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號堆積體錨索砂漿固壁成孔試驗與研究

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、嚴重架空地層中鉆進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題，經(jīng)過固壁灌漿試驗研究，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)時間和抗壓強度，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)無沖溝發(fā)育，地形坡度較陡，從河床至后緣平均坡度38°，在過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，堆積體前緣沿過壩公路線長約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m2，總方量約65萬m3。水電站庫區(qū)過壩公路通過該堆積體，根據(jù)1號堆積體覆蓋層邊坡的地質(zhì)條件，1號堆積體過壩公路采用抗滑樁、承臺板、混凝土擋墻及預(yù)應(yīng)力錨索等措施進行處理。擋墻錨索共布置139束，錨索長度45～65 m，錨固段長度均為11 m，覆蓋層張拉段采用跟管鉆進成孔。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，形成過壩公路路基，錨索穿越混凝土擋墻和回填區(qū)后進入堆積體巖層。

2 錨索成孔技術(shù)難題

通過已開孔的錨索孔鉆進情況，均在穿過擋墻、路基石渣回填區(qū)及進入堆積體表層時，頻繁出現(xiàn)掉塊卡鉆、塌孔埋鉆、套管靴拉斷等現(xiàn)象。錨索開工1個多月，現(xiàn)場僅成功下索4根，鉆進機具損失嚴重，投入過大且無產(chǎn)值，成孔效率極低。經(jīng)過綜合分析，錨索成孔困難主要是由以下原因造成的。

2.1 鉆孔技術(shù)指標要求高

錨索孔設(shè)計深度45～65 m，錨固段長度達11 m，孔徑170 mm。要求鉆孔開孔偏差≤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)計孔深50 cm，終孔孔徑不小于設(shè)計孔徑10 mm。

2.2 地質(zhì)條件復(fù)雜

根據(jù)錨索孔施工鉆進情況及ZK02鉆孔攝像資料顯示，1號堆積體結(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。在跟管鉆進時，由于套管設(shè)計管徑較大，套管與孔壁間的摩擦阻力很高;在回填區(qū)時，回填石渣受套管鉆進沖擊影響，致使周圍石渣對套管的摩擦力增大，導(dǎo)致套管無法向前跟進;地層架空現(xiàn)象嚴重，當通過架空層后，孔壁上方不穩(wěn)定的石塊在重力及鉆具振動的影響下，掉入已成孔段，導(dǎo)致鉆具卡死，造成套管靴被拉斷，套管無法跟管鉆進。

3 錨索砂漿固壁成孔試驗

3.1 試驗?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行試驗，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、注漿過程控制及成孔效率等，從而達到以下目的:(1)解決在1號松散堆積體中錨索成孔困難、鉆進效率低的難題;(2)提出在1號松散堆積體中經(jīng)濟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，加快整個工程的建設(shè)進度，縮短工期，節(jié)約成本。

3.2 試驗孔選擇

根據(jù)已開孔的4個錨索孔鉆進情況，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、監(jiān)理、施工方)現(xiàn)場勘查選擇具有代表性的地質(zhì)區(qū)域，樁號為0+175～200 m區(qū)間的ZK25、ZK26、ZK34及ZK35號孔作為試驗孔。

3.3 試驗過程

根據(jù)試驗要求，灌漿材料要有以下特點:(1)良好的流動性，利于泵送灌注;(2)凝結(jié)時間適當，初終凝時間間隔短，利于提高效率;(3)早期強度好，且持續(xù)增長。因此對普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)凈漿的主要灌漿性能進行試驗研究，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表1。不同水灰比的普通硅酸鹽水泥的凝結(jié)時間及強度如圖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)時間存在差異，水灰比越高，其凝結(jié)時間越長。在高水灰比的條件下，強度較低，增長緩慢。而水灰比小于1時強度增長快，水灰比在0.5時14 d強度可達21.03 MPa。為保證砂漿有較高的早期強度，根據(jù)試驗施工時選擇固定水灰比為0.5。

表1 普通硅酸鹽水泥灌漿成果表

圖1 凝結(jié)時間與水灰比關(guān)系圖

圖2 強度與養(yǎng)護時間關(guān)系圖

采用普通水泥漿液進行錨索鉆孔固壁灌漿，待凝時間較長，成孔效率低，施工進度慢。因此，為滿足快速固壁成孔，減少待凝時間，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)該工程實際并結(jié)合既有施工技術(shù)經(jīng)驗，初步確定速凝劑的3種不同加量，其試驗所得結(jié)果見表2。

表2 水泥凈漿+速凝劑試驗成果表

根據(jù)試驗結(jié)果可得，隨著速凝劑摻量的提高，其漿液凝結(jié)時間并不是簡單的線性關(guān)系。根據(jù)施工可行性，為減少固壁待凝時間，施工時現(xiàn)場速凝劑摻量按0.6%選用。

在現(xiàn)場實際應(yīng)用中，結(jié)合孔內(nèi)攝像結(jié)果，ZK25號試驗孔在0～8.1 m時為砼擋墻，鉆進順利;8.1～18.2 m為石渣回填層，鉆進漏風(fēng)、卡鉆，采用套管跟進，鉆至18.3 m時，無法跟管鉆進，改為直釬鉆進; 18.3～24.2 m直釬鉆進，鉆遇大孤石及塊石，結(jié)構(gòu)松散，發(fā)生掉塊卡鉆，無法鉆進，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，掃孔后鉆進無改善，復(fù)灌1次，繼續(xù)鉆進;24.8～27.9 m跟管鉆進，塊石夾粘土，結(jié)構(gòu)松散，嚴重漏風(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度低，強度增長緩慢，早期抗壓和抗沖擊強度低，在鉆進通過固壁灌漿段后，結(jié)石容易在鉆進的各種擾動載荷下產(chǎn)生裂紋或剝落掉塊現(xiàn)象。針對此情況，為確保順利鉆進，向試驗配比中加入適量的硫酸鈣(化學(xué)組成CaSO4·2H2O)，改善其早期強度，其試驗結(jié)果見表3、圖3和圖4。

表3 水泥漿+硫酸鈣試驗成果表

圖3 硫酸鈣摻量與凝結(jié)時間關(guān)系圖

圖4 不同養(yǎng)護時間下強度與硫酸鈣摻量關(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)時間逐漸變短，其摻量從2.5%～3.5%時，其凝結(jié)時間變短較明顯，而4.0%～4.5%時，凝結(jié)時間變化不明顯。由圖4可知，加入硫酸鈣后，結(jié)石抗壓強度有明顯的提高，而在硫酸鈣摻量為2.5%～3.5%時，其強度變化較小，增長緩慢，在硫酸鈣摻量為4.0%左右時，其強度有明顯的上升階段，強度增長較快。而在硫酸鈣摻量為4.5%時，其28天抗壓強度反而比14天抗壓強度低，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理會使得結(jié)石體的后期強度變低。

基于試驗研究結(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)場施工過程中，結(jié)合現(xiàn)場需要及實際情況可對摻量逐步調(diào)整。

3.4 現(xiàn)場施工

根據(jù)現(xiàn)場施工環(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型高速攪拌機制漿，采用200 L×2儲漿攪拌機儲漿，3SNS輸送泵輸送純漿至工作面。利用EL626過壩公路作為材料運輸通道，排架頂端EL624工作平臺布置2臺350型砂漿攪拌機拌制漿液，2臺臥式螺桿砂漿泵(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記錄儀自動記錄。

［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.巖土工程試驗監(jiān)測手冊［M］.遼寧沈陽: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，474984942@qq.com。