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        無蓋重覆蓋層下部砂巖地層帷幕灌漿施工技術(shù)應(yīng)用

        2020-06-30 08:16:18
        四川水利 2020年3期
        關(guān)鍵詞:覆蓋層護(hù)壁基巖

        (中國水利水電第五工程局有限公司,成都,610066)

        目前我國正處在新一輪的城鎮(zhèn)化建設(shè)中,隨著城市的不斷擴(kuò)張,人口的快速增長,帶來了日益突出的城市飲水問題。大力開發(fā)中小型水庫為解決城市供水問題提供了出路,因此中小型水利工程的建設(shè)必將作為未來一段時間內(nèi)國內(nèi)開發(fā)建設(shè)的重點(diǎn)方向。

        1 工程概況

        廣安鄰水向陽橋水庫工程是《全國中型水庫建設(shè)總體安排意見(2013-2017年)》、《西南五省重點(diǎn)水源工程近期建設(shè)規(guī)劃》和《四川省“十二五”水利發(fā)展規(guī)劃》中規(guī)劃建設(shè)的工程之一,是一座兼具防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)及農(nóng)村飲水、區(qū)域水生態(tài)文明建設(shè)等綜合效益的中型水庫。水庫位于廣安市鄰水縣西南部的丹水灘河上游,壩址位于西天鄉(xiāng)政府下游1km,壩址控制流域面積19.1km2,水庫總庫容為1644萬m3。樞紐永久性主要建筑物包括擋水大壩、泄洪建筑物、放空(取水)建筑物、充水渠道等,此外工程還包括灌區(qū)輸水管道及縣城輸水管線等配套工程。

        向陽橋水庫兩岸壩肩壩頂高程以上及庫區(qū)防滲軸線地表均為第四系殘坡積堆積物及強(qiáng)風(fēng)化巖層,且地表高程普遍在365m~368m之間,受地形地質(zhì)條件限制,如果設(shè)置灌漿平硐將會面對成洞條件差、軸線長的問題,不僅施工安全風(fēng)險大而且建設(shè)投資成本高,因此設(shè)計(jì)考慮直接從地表覆蓋層鉆孔進(jìn)行正常蓄水位(346m)以下防滲帷幕灌漿施工。

        2 主要施工難點(diǎn)

        在傳統(tǒng)的水利水電工程基巖帷幕灌漿施工中,防滲帷幕的鉆孔灌漿需先清除地表覆蓋層或者設(shè)置灌漿平硐,然后在裸露的基巖或平硐底板上設(shè)置混凝土蓋重,并在蓋重達(dá)到一定設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可實(shí)施鉆孔及帷幕灌漿施工。

        然而,向陽橋水庫工程中防滲帷幕既不設(shè)置平硐、不清除覆蓋層,也不澆筑混凝土蓋重,而是直接從地表覆蓋層中鉆孔進(jìn)行正常蓄水位(346m)以下灌漿施工。施工現(xiàn)場在原始地面與帷幕灌漿頂線(高程346m)之間有將近20余米的孔段內(nèi)不進(jìn)行灌漿,經(jīng)前期地質(zhì)勘查,帷幕灌漿施工區(qū)域?yàn)樯皫r與泥巖互層地質(zhì),巖石節(jié)理裂隙極為發(fā)育、地質(zhì)條件較差,地層結(jié)構(gòu)如圖1所示。如果采取常規(guī)灌漿方法貿(mào)然進(jìn)行帷幕施工,極易在施灌過程中發(fā)生塌孔、繞塞返漿,甚至廢孔等一系列問題,不僅造成帷幕灌漿質(zhì)量無法保障,同時可能造成施工工期大大延長、成本大幅增加。

        針對上述特點(diǎn),如何在無蓋重條件下進(jìn)行覆蓋層下部帷幕灌漿成為擺在施工技術(shù)人員面前的一道難題。

        3 施工方法

        3.1 技術(shù)方案比較

        由于灌漿頂高程346.00m以上為覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化~弱風(fēng)化砂/泥巖結(jié)構(gòu),直接鉆孔至設(shè)計(jì)高程灌漿極易在上部覆蓋層發(fā)生塌孔或非灌段基巖繞塞返漿等現(xiàn)象,最終造成廢孔事故發(fā)生。針對這種特殊的帷幕灌漿結(jié)構(gòu)型式,通過查找資料,常規(guī)的施工解決方法有兩種:

        方案一:采用跟管鉆孔灌漿的施工方法,即采用液壓跟管鉆機(jī)和擴(kuò)孔鉆頭,套管護(hù)壁自上而下進(jìn)行鉆孔,并在鉆孔全部完成后在套管內(nèi)放入灌漿塞。灌漿過程中,將灌漿塞安放在套管底端,采用拔管機(jī)分段提升護(hù)壁套管和灌漿塞,自下而上分段進(jìn)行帷幕灌漿,直至全孔灌漿完成。

        方案二:根據(jù)覆蓋層及非灌段基巖情況,采取預(yù)固結(jié)的方式,先對上部覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化基巖進(jìn)行固結(jié)灌漿,然后采用正常的帷幕灌漿程序,從灌漿頂346m開始自上而下分段對基巖進(jìn)行帷幕灌漿施工,直至全孔灌漿完成。

        兩種技術(shù)方案均能夠解決灌漿施工中容易出現(xiàn)的塌孔和繞塞返漿等問題,但也存在諸多缺點(diǎn)和不足,具體分析如表1。

        表1 帷幕灌漿施工技術(shù)方案比較

        3.2 改進(jìn)后的具體施工方法

        鑒于上述兩種技術(shù)方案存在的缺點(diǎn)和不足,通過分析比較,考慮結(jié)合兩種方案各自的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過研究決定在地表覆蓋層段設(shè)置鋼套管,防止孔口及覆蓋層段塌孔;在基巖非灌漿段采用泥漿護(hù)壁,并在灌漿段頂部一定范圍內(nèi)進(jìn)行水泥預(yù)固結(jié)灌漿。確保在無蓋重條件下覆蓋層下部的砂巖地層帷幕灌漿施工質(zhì)量。

        3.2.1 施工工藝流程

        無蓋重條件下覆蓋層下部砂巖地層帷幕灌漿施工流程如圖2所示。

        圖2 無蓋重覆蓋層下部砂巖地層帷幕灌漿施工流程

        3.2.2 施工具體要求

        (1)對于灌漿孔穿覆蓋層段,為確保成孔并防止后期施工鉆孔灌漿過程塌孔造成事故,采用薄壁鋼管進(jìn)行護(hù)壁。其中,覆蓋層段鉆孔孔徑φ91mm,采用φ89mm、δ=2.0mm的焊接鋼管進(jìn)行護(hù)壁,并保證鋼管護(hù)壁段深入強(qiáng)風(fēng)化線1.0m以下,同時采用水泥漿對鋼套管進(jìn)行嵌固,待凝24h。

        (2)帷幕灌漿頂高程以上非灌段由于基巖裂隙的存在,為防止發(fā)生塌孔和繞塞返漿的問題,采取如下處理措施:

        ①對灌漿段頂高程以上4.0m范圍以外的部位進(jìn)行泥漿護(hù)壁,即在鉆進(jìn)過程中,采用泥漿泵向孔內(nèi)循環(huán)注入泥漿的方式,對鉆孔孔壁進(jìn)行防護(hù)。為確保護(hù)壁效果,可根據(jù)施工現(xiàn)場具體情況在泥漿中適當(dāng)添加膨潤土等外加劑,同時也可根據(jù)非灌段基巖裂隙大小和具體情況采用孔口封閉加壓等方式,確保護(hù)壁效果。

        ②對灌漿段頂高程以上4.0m范圍內(nèi)進(jìn)行水泥預(yù)固結(jié),具體要求如下:

        A.采用1∶1中等濃度水泥漿進(jìn)行施灌;

        B.根據(jù)壓水試驗(yàn)過程中的返水情況,預(yù)固結(jié)段可自上而下分兩次施灌(灌漿壓力分別為0.2MPa、0.4MPa),也可一次性全段施灌(灌漿壓力0.2MPa);

        C.預(yù)固結(jié)段灌漿根據(jù)實(shí)際情況控制灌漿量,對于吃漿量較大的部位,為降低施工成本,單耗可按50kg/延米控制,灌漿總量達(dá)到200kg后灌漿結(jié)束;對于吃漿量較小的部位,該灌漿段在最大設(shè)計(jì)壓力下,當(dāng)注入率不大于1L/min后,繼續(xù)灌注30min,即可結(jié)束。預(yù)固結(jié)灌漿結(jié)束后,隨即進(jìn)行待凝,待凝不得小于24h;

        D.預(yù)固結(jié)段完成待凝后重新掃孔至346.00m帷幕灌漿頂高程,至此非灌段預(yù)固結(jié)工作全部完成。

        具體灌漿辦法及分段情況如圖3所示。

        (3)庫區(qū)346.00m高程以下灌漿段在施灌過程中按照設(shè)計(jì)分段及灌漿壓力要求進(jìn)行:

        ①所有灌漿孔第一段段長均按3m(即346.00m~343.00m)控制,其中Ⅰ序孔及先導(dǎo)孔第一段灌漿壓力為0.6MPa,Ⅱ、Ⅲ序孔灌漿壓力為0.8MPa;

        圖3 無蓋重覆蓋層下部帷幕灌漿結(jié)構(gòu)示意

        ②除第一段外,灌漿孔段長宜按5m控制,且終孔段段長不得超過8m。各段灌漿壓力:Ⅰ序孔及先導(dǎo)孔灌漿壓力為1.0MPa,Ⅱ、Ⅲ序孔灌漿壓力為1.2MPa;

        (4)庫區(qū)346.00m高程以下造孔及灌漿過程中如遇較大裂隙(鉆孔期間不返水、壓水過程不起壓等),則采用無壓濃漿反復(fù)施灌、待凝的方式進(jìn)行處理,必要時考慮在孔口適當(dāng)加砂處理,單次注漿量可由監(jiān)理根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及時調(diào)整以確保灌漿效果,每次待凝時間不得小于24h。

        (5)帷幕灌漿完成后,對相應(yīng)的灌漿孔進(jìn)行封孔處理,封孔具體要求如下:

        ①封孔高程按灌漿頂高程以上2m控制,即348.00m高程;

        ②封孔壓力采用1.2MPa;

        ③348.00m高程以上封孔采用人工回填土料的形式進(jìn)行。

        (6)對于終孔段壓水試驗(yàn)呂榮值大于5的孔段,根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)加深處理。

        (7)大壩左、右岸帷幕灌漿延伸線以及涉及覆蓋層造孔灌漿的部位,參考上述辦法進(jìn)行施工。

        通過采用上述施工方案,向陽橋水庫庫區(qū)及壩肩帷幕灌漿施工取得了較好的效果。在灌漿施工過程中未發(fā)現(xiàn)塌孔及繞塞返漿等現(xiàn)象,后期檢查孔取芯過程中,可見水泥結(jié)石,壓水檢測結(jié)果(見表2)均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范相關(guān)要求。

        表2 庫區(qū)帷幕灌漿壓水檢測對比

        通過對比分析灌漿前后相關(guān)部位的透水率,基巖的透水性明顯降低,隨機(jī)抽取的檢查孔透水率全部低于設(shè)計(jì)規(guī)定的5Lu,無蓋重覆蓋層下部帷幕灌漿取得了較好的防滲效果。

        3.3 施工注意事項(xiàng)

        (1)合理規(guī)劃施工現(xiàn)場,做好場地排水系統(tǒng)、泥漿池、施工材料及設(shè)備堆放場地布置。

        (2)覆蓋層造孔過程中要注意根據(jù)鉆孔情況判斷覆蓋層具體厚度,并安裝配套長度的護(hù)壁鋼套管,確保鋼套管深入基巖不少于1m。覆蓋層較淺時,鋼套管可采用薄壁焊管。

        (3)覆蓋層造孔應(yīng)適當(dāng)增大孔徑,放入鋼套管后,采用水泥漿進(jìn)行填充,并待凝24h,確保鋼管與覆蓋層孔壁嵌固牢靠。

        (4)非灌段鉆孔過程中應(yīng)確保泥漿池和配套泥漿泵運(yùn)行良好,泥漿比重需根據(jù)具體情況配備,確保鉆孔過程中泥漿護(hù)壁效果。

        (5)非灌段鉆孔完成后,采用孔內(nèi)下灌漿塞,循環(huán)式灌漿的方法對預(yù)固結(jié)段進(jìn)行施灌。

        (6)水泥預(yù)固結(jié)段按耗灰量進(jìn)行控制,施灌過程中可根據(jù)吃漿量適當(dāng)調(diào)整灌漿壓力。

        (7)水泥預(yù)固結(jié)灌漿施工結(jié)束后,必須按不小于24h進(jìn)行待凝,確保固結(jié)效果,同時起到帷幕灌漿蓋重和防止繞滲的作用。

        (8)灌漿段內(nèi)采用水泥漿進(jìn)行封孔,上部基巖和覆蓋層等非灌段采用人工回填土料進(jìn)行封堵。

        (9)及時清理水泥廢漿、盡可能拆除覆蓋層內(nèi)鋼套管,進(jìn)行場地恢復(fù),方便后期復(fù)耕。

        4 結(jié)語

        水利水電工程中帷幕灌漿對減小水庫滲流、降低壩體揚(yáng)壓力,確保工程安全運(yùn)行方面具有十分重要的意義。無蓋重覆蓋層下部砂巖地層帷幕灌漿施工技術(shù)在廣安鄰水向陽橋水庫工程帷幕灌漿施工過程中的成功應(yīng)用,解決了無蓋重條件下覆蓋層下部帷幕灌漿易廢孔、成本高、進(jìn)度慢、帷幕質(zhì)量難以保障等一系列施工難題。不僅保證了大壩帷幕灌漿的施工質(zhì)量,同時加快了施工進(jìn)度,確保目標(biāo)工期的順利實(shí)現(xiàn)。在降低施工成本的同時,滿足了安全、進(jìn)度、質(zhì)量、技術(shù)等各方面的要求,該技術(shù)方案得到建設(shè)單位、設(shè)計(jì)及監(jiān)理單位的一致認(rèn)可,為工程度汛和按期蓄水奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),也為類似工程施工提供了參考經(jīng)驗(yàn),具有顯著的社會效益。

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