高 強(qiáng)， 王 勇， 魏 玉 麟

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

化學(xué)泥漿鉆抓成槽施工技術(shù)在亞曼蘇水電站防滲墻中的應(yīng)用

高 強(qiáng)， 王 勇， 魏 玉 麟

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

結(jié)合新疆亞曼蘇水電站廠房防滲墻工程實(shí)例，采用實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式，對(duì)膨潤(rùn)土及化學(xué)泥漿在護(hù)壁機(jī)理、關(guān)鍵性能指標(biāo)、使用方法等進(jìn)行了深入的研究對(duì)比，提出了在砂卵礫石地層以化學(xué)泥漿護(hù)壁、液壓抓斗配合旋挖鉆機(jī)的“鉆抓法”成槽的懸掛式防滲墻施工工藝。該工藝很好地解決了膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁存在的泥漿制備繁瑣、穩(wěn)定性差、回收率低且難度大、廢漿多、處理成本高，孔底沉渣多、施工質(zhì)量較難保證等難題，可為類似工程提供一定參考。

懸掛式防滲墻；砂卵礫石層；化學(xué)泥漿；鉆抓法；亞曼蘇水電站

1 工程概況

亞曼蘇水電站工程位于托什干河流域，采用引水式開(kāi)發(fā)，裝機(jī)容量為24.4萬(wàn)kW。電站廠房以懸掛式混凝土防滲墻為防滲體系，兼做永久擋土墻結(jié)構(gòu)。防滲墻施工軸線長(zhǎng)度為495.65 m，設(shè)計(jì)墻深52 m，設(shè)計(jì)墻厚0.5 m，墻體材料采用C25W8F100混凝土。

該工程防滲墻地質(zhì)條件主要以第四系堆積物砂巖及灰?guī)r為主，自上而下分別為卵石和低液限粘土。地層結(jié)構(gòu)密實(shí)，其中少量中密、細(xì)顆粒充填物以中粗砂及粉土為主，或含有少量漂礫。

卵石粒徑為6～15 cm，約占地層的5%～10%。礫石粒徑為3～5 cm，約占地層的65%～70%。卵、礫石層滲透系數(shù)為1.34×10-2～7.35×10-3cm/s。地下水豐富且為承壓水，對(duì)護(hù)壁泥漿要求很高。因此，在施工過(guò)程中保證泥漿的比重、粘度、懸浮攜渣等指標(biāo)尤為重要。

2 技術(shù)方案的選擇

2.1 施工工藝

根據(jù)設(shè)計(jì)地勘資料、當(dāng)?shù)厥┕きh(huán)境及工期安排，結(jié)合我部已有的施工經(jīng)驗(yàn)，防滲墻采用 “三鉆兩抓”法成槽，“接頭管法”施工搭接部位，“直升導(dǎo)管法”澆筑混凝土等工藝。

2.2 施工難點(diǎn)

防滲墻施工深度為52 m，主要穿越砂卵礫石地層，由于施工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，低液限粘土層存在含水量較低時(shí)就液化、導(dǎo)致地層強(qiáng)度降低甚至失穩(wěn)的情況，成槽難度大，澆筑質(zhì)量難以保證。

2.3 解決思路及技術(shù)路線

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)地勘資料確定“最危險(xiǎn)地層”；

(2)對(duì)“最危險(xiǎn)地層”進(jìn)行泥漿試驗(yàn)，確定最優(yōu)泥漿配合比；

(3)在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行泥漿試驗(yàn)，檢驗(yàn)并優(yōu)化泥漿配合比，確定最合理、最經(jīng)濟(jì)的配合比。

2.3.1 確定施工“最危險(xiǎn)地層”

防滲墻施工穿越的第四系上更新統(tǒng)沖洪積地層為二元結(jié)構(gòu)，其中卵石層因結(jié)構(gòu)疏松、卵石間空隙較大、地層穩(wěn)定性較差，不能形成質(zhì)量好的泥皮，容易導(dǎo)致泥漿漏失。另外，低液限粘土層在較低含水量時(shí)即液化，導(dǎo)致地層強(qiáng)度降低甚至失穩(wěn)。因此，確定上更新統(tǒng)沖洪積地層為“最危險(xiǎn)地層”。

2.3.2 確定最優(yōu)泥漿配合比

為解決防滲墻施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的塌孔、沉渣厚度大等問(wèn)題，所確定的泥漿主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3.2.1 試驗(yàn)材料的選擇

泥漿試驗(yàn)的材料包括清水、化學(xué)泥漿、膨潤(rùn)土、純堿(Na2CO3)以及羧甲基纖維素(CMC)。清水作為溶劑；膨潤(rùn)土作為主要的固相物質(zhì)，是形成泥漿的主要材料，可以提高泥漿的造漿率和比重；純堿主要是為泥漿提供Na+，可以提高泥漿的粘度，調(diào)整泥漿的pH值等；羧甲基纖維素(CMC)可以充分增加泥漿的粘度，降低濾失量，提高泥餅的質(zhì)量，還具有較好的抗鹽能力；化學(xué)泥漿是形成泥漿的主要材料。

表1 泥漿主要性能參數(shù)表

2.3.2.2 泥漿護(hù)壁的機(jī)理

(1)膨潤(rùn)土泥漿。

泥漿具有一定的比重，同時(shí)在槽壁形成一層透水性很低的泥皮，泥漿會(huì)對(duì)槽壁產(chǎn)生一定的靜水壓力，該壓力有效地作用在槽壁上，能防止槽壁剝落。

(2)化學(xué)泥漿。

化學(xué)泥漿是一種高分子聚合物，其護(hù)壁的機(jī)理主要依靠特有的粘性和滲透性。它能把沙粒粘為一體，并向外滲透10～15 cm，形成類似“不凝固混凝土”狀的滲透層，從而起到護(hù)壁作用。

2.3.2.3 膨潤(rùn)土試驗(yàn)

泥漿的主要性能指標(biāo)包括比重、馬氏漏斗粘度、六速旋轉(zhuǎn)粘度、失水量、泥皮厚度、pH值以及含砂量等。本次試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法，試驗(yàn)結(jié)論為：

(1)根據(jù)泥漿基漿性能試驗(yàn)，基于純堿(Na2CO3)是改變基漿粘度的主要因素，試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)：無(wú)論膨潤(rùn)土加量為多少，基漿的粘度、泥皮厚度等性能均達(dá)不到要求，需加入羧甲基纖維素(CMC)改善泥漿性能。

(2)泥漿配漿材料在基漿的基礎(chǔ)上加入羧甲基纖維素(CMC)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定：泥漿最優(yōu)配比為a2b2c3，即膨潤(rùn)土100 g，純堿(Na2CO3)4.4 g，羧甲基纖維素(CMC)1.5 g。

2.3.2.4 化學(xué)泥漿試驗(yàn)

采用控制變量法進(jìn)行化學(xué)泥漿對(duì)比試驗(yàn)，確定各種因素對(duì)泥漿性能的影響。

通過(guò)對(duì)比得知：使用NaOH調(diào)整pH可以明顯減少化學(xué)泥漿粉的摻入量，且對(duì)化學(xué)泥漿粉的溶解有影響；化學(xué)泥漿拌制后45 min內(nèi)粘度達(dá)到峰值且8 h內(nèi)無(wú)明顯變化，性能穩(wěn)定；化學(xué)泥漿在2 h左右渣土沉淀完全，沉淀呈絮凝狀，泥漿清凈。

增加化學(xué)泥漿粉及NaOH用量可以提高泥漿粘度，同時(shí)在一定時(shí)間范圍內(nèi)泥漿粘度呈遞增趨勢(shì)。暫定化學(xué)泥漿配合比為化學(xué)泥漿粉∶水∶火堿=6∶10 000∶3。

2.3.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.3.3.1 試驗(yàn)過(guò)程

膨潤(rùn)土泥漿在“鉆抓法”成槽護(hù)壁施工中已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用，工藝成熟，故本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)僅采用化學(xué)泥漿進(jìn)行?，F(xiàn)場(chǎng)選擇53#、54#兩個(gè)槽段進(jìn)行試驗(yàn)，單個(gè)槽段長(zhǎng)6.2 m，由三個(gè)主孔、兩個(gè)副孔組成。采取“三鉆兩抓”法成槽，即主孔用旋挖鉆機(jī)鉆取，副孔用液壓抓斗抓取。槽段搭接部位采用“接頭管”法處理，下設(shè)兩趟φ250的導(dǎo)管澆筑混凝土?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共完成成槽322.4 m2，理論澆筑方量為260.4 m3，實(shí)際澆筑方量為270.8 m3，擴(kuò)孔系數(shù)為1.04。

2.3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)通過(guò)對(duì)聲波檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，試驗(yàn)槽段孔型、孔斜、孔深、孔底沉渣等完全符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。化學(xué)泥漿的絮凝作用使成槽后沉渣極少，漿液的含沙率幾乎為零。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：在成槽及混凝土澆筑施工過(guò)程中，從槽孔內(nèi)抽回泥漿沉淀池的化學(xué)泥漿成份潔凈，渣土或細(xì)砂含量極少。

(2)化學(xué)泥漿造漿率高，制備工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備及人員投入量少。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際耗量統(tǒng)計(jì)：1 kg化學(xué)泥漿粉平均可制漿約1.5～2.5 m3。本工程所用化學(xué)泥漿為粉末狀、速溶型材料，在使用中只需1～2人便可輕松完成泥漿制備，5 min即可形成很好的護(hù)壁漿液，較傳統(tǒng)的膨潤(rùn)土泥漿而言，不需要高速制漿機(jī)等制漿設(shè)備，也不需要長(zhǎng)時(shí)間的膨化等待過(guò)程，化學(xué)泥漿施工效率更高。

(3)現(xiàn)場(chǎng)回收的化學(xué)泥漿只需簡(jiǎn)單加入極少量的化學(xué)泥漿粉和NaOH、調(diào)整pH后即可滿足泥漿性能要求標(biāo)準(zhǔn)，不需要增加其它凈化設(shè)備，回收利用率高。

(4)化學(xué)泥漿性能穩(wěn)定，不易沉淀。試驗(yàn)槽段清孔驗(yàn)收后，緊接著下設(shè)接頭管和澆筑導(dǎo)管，一期槽澆筑的準(zhǔn)備時(shí)間通常需要3～4 h，二期槽澆筑的準(zhǔn)備時(shí)間通常需要4.5～6 h。在此期間，泥漿中懸浮的渣土就會(huì)不斷下沉，導(dǎo)致孔底沉渣偏大，增加清孔次數(shù)并耗時(shí)。采用化學(xué)泥漿護(hù)壁能很好地解決該問(wèn)題，且等待過(guò)程無(wú)需持續(xù)注入新鮮泥漿或風(fēng)動(dòng)攪拌循環(huán)。

(5)化學(xué)泥漿無(wú)毒、無(wú)污染。施工完畢，剩余泥漿的處理簡(jiǎn)便。常使用5%的次氯酸鈉溶液(家用漂白劑)或3%的過(guò)氧化氫(家庭使用濃度)溶液即可將其分解成無(wú)毒的化學(xué)分子和水。

綜上所述：化學(xué)泥漿具有性能優(yōu)異，穩(wěn)定性佳，無(wú)毒、無(wú)污染，造漿率高，制備簡(jiǎn)便，回收、再使用率高等優(yōu)點(diǎn)。

3 化學(xué)泥漿的實(shí)際應(yīng)用

亞曼蘇水電站廠房防滲墻施工最終采用化學(xué)泥漿配合“三鉆兩抓”法進(jìn)行施工，目前該工程已完工，總計(jì)耗時(shí)95 d。累計(jì)完成槽段90幅，成墻20 000 m2，施工期間未出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。

4 所取得的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

本工程采用化學(xué)泥漿作為成槽施工護(hù)壁材料，在砂卵礫石地層防滲墻施工中獲得了成功，不僅體現(xiàn)在施工質(zhì)量、工期方面，還體現(xiàn)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益方面。

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

(1)膨潤(rùn)土泥漿。

①膨潤(rùn)土泥漿材料成本。

a. 膨潤(rùn)土泥漿用量=軸線長(zhǎng)×槽孔寬度×成槽深度×擴(kuò)孔系數(shù)×(1-回收率)

即膨潤(rùn)土泥漿用量=495.65 m×0.5 m×52 m×1.1×(1-0.4)=8 505.4 m3。

b. 膨潤(rùn)土用量。

膨潤(rùn)土泥漿配合比為：100 kg/m3。

膨潤(rùn)土用量=膨潤(rùn)土泥漿配合比×泥漿用量=850.54(t)。

c. 膨潤(rùn)土材料成本=850.54×1 000元(單價(jià))=85.05(萬(wàn)元)。

d.其它制漿材料成本：28.58萬(wàn)元。

②設(shè)備成本。

膨潤(rùn)土泥漿制備需投入高速制漿機(jī)兩臺(tái)，漿池用循環(huán)泵4臺(tái)，泥漿凈化設(shè)備1套，設(shè)備總價(jià)約20萬(wàn)元。

③人工成本。

泥漿制備每個(gè)班組需2人，人工成本為：200元/工作日×2人×2×100天=8(萬(wàn)元)。

膨潤(rùn)土泥漿成本=材料成本+人工成本+設(shè)備成本=85.05 +28.58 +20 +8=141.63(萬(wàn)元)。

(2)化學(xué)泥漿。

①化學(xué)泥漿材料成本。

化學(xué)泥漿用量=軸線長(zhǎng)×槽孔寬度×成槽深度×擴(kuò)孔系數(shù)×(1-回收率)

化學(xué)泥漿用量=495.65×0.5×52×1.05×(1-0.7)=4 059.37(m3)。

化學(xué)泥漿材料用量=化學(xué)泥漿用量÷造漿率=4 059.37÷1.5=2 706.25(kg)。

化學(xué)泥漿材料成本=2 706.25×18=4.87(萬(wàn)元)。

②設(shè)備成本：制漿無(wú)需投入設(shè)備。

③人工成本：

泥漿制備每個(gè)班組需1人，人工成本為：200元/工作日×1人×2×100天=4(萬(wàn)元)。

化學(xué)泥漿成本=材料成本+人工成本+設(shè)備成本=4.87 +0 +4=8.87(萬(wàn)元)。

(3)經(jīng)濟(jì)對(duì)比：膨潤(rùn)土泥漿成本-化學(xué)泥漿成本=141.63-8.87=132.76(萬(wàn)元)。

結(jié)論：本工程膨潤(rùn)土泥漿成本遠(yuǎn)高于化學(xué)泥漿成本，約為其16倍。

4.2 社會(huì)效益

采用膨潤(rùn)土泥漿成槽施工現(xiàn)場(chǎng)廢棄泥漿量大，處理難度高，現(xiàn)場(chǎng)施工文明形象有待提高，同時(shí)需投入較多的制漿設(shè)備，且制漿材料耗量大，施工現(xiàn)場(chǎng)占地范圍較化學(xué)泥漿多。采用化學(xué)泥漿克服了上述缺限。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)化學(xué)泥漿配合“鉆抓法”工藝在新疆亞曼蘇水電站廠房防滲墻工程取得了成功，較傳統(tǒng)膨潤(rùn)土泥漿具有經(jīng)濟(jì)性佳、質(zhì)量更可控的優(yōu)點(diǎn)，在該項(xiàng)目施工中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

(2)化學(xué)泥漿作為新型成槽施工泥漿護(hù)壁材料，具有造漿率高、性能穩(wěn)定、用量低、制漿簡(jiǎn)單、回收利用率高、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等一系列優(yōu)點(diǎn)，值得今后在類似工程中推廣應(yīng)用。

(3)化學(xué)泥漿用于鉆劈法、銑削法、抓銑法等成槽工藝及其它地層中的效果有待于進(jìn)一步研究。

[1] 張國(guó)宇.鉆抓法成槽在防滲墻施工中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，2013，44(11)：57-60.

[2] 孟耀峰.薄壁防滲墻施工工藝研究[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2015,28(3):81-83.

[3] 朱俊濤，拓守盛.連續(xù)墻泥漿質(zhì)量管理及控制[J].西部探礦工程，2006,18(5):47-48.

[4] 羅云峰.卵石砂巖層中地下連續(xù)墻成槽時(shí)的泥漿護(hù)壁技術(shù)[J].建筑施工，2014,37(3):216-218.

[5] 劉 川.化學(xué)聚合物泥漿在旋挖鉆孔樁施工中的應(yīng)用[J].公路工程，2010,41(10):73-74.

高 強(qiáng)(1985- )，男，重慶長(zhǎng)壽人，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

王 勇(1990- )，男，河南安陽(yáng)人，助理工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

魏玉麟(1988- )，男，甘肅蘭州人，助理工程師，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2017- 04- 10

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