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        膏漿在構(gòu)皮灘工程中的應(yīng)用

        2012-12-19 02:00:14楊興海
        水電站設(shè)計(jì) 2012年1期
        關(guān)鍵詞:平洞序孔帷幕

        黃 毅,楊興海,古 松

        (四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610072)

        1 前 言

        烏江構(gòu)皮灘水電站位于貴州省余慶縣構(gòu)皮灘口上游1.5km的烏江上,上游距烏江渡水電站137km,下游距河口涪陵455km。工程開(kāi)發(fā)的主要任務(wù)是發(fā)電,兼顧航運(yùn)、防洪等綜合效益。水庫(kù)總庫(kù)容64.51億m3,電站裝機(jī)容量3 000MW。

        在EL500灌漿平洞K0+245樁號(hào)部位開(kāi)挖時(shí)下游側(cè)邊墻(傾角約60°)揭露出一個(gè)溶洞,溶洞傾斜左岸上游沿層間錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育,洞壁圍巖破碎,由黃泥和孤石充填,在K0+245處與平洞斜交,切割廊道底板延伸至上游。當(dāng)掘進(jìn)通過(guò)溶洞時(shí),采用錨桿、竹跳板和鋼管制作護(hù)欄支撐等臨時(shí)封堵以保持充填物達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)后繼續(xù)正常向前掘進(jìn);在掘進(jìn)貫通進(jìn)行混凝土襯砌倉(cāng)面準(zhǔn)備前,拆除臨時(shí)封堵體清理溶洞充填物。由于清理時(shí)間正值雨季(2006年6月),在已經(jīng)垮塌的溶洞充填物清理即將結(jié)束時(shí),大量的孤石夾帶黃泥等充填物從上部垮塌下來(lái),堵塞平洞,長(zhǎng)度達(dá)30余米,中斷了正在進(jìn)行的混凝土襯砌作業(yè)且形成了更大的安全隱患。由于溶洞頂部深處剩余充填物的數(shù)量及狀況無(wú)法預(yù)測(cè)或準(zhǔn)確探明,經(jīng)多方共同研究確定,在對(duì)涌入平洞內(nèi)的垮塌充填物清理到不侵占設(shè)計(jì)混凝土襯砌斷面后(實(shí)際清除充填物6 270m3),迅速用I20工字鋼以50cm的間距支撐剩余充填物,立即結(jié)合永久襯砌澆筑鋼筋混凝土封閉,并預(yù)留管道通往剩余垮塌充填物頂部以備將來(lái)灌注細(xì)石混凝土或砂漿回填空腔。溶洞規(guī)模示意見(jiàn)圖1。

        圖1 EL500灌漿洞K0+245溶洞剖面示意

        2 膏狀漿液灌注方案的選用

        在施工EL500灌漿平洞K0+245溶洞區(qū)域的帷幕灌漿時(shí),多數(shù)孔段經(jīng)復(fù)灌多次均不能達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),漿液向溶洞區(qū)串漏,卸壓后漿液回流(夾有大量溶洞充填物)現(xiàn)象普遍。為了形成有效幕體切斷該部位帷幕灌漿時(shí)水泥漿液向塌方后形成的大空腔串漏線路,縮小溶洞處理范圍,盡早形成有利的帷幕灌漿升壓條件,經(jīng)專題會(huì)議討論,決定在灌漿平洞底板下游測(cè)(帷幕軸線下游)鉆斜孔灌注膏狀漿液固結(jié)充填物。鉆孔穿過(guò)溶洞充填物進(jìn)入巖體2m,以2m的段長(zhǎng)分段灌注,將溶洞在灌漿平洞底板以下區(qū)域與上部隔離。

        所謂膏狀漿液就是在水泥漿液中通過(guò)填加增塑劑、速凝劑等復(fù)合材料,使?jié){液具有很大的屈服強(qiáng)度和塑性粘度,在灌漿過(guò)程中不僅具有很好的可控性,而且具有較好的抗水沖性能,適合于大孔隙和有地下水流的地層灌漿。EL500灌漿平洞K0+245溶洞發(fā)育規(guī)模巨大,上、下游邊界均末探明,充填物以較松散的黏土為主,采用常規(guī)灌漿方法顯然難以在短期內(nèi)收到效果,其原因正是普通水泥漿液在均質(zhì)松散體內(nèi)的劈裂作用,漿液可以在這種介質(zhì)中沿一個(gè)方向流動(dòng)很遠(yuǎn),第二次復(fù)灌可能形成新的通道,更主要的是K0+245溶洞在帷幕線的上、下游側(cè)均沒(méi)有可以阻擋漿液流失的地層條件,每次重復(fù)施灌在帷幕線上的擠密作用非常有限。因此,利用膏狀漿液具有較大屈服強(qiáng)度和塑性粘度的特性,希望灌注的漿液能均勻擴(kuò)散并盡可能縮小擴(kuò)散范圍,提前在大范圍的溶洞充填物中形成一個(gè)較近邊界。這就是這次帶有試驗(yàn)性質(zhì)的施工方案的理論基礎(chǔ)。

        3 膏狀漿液的原材料及配合比

        3.1 水 泥

        膏漿選用的水泥為貴州新浦瑞安生產(chǎn)的普通硅酸鹽42.5水泥,水泥細(xì)度滿足規(guī)范要求,水泥必須保持新鮮,不使用受潮、結(jié)塊水泥,水泥性能符合GB200-2003標(biāo)準(zhǔn)要求,相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

        3.2 膨潤(rùn)土

        膏漿選用的膨潤(rùn)土為湖南灃縣湘北膨潤(rùn)土廠生產(chǎn)的“湘仁”牌鈣基膨潤(rùn)土,其物理性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求,相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

        表1 水泥性能試驗(yàn)指標(biāo)

        表2 膨潤(rùn)土物理性能

        3.3 增塑劑

        本工程選用天津市武清區(qū)津航建材化工有限公司生產(chǎn)的MF-4型增塑劑,主要成分是多種高效減水劑經(jīng)科學(xué)復(fù)合而成,增加了緩釋、增粘、保塑功能,對(duì)硅酸鹽水泥適應(yīng)性好,無(wú)氯、低堿,對(duì)鋼筋無(wú)銹蝕作用,其主要均勻性指標(biāo)和物理性能指標(biāo)見(jiàn)表3、4。

        3.4 配合比實(shí)驗(yàn)

        為提高漿液的初始粘度,提高可控性,避免漿液擴(kuò)散較遠(yuǎn),起到較好的封堵效果,在水泥漿(0.55∶1)中摻加一定量的膨潤(rùn)土和增塑劑進(jìn)行調(diào)制。同時(shí)為了保證漿液的可灌性、結(jié)石強(qiáng)度等要求,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整膨潤(rùn)土和增塑劑摻量最終選取了3組具備可灌性的配合比,在試驗(yàn)室進(jìn)行了室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明,7天抗壓強(qiáng)度代表值為23.2MPa,滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。最后確定這3組配合比作為施工配合比。詳見(jiàn)表5。

        表3 增塑劑均勻性指標(biāo)

        表4 增塑劑物理力學(xué)性能指標(biāo)

        表5 施工配比

        現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)由于有大量黃泥返回,堵管現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生?,F(xiàn)場(chǎng)采用的是1號(hào)施工配合比。

        3.5 膏狀漿液的制備及現(xiàn)場(chǎng)性能檢測(cè)

        配置膏狀漿液的原漿(0.55∶1的水泥漿)是由自動(dòng)化集中制漿系統(tǒng)制備輸送至工作面膏漿制漿站內(nèi),膏漿中所摻入的膨潤(rùn)土及增塑劑均須秤量,以干摻法準(zhǔn)確加入。膨潤(rùn)土在加入過(guò)程中須經(jīng)濾網(wǎng)(5mm)篩流入攪拌槽,防止結(jié)塊及雜質(zhì)進(jìn)入。所有原材料配齊后均勻攪拌3~5min(300~1 000r/min)即可使用。

        由于膏漿具有較大的粘度,普通攪拌機(jī)無(wú)法攪拌,因此本次施工時(shí)對(duì)普通攪拌機(jī)筒體鋼板進(jìn)行了加厚,采用以XY-50型鉆機(jī)作為動(dòng)力以提升攪拌扭矩,使膏漿漿液得到充分均勻的攪拌。

        膏漿制備完成后,要測(cè)計(jì)密度和流動(dòng)度。密度使用比重稱測(cè)量。流動(dòng)度為膏狀漿液最重要的一個(gè)性能指標(biāo),若流動(dòng)度太大,失去膏漿的可控性;若流動(dòng)度太小,漿液又不具備可泵性,會(huì)經(jīng)常發(fā)生灌漿泵難以將漿液吸入以及堵管、爆管等事故。膏漿的粘稠度很大,無(wú)法使用漏斗粘度計(jì)測(cè)量,所以采用流動(dòng)度來(lái)標(biāo)定漿液的粘稠度。測(cè)量流動(dòng)度是將一個(gè)上口直徑為36mm、下口直徑為64mm、高度為60mm的空截圓錐體置于玻璃板上,膏漿放入截錐體內(nèi),將頂部漿液刮平,錐體提開(kāi)30s,測(cè)量漿液在玻璃板上的擴(kuò)散直徑(以mm計(jì))。

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)灌注設(shè)備及機(jī)具的實(shí)際情況,施工過(guò)程中采用的流動(dòng)度指標(biāo)為100~160mm。

        4 膏狀漿液加強(qiáng)固結(jié)處理方案

        4.1 鉆孔布置

        在樁號(hào)K0+240~K0+253范圍內(nèi)布置二排傾向下游45°的斜孔,鉆孔交錯(cuò)布置,排距50cm,孔距1m,終孔深度按深入完整基巖2m控制。鉆孔開(kāi)孔孔徑為φ91mm,終孔孔徑為φ76mm。

        4.2 灌漿方法

        采用自上而下分段、孔口封閉灌漿法灌漿,若遇溶洞泥孔段有黃泥從回漿返出時(shí),射漿管可根據(jù)實(shí)際情況下至適當(dāng)深度即可。

        4.3 灌漿壓力及段長(zhǎng)

        分二序施工,Ⅰ序孔灌漿壓力暫定為1.5~2MPa,Ⅱ序孔灌漿壓力暫定為2~3MPa。灌漿段長(zhǎng)初步定為2m,孔口管長(zhǎng)度為2m。

        4.4 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

        采用定量灌注和壓力控制二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。若灌漿時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力且吸漿量小于1L/min時(shí),不必屏漿直接結(jié)束該段灌漿,繼續(xù)下一段的鉆孔灌漿作業(yè);若不能達(dá)到設(shè)計(jì)壓力,則一段灌注干料達(dá)10t即可結(jié)束該段灌漿,待凝2~4h后開(kāi)始下一段的鉆孔灌漿作業(yè)。不管什么情況,若灌漿結(jié)束后有孔口返漿,均應(yīng)作閉漿處理,時(shí)間為4h。

        4.5 合格標(biāo)準(zhǔn)

        灌漿施工結(jié)束后7天打檢查孔,通過(guò)取芯和壓水綜合判定灌漿效果。壓水段長(zhǎng)5m,單點(diǎn)法壓水試驗(yàn)壓力為1MPa,合格標(biāo)準(zhǔn)為1Lu。溶洞泥段取芯應(yīng)采用干鉆等措施,以綜合評(píng)價(jià)灌漿效果。

        5 質(zhì)量檢查及成果分析

        (1)膏漿在EL500灌漿平洞K0+245溶洞Ⅰ序孔灌注時(shí),因同時(shí)打開(kāi)的孔數(shù)較多,串漿情況普遍,且遵循由近孔再遠(yuǎn)孔的規(guī)律,先串出的是水而后是稀泥最后是原狀的溶洞泥;串漿時(shí)有冒氣和出水變熱的情況發(fā)生,初步推測(cè)是由于膏狀漿液粘度大,在溶洞泥中擠壓產(chǎn)生了一定的熱量所致。從實(shí)際灌漿效果看,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的持續(xù)灌注后,灌注時(shí)串漿的情況明顯減少,后期施工成孔率明顯好轉(zhuǎn),灌漿時(shí)拒漿壓力明顯升高。其中I序孔單位耗量為5.8t/m,II序孔單位耗量為3.1t/m。

        (2)在灌漿結(jié)束后,監(jiān)理工程師根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況,在該部位布置2個(gè)檢查孔,孔深28m,壓水6段,最大透水率為0.56Lu,最小為0.1Lu。滿足設(shè)計(jì)要求。

        (3)巖芯情況。L3-JGJ-1號(hào)檢查孔0. 9~10.1m為擠密黃泥層,在1.0、1.8、2.9、5.8、6.4、6.8、7.5m處均可見(jiàn)水泥結(jié)石,大多呈片層狀和塊狀。

        L3-JGJ-2號(hào)檢查孔在3.55~3.7m處有一條寬0.4cm的裂隙,充填水泥結(jié)石。在3.8~7.8m的孔段為擠密黃泥層,其中在5.9、6.1、6.3、7.0m處均有塊狀水泥結(jié)石。

        (4)膏漿對(duì)后序帷幕灌漿的影響。膏漿封閉施工完成后,即開(kāi)始主帷幕的施工。從施工情況看,漿液回流現(xiàn)象已少有發(fā)生,灌漿壓力也明顯高于封閉灌漿實(shí)施前的壓力,吸漿量也明顯減小,說(shuō)明通過(guò)膏狀漿液的灌注,向溶洞空腔的串漏通道已被有效封堵,施工達(dá)到了預(yù)期的目的。

        6 膏漿在構(gòu)皮灘工程其它部位的使用

        在左岸高程640灌漿平洞K0+290~393段因巖體軟弱和地層破碎,在鉆孔灌漿初期就導(dǎo)致第9~10號(hào)物探孔無(wú)法成孔(樁號(hào)分別為K0+350和K0+390),根據(jù)8號(hào)物探孔(K0+295)以及K0+293~0+398區(qū)域先導(dǎo)孔鉆孔取芯揭示,孔深10~30m段為中厚層生物碎屑灰?guī)r與少量碳泥質(zhì)灰?guī)r,巖芯破碎,裂隙密集發(fā)育,夾層風(fēng)化,內(nèi)含溶蝕空洞無(wú)充填。

        在第一秩序孔鉆灌過(guò)程中發(fā)現(xiàn)壓水試驗(yàn)透水率和耗灰量巨大(深度70m的孔個(gè)別達(dá)150~600t),多數(shù)孔段需要水泥砂漿復(fù)灌多次甚至十多次(最多超過(guò)23次)才能結(jié)束,平均單位耗灰量達(dá)2t以上。為此,在133號(hào)孔和141號(hào)孔之間增加了一個(gè)深度為25m的物探孔,在鉆孔過(guò)程中未發(fā)生掉鉆現(xiàn)象,但灌注砂漿20t后仍無(wú)壓無(wú)回。另外,在131號(hào)與132號(hào)孔之間(K0+292)增一孔徑為φ91的孔,灌注瓜米石,但灌注效果較差,根本就灌不進(jìn)去,為此暫停了砂漿灌注施工作業(yè)。

        根據(jù)以上情況及地質(zhì)素描進(jìn)一步證實(shí),該段地質(zhì)條件復(fù)雜,巖石完整性差,裂隙發(fā)育且溶蝕強(qiáng)烈,在帷幕軸線范圍內(nèi)可能存在較大的溶槽或溶洞,并且與之連通的裂隙張開(kāi)較大,導(dǎo)致限流、降壓、灌注砂漿和反復(fù)待凝等常規(guī)灌漿手段所取得的效果均不太明顯。為此,借鑒膏狀漿液在EL500灌漿平洞K0+245溶洞的成功經(jīng)驗(yàn),確定在該段增加一排帷幕,要求剩余的孔在灌注20t水泥砂漿仍無(wú)壓無(wú)回的孔段采用膏漿灌注,在壓力上升后,再進(jìn)行水泥濃漿灌注直到結(jié)束。其中除第一排Ⅰ序孔132號(hào)孔第4段灌膏漿21次耗150.275t和第二排Ⅰ序82號(hào)孔第4段灌膏漿16次耗122t、Ⅰ序孔74號(hào)第3段11次耗61.638t、Ⅱ序孔78號(hào)孔第5段、80號(hào)孔第5段、88號(hào)孔第3段灌注膏漿11次以外,其余孔段灌漿待凝次數(shù)均不超過(guò)8次。在灌漿結(jié)束統(tǒng)計(jì)中,第2排第一秩序孔的平均單位耗灰量721kg/m,第二秩序孔的平均單位耗灰量537kg/m,第三秩序孔的平均單位耗灰量401kg/m,均小于第1排第三序孔的平均單位耗灰量873t。另外,在灌漿結(jié)束后布置的19個(gè)檢查孔壓水試驗(yàn)成果均滿足設(shè)計(jì)的防滲標(biāo)準(zhǔn),并取出大量水泥結(jié)石,說(shuō)明該段帷幕灌漿取得了成功。

        7 結(jié)束語(yǔ)

        膏狀漿液在構(gòu)皮灘水電站工程中的成功應(yīng)用,說(shuō)明在砂性土、黏土的巖溶地區(qū)的帷幕灌漿以及大范圍黃泥充填溶洞處理上,除了采用追挖清理以外,利用膏狀漿液控制漿液擴(kuò)散范圍,提高巖土自身強(qiáng)度,也是一個(gè)行之有效的處理手段。

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