姚 昕
(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司,成都,611130)
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斜卡水電站丙烯酸鹽化學(xué)灌漿施工質(zhì)量控制
姚 昕
(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司,成都,611130)
化學(xué)灌漿是一種新型的基礎(chǔ)處理手段,目前在處理水庫壩基軟弱巖帶、斷層帶等復(fù)雜地層時,已逐步被推廣使用。但化學(xué)灌漿施工技術(shù)復(fù)雜,為獲得良好的實(shí)施效果,在施工中的質(zhì)量控制顯得尤為重要。本文以斜卡水電站基坑C區(qū)丙烯酸鹽化學(xué)灌漿工程為實(shí)例,簡述化學(xué)灌漿施工中的質(zhì)量控制。
丙烯酸鹽 化學(xué)灌漿 質(zhì)量控制 斜卡水電站 基坑
化學(xué)灌漿在我國經(jīng)過幾十年的發(fā)展,其灌注工藝、漿材都得到顯著改善,尤其在近幾年,化學(xué)灌漿被廣泛地用于軟弱巖帶、斷層處理中,且灌注效果顯著,具有廣闊的發(fā)展前景。與此同時,化學(xué)灌漿作為一項復(fù)雜的工程技術(shù),在施工過程中如何進(jìn)行質(zhì)量控制,目前并無成熟的控制手段和標(biāo)準(zhǔn),故對其在施工過程中的質(zhì)量控制研究具有重要意義。
影響化學(xué)灌漿實(shí)施效果的主要因素在于準(zhǔn)備階段和實(shí)施階段兩個過程。施工準(zhǔn)備階段應(yīng)主要考慮工程地質(zhì)、漿材性能和灌注機(jī)具的影響;實(shí)施過程階段應(yīng)主要考慮各施工工序的影響,如膠凝時間、孔內(nèi)排水、灌注過程的合理性、漿液返滲等。在灌注施工中,這些因素既相互聯(lián)系又相互制約,因此對這些影響因素進(jìn)行深入的分析和探討,將是確保工程質(zhì)量的關(guān)鍵。本文以斜卡水電站基坑C區(qū)丙烯酸化學(xué)灌漿工程為例,探討分析化學(xué)灌漿施工中的質(zhì)量控制。
2.1 化學(xué)灌漿材料選擇
斜卡水電站基坑C區(qū)水泥帷幕灌漿施工于2012年1月20日開始,截止2013年2月5日完成所有灌漿施工任務(wù)。根據(jù)灌后檢查孔壓水試驗成果,C區(qū)1~3單元滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。而C區(qū)4~6單元灌后檢查孔多段次透水率不滿足設(shè)計要求,甚至檢查孔部分孔段在鉆孔過程中出現(xiàn)塌孔、返水中攜帶松散顆粒狀的粉細(xì)砂,返水顏色有時呈黃褐色等現(xiàn)象。通過水泥漿液復(fù)灌顯示,灌注量小,灌注效果不明顯,因此決定采用化學(xué)灌漿進(jìn)行處理。
化學(xué)灌漿前綜合分析影響因素,主要受地質(zhì)條件、地下水、環(huán)境溫度等多方面影響。根據(jù)設(shè)計提供及鉆孔過程中揭示的地質(zhì)條件,基坑C區(qū)4~6單元及右岸趾板1~3單元在28m以下存在多條碎石狀破碎帶,該部位鉆孔返水為黃褐色,返渣中含有粉細(xì)砂、粉質(zhì)砂土等。
根據(jù)化學(xué)灌漿試驗1號孔孔內(nèi)電視成果,自65m至75m(僅能下設(shè)至75.0m左右)仍存在覆蓋層(見圖1)。
圖1 化學(xué)灌漿試驗1號孔部分孔內(nèi)電視成果
斜卡水電站基坑C區(qū)涌水豐富,C區(qū)6單元上游側(cè)施工時,山體存在大量涌水現(xiàn)象。
基坑C區(qū)水泥灌漿施工時,多孔段出現(xiàn)涌水現(xiàn)象,涌水流量達(dá)到5L/min~6L/min,且水泥灌漿結(jié)束后,存在涌漿現(xiàn)象。
另外,斜卡水電站晝夜溫差較大,冬季環(huán)境溫度低,最低溫度達(dá)到-15.6℃,晝夜最大溫差達(dá)27.8℃。通過現(xiàn)場施工中對孔內(nèi)水溫監(jiān)測,孔內(nèi)水溫最低為7℃,最高為11℃。
通過上述統(tǒng)計分析,明確了化學(xué)灌漿的處理對象,即含有粉細(xì)砂、粉質(zhì)砂土等物質(zhì)的砂層。同時,化學(xué)灌漿須克服地下涌水和晝夜溫差的影響。
目前化學(xué)灌漿的灌漿材料主要有聚氨酯、環(huán)氧樹脂和丙烯酸鹽。聚氨酯遇水即開始反應(yīng),不適合處理此類涌水地層;依據(jù)室內(nèi)試驗成果,環(huán)氧類化學(xué)灌漿材料膠凝時間一般在3d以上,處理效果難以保證。根據(jù)各種灌漿材料的特性結(jié)合工程地質(zhì)概況,使用丙烯酸鹽并采用適宜的施工工藝,方可取得良好處理效果,最后明確基坑C區(qū)4、5單元化學(xué)灌漿材料為丙烯酸鹽。
2.2 灌注機(jī)具的選擇
斜卡水電站基坑C區(qū)丙烯酸鹽化學(xué)灌漿壓力采用1.5MPa~2.0MPa。化學(xué)灌漿的漿液配制及流量控制,依據(jù)灌前壓水結(jié)合現(xiàn)場配漿效率確定,流量最大控制在30kg/min~40kg/min。因此,在對比國內(nèi)外多種灌漿設(shè)備后,選擇無錫市前洲龍洋高壓往復(fù)機(jī)械廠生產(chǎn)的高壓往復(fù)泵。其性能參數(shù)見表1。
表1 化學(xué)灌漿泵性能參數(shù)表
為實(shí)現(xiàn)流量的大范圍調(diào)節(jié),該泵電機(jī)采用變頻驅(qū)動,通過變頻調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)流量在0~60L/min的調(diào)節(jié),避免了通過回漿調(diào)節(jié)流量而造成漿液循環(huán)發(fā)熱,影響漿液性能。此外該泵還便于清洗,為高強(qiáng)度的施工節(jié)約了大量的輔助時間。
丙烯酸鹽化學(xué)灌漿的施工工藝流程如圖2所示。
圖2 丙烯酸鹽化學(xué)灌漿施工流程
3.1 灌前壓水參數(shù)調(diào)整
丙烯酸鹽化學(xué)灌漿灌前壓水采用單點(diǎn)法,試驗孔灌前壓水壓力采用1.0MPa,而灌漿壓力采用1.5MPa。灌注過程中出現(xiàn)部分孔段灌漿流量與壓水流量明顯不匹配,且耗漿量較大甚至無法結(jié)束的現(xiàn)象。為此在大面積施工時,將灌前壓水壓力上調(diào)至1.5MPa,與灌漿壓力相匹配。并規(guī)定采用人工實(shí)測記錄,為漿液的選擇和拌制提供更為精確、可靠的數(shù)據(jù)。
3.2 孔內(nèi)余水的排除與射漿管的調(diào)整
在丙烯酸鹽化學(xué)灌漿中,排出孔內(nèi)積水是施灌前的重要步驟。排水方法采用將射漿管下至孔底(距孔底不大于50cm),采用壓力風(fēng)吹出孔內(nèi)積水。因此射漿管是否下至設(shè)計位置,將對孔內(nèi)積水的排除產(chǎn)生重大影響。
斜卡水電站前期采用孔內(nèi)卡塞進(jìn)行化學(xué)灌漿,射漿管根據(jù)實(shí)測孔深采用鐵管下設(shè)至預(yù)定位置。然而由于砂層強(qiáng)度低,塌孔掉塊嚴(yán)重,時常造成射漿管無法正常下設(shè)至預(yù)定位置,同時結(jié)合孔內(nèi)涌水現(xiàn)象,為確保灌漿質(zhì)量要求漿材膠凝后才可起塞。但在漿材膠凝后起塞時,常常出現(xiàn)射漿鐵管抱死無法起拔的現(xiàn)象,嚴(yán)重制約后續(xù)鉆孔的正常實(shí)施,對施工進(jìn)度造成重大影響,導(dǎo)致施工成本極高。
為避免灌漿塞無法取出,節(jié)約施工成本,提高施工效率,后續(xù)化學(xué)灌漿改為孔口封閉法施工,且下設(shè)膠管作為射漿管。然而灌漿后掃孔證明,包裹著射漿管的丙烯酸鹽膠凝體掃孔極其困難,時常出現(xiàn)射漿管纏繞鉆頭及鉆頭堵塞等異常情況,同樣影響施工進(jìn)度。
最終,射漿管調(diào)整為硬質(zhì)厚壁的膠管,確保射漿管下至預(yù)計位置,同時保證高風(fēng)壓不會扭曲破壞射漿管;當(dāng)孔口返出原漿后,拔出射漿管繼續(xù)灌注。射漿管下設(shè)方法的調(diào)整,為確保施工進(jìn)度和施工質(zhì)量提供了可靠的解決方案。
3.3 膠凝試驗與漿液配制的控制
不同批次的丙烯酸鹽漿材膠凝時間存在差異,施工現(xiàn)場膠凝試驗表明添加同量的緩凝劑,同一批次的漿材在不同溫度下膠凝時間差異仍然較大。斜卡電站地處高寒地帶晝夜溫差大,因此為精確地掌握膠凝時間、確保灌漿過程受控,規(guī)定若現(xiàn)場溫度與膠凝試驗的溫度差異較大(溫差10℃以上),則須重新做膠凝試驗,同時每批次新進(jìn)場的漿材都應(yīng)進(jìn)行膠凝試驗。
常規(guī)的丙烯酸鹽化學(xué)灌漿對無滲水孔段,漿材膠凝時間一般按下述標(biāo)準(zhǔn)控制:①當(dāng)壓水流量Q≤5L/min時,膠凝時間按照45min控制;②當(dāng)壓水流量5L/min10L/min時,膠凝時間按照35min控制。
由于斜卡水電站基坑C區(qū)地下水豐富,故漿液采用多比級梯度配制,達(dá)到漿材灌注至地層后同時膠凝的效果。灌注時采用大流量高壓力灌注,確保擴(kuò)散半徑和較短的灌注時間,防止?jié){材進(jìn)入地層后被稀釋,影響灌漿質(zhì)量。同時,調(diào)整了丙烯酸鹽化學(xué)灌漿射漿管的下設(shè)及灌注方法,因此按常規(guī)的膠凝時間控制明顯不合理,需要重新調(diào)整以滿足施工需要。漿材的膠凝時間控制標(biāo)準(zhǔn),通常根據(jù)壓水試驗的流量結(jié)合孔管占計算:①計算孔占及管占并估算注漿量,注漿量估算方法:注入量≈注入率×預(yù)計灌注時間。若地層壓水流量較大、涌水量大,預(yù)計灌注時間≈第一組漿材從孔口被灌注到地層的歷時+(3~5)min;②管占漿材的膠凝時間=輔助時間+拔射漿管時間+預(yù)計灌注時間,且根據(jù)注入率梯級配置;③拔出射漿管后漿材的膠凝時間,選用預(yù)計灌注時間,并根據(jù)注入率變化調(diào)整。
以孔占為280kg、灌前壓水流量達(dá)30kg/m~40kg/m,且涌水較大的段次為例,孔管占漿液的配制通常為三組150+80+80=310kg(配制的漿材要略大于孔占,灌漿時須排出一部分的漿水混合物,每次配漿量根據(jù)現(xiàn)場電子秤稱量、配漿容器配制)。孔管占的時間為4+3+3=10min,預(yù)計灌注時間因涌水流量和壓水呂容值均較大,選用10+5=15min,注入量為15×30=450kg,除孔管占外還須備用80kg的漿材6組。拔射漿管時間通常為8min,管占漿材的膠凝時間為第一組10+8+15=33min/第二組29min/第三組26min。拔出射漿管后,灌注漿材的膠凝時間選用15min。至第六組漿材時,注入率和流量通常變化明顯,若有結(jié)束趨勢,則配制30min~40min膠凝時間的漿材,防止短膠凝時間因注入率較小長時間灌注導(dǎo)致灌漿管路堵塞。
通過上述方法,首先可以預(yù)計灌注需要的漿材總量,預(yù)先準(zhǔn)備灌漿漿材。丙烯酸鹽漿材通常25kg/桶,若開灌后才開始倒置、添加緩凝劑配漿,根據(jù)灌注速率可能無法保證灌漿的連續(xù)性。其次,由于灌注方法的改變,漿材膠凝時間的選用不同于常規(guī)的丙烯酸鹽灌漿,通常需要多個配比。管占漿材膠凝時間的梯度配制,保證了灌注至地層的漿材同時膠凝,后續(xù)漿材的梯度配制保證了地層逐步充填密實(shí),且避免了可能引起的灌漿管路堵塞,同時也為灌漿過程中的速率控制提出了更高的要求。
3.4 灌漿參數(shù)的調(diào)整
為驗證丙烯酸鹽化學(xué)灌漿的可行性,在大面積施工前,進(jìn)行了丙烯酸鹽化學(xué)灌漿試驗。試驗孔按照三角形布置,孔間距分別為0.8m、1.2m、1.5m,中間CHS-J01為灌后檢查孔(見圖3)。
圖3 化學(xué)灌漿試驗孔及檢查孔孔位布置
化學(xué)灌漿試驗的施灌條件為:①當(dāng)灌前透水率不大于3Lu時,可繼續(xù)鉆進(jìn)施工。若連續(xù)三段(即段長為15m)透水率不大于3Lu時,可進(jìn)行一次化學(xué)灌漿。若繼續(xù)鉆進(jìn)施工的孔段出現(xiàn)透水率不滿足設(shè)計要求時,可與上部合格的孔段一起灌注,但段長不得大于15m;②當(dāng)灌前透水率在3Lu~20Lu(包含20Lu)時,可直接采用化學(xué)漿液灌注。當(dāng)灌前透水率大于20Lu時,應(yīng)先進(jìn)行水泥漿液灌注,再進(jìn)行化學(xué)漿液灌注;③當(dāng)遇塌孔孔段時,即使透水率較小,也應(yīng)進(jìn)行化學(xué)漿液灌注。
試驗區(qū)化學(xué)灌漿的成果見表2所示:
表2試驗孔化學(xué)灌漿情況一覽
檢查孔施工在CHS-1施工至96m,HC4-1-2施工至65m,HC4-2-03施工至70m時開始,檢查孔深度64m。其檢查情況為:47m~64m整孔壓水透水率為3.47Lu,分段壓水最大透水率為5.17Lu(53m~58m)。通過CHS-1孔內(nèi)電視可以看出,該孔在0~81m范圍均為覆蓋層,可明顯見丙烯酸鹽填充物。檢查結(jié)果表明,試驗區(qū)丙烯酸鹽化學(xué)灌漿雖然取得了一定的成效,但沒有達(dá)到預(yù)期的灌漿效果。分析原因:①灌前壓水呂容值偏大的段次,化學(xué)灌漿開灌壓力偏小,漿液擴(kuò)散達(dá)不到預(yù)期半徑;②多數(shù)孔段化學(xué)灌漿前并未進(jìn)行水泥灌漿,灌漿時常出現(xiàn)流量越灌越大的情況,灌漿難以結(jié)束。
鑒于此,對化學(xué)灌漿參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整:①每灌漿段鉆孔完成后,直接采用水泥漿液灌注;②段長一般情況下均按照5m劃分,化學(xué)灌漿段長最大不得超過10m。當(dāng)水泥漿液灌注后壓水注入率>2L/min時,采用化學(xué)灌漿。注入率≤2L/min,可繼續(xù)鉆進(jìn)施工,并與下一段合并為一段灌注;③化學(xué)灌漿壓力調(diào)整為2.0MPa;④化學(xué)灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為:當(dāng)灌漿壓力達(dá)到2.0MPa,注入率小于2kg/min時,持續(xù)灌注6min可結(jié)束灌漿。當(dāng)化學(xué)灌漿注入量達(dá)到150kg/m時,且流壓比無明顯變化,可結(jié)束灌漿。
3.5 質(zhì)量檢查與復(fù)灌標(biāo)準(zhǔn)
為保證丙烯酸鹽化學(xué)灌漿質(zhì)量,每段灌漿結(jié)束待凝后,都需掃孔至灌漿深度進(jìn)行單點(diǎn)法壓水。壓水壓力采用1.5MPa,若流量≤2kg/min時,可不再復(fù)灌;若流量>2kg/min時,必須進(jìn)行復(fù)灌。
斜卡水電站基坑C區(qū)丙烯酸鹽化學(xué)灌漿,灌后質(zhì)量檢查共布置5個孔,共計壓水檢查70段,全部滿足灌后要求,q﹤3.0Lu。檢查孔最大透水率為2.85Lu,最小透水率為0,說明通過化學(xué)灌漿巖層的整體防滲明顯提高,完全滿足大壩蓄水、運(yùn)行要求。
通過在斜卡水電站基坑C區(qū)丙烯酸鹽化學(xué)灌漿施工中的質(zhì)量控制,說明在化學(xué)灌漿過程中,無論是在施工準(zhǔn)備階段對現(xiàn)場地質(zhì)情況的分析、機(jī)具的選擇,還是在施工過程中對關(guān)鍵、重要工序的現(xiàn)場監(jiān)控,都將對化學(xué)灌漿質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。因此,隨著潔凈能源的相繼開發(fā),化學(xué)灌漿將更加廣泛地推廣和運(yùn)用,如何增強(qiáng)過程監(jiān)控,嚴(yán)把關(guān)鍵控制點(diǎn)的運(yùn)行,將是保障施工質(zhì)量的重點(diǎn),需要進(jìn)行長期探索。
〔1〕欄玉坤.化學(xué)灌漿在軟弱地基中的質(zhì)量控制[J].廣西工學(xué)院學(xué)報,2001,12(4)∶46~49.
〔2〕劉安榮,陳秋華等.復(fù)雜地基處理中化學(xué)灌漿及質(zhì)量控制的研究[J].水利與建筑工程學(xué)報,2010,8(1)∶60~61,83.
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