(jìn)行進(jìn)一步的防滲處理。防滲墻的施工采用液壓抓斗成墻,接縫注漿采用循環(huán)式注漿工藝。

圖1 塑性混凝土防滲墻橫剖面圖Fig.1 Cross section of plastic concrete

2.3 設(shè)計(jì)工程量

攔洪壩防滲墻設(shè)計(jì)長(zhǎng)度130 m,設(shè)計(jì)墻體厚度0.6 m,采用薄壁液壓抓斗法施工技術(shù)開(kāi)挖成槽。根據(jù)設(shè)備及地質(zhì)條件確定每6 m為一個(gè)槽段,所有槽段按奇偶數(shù)分二個(gè)槽序,先施工Ⅰ號(hào)槽段,一個(gè)槽段挖成后,立即用塑性混凝土進(jìn)行澆灌。每一槽段深度由其下的巖性決定,設(shè)計(jì)抓槽深入花崗巖中風(fēng)化層0.5 m。沿防滲墻軸線(xiàn)布置接縫注漿鉆孔一排,墻體兩側(cè)與巖體結(jié)合部位布置注漿孔2排,孔間距為2 m,一共布置鉆孔104個(gè)。注漿鉆孔設(shè)計(jì)進(jìn)入中風(fēng)化花崗巖內(nèi)10 m。

2.4 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

塑性混凝土防滲墻設(shè)計(jì)物理力學(xué)指標(biāo)為:防滲墻成墻厚度600 mm;墻體強(qiáng)度設(shè)計(jì)為7.5MPa;抗?jié)B標(biāo)號(hào)為S6;彈性模量ES≤2.2×104N/mm2;接縫注漿要求巖體壓水試驗(yàn)透水率<3 lu。

3 防滲墻施工

3.1 修筑導(dǎo)槽

導(dǎo)槽是在地層表面沿地下連接防滲墻軸線(xiàn)方向設(shè)置的臨時(shí)構(gòu)筑物。導(dǎo)槽起著標(biāo)定防滲墻位置、成槽導(dǎo)向、鎖固槽口,保持泥漿液面,槽孔上部孔壁保護(hù)、外部荷載支撐的作用。導(dǎo)槽的穩(wěn)定是混凝土防滲墻安全施工的關(guān)鍵,為了使導(dǎo)槽具有足夠的剛度和良好的整體性,本工程導(dǎo)槽兩側(cè)現(xiàn)澆C20混凝土導(dǎo)墻(斷面規(guī)格見(jiàn)圖2),槽內(nèi)凈寬70 cm,頂面高于施工場(chǎng)地10 cm,以阻止地表水流入。導(dǎo)墻施工完成達(dá)到50%強(qiáng)度要求后,在導(dǎo)墻上放樣標(biāo)識(shí)槽段位置,防滲墻槽段施工在導(dǎo)槽中間進(jìn)行。

圖2 導(dǎo)槽橫斷面圖Fig.2 Cross-section of guidance

3.2 抓斗成槽

防滲墻各槽段進(jìn)行抓斗成槽前,先將抓斗正對(duì)某一槽段位置再垂直向下進(jìn)行造孔。液壓抓斗機(jī)每抓一次的寬度為2.8 m,根據(jù)設(shè)備性能制定“三抓法”的施工方案,即采用先抓取槽段的兩端巖土再抓取中間剩余部分,成槽的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求,孔位偏差≤3 cm;槽孔孔壁應(yīng)平整垂直,孔斜率≤8‰,最終施工槽段成槽深度由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)負(fù)責(zé)、監(jiān)理鑒定巖層巖性確定。

在造孔成槽過(guò)程中,要使用泥漿起固壁、懸浮、攜渣、冷卻鉆具和潤(rùn)滑的作用,成墻后還可增加墻體的抗?jié)B性能。本工程泥漿采用膨潤(rùn)土拌制,1 m3泥漿投料量配合比為:水950 kg、膨潤(rùn)土130 kg、純堿4 kg,CMC 1 kg。槽段終孔驗(yàn)收合格后進(jìn)行清孔,清孔采用抓斗抓取淤泥,并及時(shí)用新鮮泥漿補(bǔ)充。清孔換漿結(jié)束1 h后,若孔底淤積厚度≤10 cm,槽內(nèi)泥漿比重≤1.2 g/cm3,粘度≤30 s,含砂量≤6%,槽段成槽工作完成,準(zhǔn)備槽段混凝土澆灌工作,混凝土防滲墻是在泥漿下灌筑混凝土。

3.3 防滲墻體灌筑

一個(gè)槽段抓成后,垂直下入三根Φ108 mm的地質(zhì)鋼管,作為下一步的注漿鉆孔預(yù)埋管,預(yù)埋管立于墻體軸線(xiàn)上,管間距離為2 m,長(zhǎng)度大于槽深0.5 m。

墻體灌筑采用剛性導(dǎo)管法進(jìn)行,在預(yù)埋地質(zhì)管的同時(shí),在槽段中部垂直下入一根直徑Φ300 mm的灌漿導(dǎo)管,導(dǎo)管離槽底15～25 cm,用管道將預(yù)先制好的塑性混凝土漿液送入灌漿導(dǎo)管,混凝土豎向順導(dǎo)管下落,利用導(dǎo)管隔離泥漿,導(dǎo)管內(nèi)混凝土依靠自重壓擠下部管口的混凝土,并在已灌入的混凝土體內(nèi)流動(dòng)、擴(kuò)散上升,最終置換出泥漿,保證混凝土的整體性。按材料規(guī)格要求,經(jīng)材料配比試驗(yàn),攔洪壩防滲墻采用的灌漿液材料重量比為:水泥 ∶水 ∶砂 ∶石 ∶膨潤(rùn)土=1∶2∶6.47∶2.76∶1。

灌注過(guò)程中每30 min測(cè)量一次混凝土面,每2 h測(cè)量一次導(dǎo)管內(nèi)混凝土面,根據(jù)混凝土面上升情況,決定導(dǎo)管的提升長(zhǎng)度。導(dǎo)管在混凝土內(nèi)的埋深最小須≥1.0 m,最大須≤6.0 m,在保證埋深的前提下,隨著混凝土面的上升,用吊車(chē)提升導(dǎo)管,并將頂部的部分導(dǎo)管拆除。槽孔內(nèi)混凝土面上升至槽口時(shí),采用泥漿泵抽出濃漿,并提升導(dǎo)管,減小埋深,增加混凝土的沖擊力,直至混凝土頂面超出設(shè)計(jì)墻頂標(biāo)高0.5 m,即可停止?jié)仓?拔出導(dǎo)管,完成灌漿程序。

3.4 槽段接頭處理

相鄰槽段的銜接部分即為接頭,本工程采用切削法進(jìn)行接頭連接,即一期槽段澆筑完畢12 h后,視混凝土強(qiáng)度進(jìn)行二期槽段造孔時(shí),用抓斗將一期槽段混凝土切削成鋸齒型,二期槽段灌注的同時(shí)將鋸齒包裹起來(lái)使一、二期槽段成為整體,以保證接頭質(zhì)量。

4 接縫注漿

4.1 注漿孔施工

注漿鉆孔選用能力較大的XY-1巖心鉆機(jī)施工,在墻體上施工時(shí),鉆機(jī)立軸正對(duì)預(yù)埋孔口管,偏差≤5 mm,以免施工時(shí)打動(dòng)預(yù)埋管而影響墻體質(zhì)量。防滲墻兩端注漿孔用Φ110 mm口徑開(kāi)孔,Φ91 mm鉆進(jìn)到終孔。鉆孔終孔嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求,必須滿(mǎn)足下述要求之一:①進(jìn)入完整巖層2 m以上;②壓水試驗(yàn)透水率<3 lu。

4.2 灌漿施工

為了保證防滲堵水的質(zhì)量,灌漿采用孔口封閉,全孔循環(huán)的注漿方式。鉆孔要求清水鉆進(jìn),灌漿前洗孔,孔內(nèi)沉渣不得超過(guò)10 cm。注漿管下入孔內(nèi)距孔底20 cm。一般情況下全孔一次灌注,如孔內(nèi)漏水嚴(yán)重,可先注漿,待凝后鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)孔深,則注漿結(jié)束。

4.3 灌漿材料及配比

灌漿材料以水泥為主,考慮漿液的穩(wěn)定性、可灌性,最主要考慮壩體在不斷變形的地質(zhì)環(huán)境中,為增加防滲可靠性,漿液中要求加入一定比例的膨潤(rùn)土,參考比例為:水泥∶膨潤(rùn)土=1∶1,施工前先做配比試驗(yàn),檢測(cè)漿液結(jié)石體的抗?jié)B性能及強(qiáng)度。漿液的水固比根據(jù)巖石滲透性的大小選用,初始漿液的水固比取3∶1;注漿過(guò)程中再根據(jù)灌漿壓力及灌漿量從3∶1,2∶1,1∶1,0.8∶1,0.6∶1到0.5∶1,按由稀到濃的原則逐級(jí)改變漿液濃度。如注漿量過(guò)大,單次注漿超過(guò)20 m3,則應(yīng)等待4 h后再掃孔注漿。

4.4 灌漿壓力

灌漿壓力與地質(zhì)條件密切相關(guān),在施工中根據(jù)巖層的吸漿情況以及有無(wú)冒漿或抬動(dòng)變形等情況對(duì)灌漿壓力及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。攔洪壩注漿孔孔深0～20 m時(shí),灌漿壓力為0.2～0.4 MPa;孔深20～40 m時(shí),灌漿壓力為0.3～0.6 MPa。

灌漿與壓水都用自動(dòng)灌漿記錄儀全過(guò)程記錄各項(xiàng)參數(shù),在設(shè)計(jì)壓力下,注入率≤1 L/min時(shí),延續(xù)灌注時(shí)間≥30 min。灌漿結(jié)束后,用水灰比為0.5∶1的濃漿封孔并保持終灌壓力30 min。接縫注漿的質(zhì)量檢查采用壓水試驗(yàn)。鉆孔注漿結(jié)束后抽取10%的鉆孔掃孔到底,進(jìn)行壓水試驗(yàn)檢查,試驗(yàn)壓力取終孔灌漿壓力。

5 施工過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題及處理措施

5.1 坍塌

由于攔洪壩堆積體以松散碎石土層為主,槽段在成槽過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)局部坍塌和大面積坍塌。當(dāng)出現(xiàn)局部坍塌時(shí)加大泥漿密度,待沉積密實(shí)后再進(jìn)行施工,同時(shí)在相應(yīng)地段減小槽段開(kāi)挖長(zhǎng)度,將1個(gè)槽段分成2個(gè)小段施工。

在注漿鉆孔施工過(guò)程中,風(fēng)化巖體較破碎,容易塌孔、卡鉆。主要的解決辦法是在松散地層中用跟管鉆進(jìn),在破碎地段用泥漿護(hù)壁。

5.2 漏漿、串漿

槽段成槽開(kāi)挖過(guò)程中,有時(shí)出現(xiàn)漏漿,漏漿嚴(yán)重時(shí)能在庫(kù)內(nèi)和壩體下游滲漏處見(jiàn)到泥漿渾水,此時(shí)在泥漿中增大水泥量,加大泥漿比重;及時(shí)補(bǔ)充泥漿量;對(duì)漏失嚴(yán)重的地層用速凝水泥、水玻璃等特殊材料處理。

漏漿鉆孔灌漿壓力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,有時(shí)漿液會(huì)串到鄰孔內(nèi),此時(shí),需要待灌漿孔漿液凝固后,掃孔重新注漿。被串漿的鉆孔也需要按照設(shè)計(jì)要求重新鉆進(jìn)、注漿處理。

6 防滲墻工程治理效果

攔洪壩下游是采礦塌陷區(qū),原有7個(gè)出水點(diǎn),水庫(kù)滲漏水全部通過(guò)塌陷區(qū)涌入礦坑,需要人力、物力、財(cái)力從500多米深的井下礦坑重新抽出。同時(shí)滲漏水對(duì)塌陷區(qū)、采區(qū)巖礦體進(jìn)行侵蝕、淋濾、浸泡,降低了井下巷道礦巖強(qiáng)度,增大巷道冒頂垮塌的危險(xiǎn)以及巷道垮冒造成的礦石資源損失。攔洪壩治理后,所有出水點(diǎn)全部干枯(見(jiàn)壩體下游滲漏水流監(jiān)測(cè)點(diǎn)照片1、照片2);大大減弱了地下水對(duì)壩體的侵蝕以及對(duì)塌陷區(qū)的沖刷作用,更有利于壩體的穩(wěn)定;延長(zhǎng)了礦山水庫(kù)使用壽命;減小了水對(duì)巷道的不利影響,增強(qiáng)了巷道的穩(wěn)定性,采礦生產(chǎn)可以按照設(shè)計(jì)回收礦石資源;降低了井下安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn),有利于資源節(jié)約型、環(huán)境友好型礦山建設(shè)。

照片1 工程施工前滲漏水流Photo 1 Leakage flow before project construction

[1] 胡茂焱,劉大軍,鄭秀華.地質(zhì)災(zāi)害與治理技術(shù)[M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2005:50.

[2] 鄭守仁,楊文俊.河道截流與流水筑壩技術(shù)[M].武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2009:488.

(責(zé)任編輯:胡立智)

Application of Plastic Concrete Cut-off Wall for Retaining Dam Treatment in Chengchao Iron Mine

WU Yanmei,ZHANG Jianjun
(Chengchao Iron Refinery,Wuhan Iron and Steel Com pany,Ezhou,Hubei436051)

In view of defor mation cause of retaining dam in Chengchao iron mine,it adopts low elastic modulus,good imper meability disposal of plastic concrete cutoff wall construction without affecting nor mal operation of reservoirs.It expounds anti-seepage reinforcement and regulation effect of continuous deformation of dam.

continuous deformation of dam;plastic;cut-offwall;governance

TV543+.82;TV64

A

1671-1211(2010)03-0271-04

2009-11-25;改回日期:2009-01-18

吳艷梅(1965-),女,高級(jí)工程師,水文地質(zhì)工程地質(zhì)專(zhuān)業(yè),從事礦山水文地質(zhì)、工程地質(zhì)工作。E-mail:chchwym@sina.com