張鐵寧

(湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司，湖北 武漢 430000)

帷幕灌漿是將漿液灌入巖體或土層的裂隙、孔隙，形成連續(xù)的阻水帷幕，以減小滲流量和降低滲透壓力的灌漿工程。主要是在閘、壩的巖石或砂礫石地基中通過(guò)灌漿建造防滲帷幕的工程。帷幕頂部與混凝土閘底板或壩體趾板連接，底部深入相對(duì)不透水巖層一定深度，以阻止或減少地基中地下水的滲透；與位于其下游的排水系統(tǒng)共同作用，還可降低滲透水流對(duì)閘壩的揚(yáng)壓力。我國(guó)大部分大中型病險(xiǎn)水庫(kù)防滲堵漏施工過(guò)程中，無(wú)法騰空庫(kù)容達(dá)到干地施工的條件。

湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司承接的宜昌市西北口水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程，其中的壩基防滲帷幕灌漿工程必須在大水深環(huán)境下進(jìn)行，其壩基趾板高程240.6m，施工期水庫(kù)控制水位305.0m，最大水深64.4m(含厚度約10m淤積層)，經(jīng)項(xiàng)目部全體員工及相關(guān)協(xié)作單位戮力同心、奮楫篤行，終于克服在“高水頭、大水深、水面作業(yè)、動(dòng)水”條件下進(jìn)行帷幕灌漿、水下孔口管定位及加固等技術(shù)重難點(diǎn)，完成湖北省首例深水灌漿工程，在保證施工期水庫(kù)功能性不受影響的前提下達(dá)到了水庫(kù)除險(xiǎn)加固的預(yù)期效果。

1 工藝原理

面板堆石壩趾板基礎(chǔ)深水灌漿，是在水庫(kù)正常蓄水位的深水條件下進(jìn)行的帷幕灌漿工程。該技術(shù)通過(guò)搭建水上作業(yè)平臺(tái)完成大壩趾板基礎(chǔ)防滲堵漏工程，避免了傳統(tǒng)大壩帷幕灌漿需降低水位施工的限制，對(duì)大壩運(yùn)營(yíng)無(wú)影響。水上作業(yè)平臺(tái)為灌漿施工提供了良好的施工作業(yè)空間，同時(shí)利用潛水員水下精確定位和輔助鑲鑄孔口管，通過(guò)超長(zhǎng)懸臂孔口管鑲鑄及加固，在孔口管內(nèi)進(jìn)行灌漿作業(yè)的方式實(shí)現(xiàn)了“高水頭、大水深、動(dòng)水”條件下的灌漿施工作業(yè)。

1.1 水面作業(yè)平臺(tái)搭建

水面作業(yè)平臺(tái)由若干組浮箱(浮箱容積根據(jù)其平臺(tái)自重、施工中鉆孔灌漿設(shè)備及鉆孔作業(yè)產(chǎn)生的沖擊力和施工人員荷載進(jìn)行綜合測(cè)算、選用)并聯(lián)，并通過(guò)錨、拉等方式進(jìn)行固定，將作業(yè)面通過(guò)貝雷橋組合相連成整體的施工平臺(tái)，穩(wěn)定性和承載力好，可承受有關(guān)鉆孔灌漿等機(jī)械設(shè)備的作業(yè)與通行。

1.2 水下趾板淤積層的根管鉆進(jìn)

水下跟管鉆進(jìn)的主要目的是消除淤積層對(duì)帷幕灌漿施工的影響，采用地質(zhì)鉆機(jī)、硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)，并錘擊跟套管鉆進(jìn)。跟φ127、δ=6mm厚地質(zhì)套管護(hù)壁管，跟管深度為趾板頂部。趾板混凝土段及基巖段鉆孔采用φ110鉆具進(jìn)行。待第1、2段灌漿及預(yù)埋孔口管鑲鑄完成后，隨即拔出護(hù)壁套管。

采用護(hù)管跟管鉆進(jìn)工藝不但可以解決淤積層內(nèi)難以成孔的問(wèn)題，還解決了孔口管未埋設(shè)好之前淤積層鉆孔護(hù)壁問(wèn)題。

1.3 水下超長(zhǎng)空口管加固

孔口管鑲鑄順序?yàn)椤坝蓽\至深、由易入難”，利用已經(jīng)鑲鑄牢靠的孔口管對(duì)剛鑲鑄好的進(jìn)行固定。采用鋼管及扣件將上下游排相鄰的10～20根沿高程每間隔5～10m進(jìn)行連鎖固定，同時(shí)在孔口管立面布置剪刀撐全面連接。另外還需要在主要節(jié)點(diǎn)位置與岸坡之間設(shè)置連墻件，以及沿趾板距離孔口20cm位置設(shè)置掃地桿，提高孔口管整體受力條件。

2 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

2.1 水上作業(yè)平臺(tái)搭建和固定

平臺(tái)下部采用焊接鋼箱(由6mm厚鋼板焊接而成，長(zhǎng)4.0m，寬3.0m，高1.25m)作為浮體，兩個(gè)浮箱為一組模塊，垂直于帷幕灌漿軸線對(duì)稱布置，中間預(yù)留1.0m間隙作為鉆孔時(shí)鉆具上下及孔口管安裝空間。上部結(jié)構(gòu)采用單排321貝雷橋(長(zhǎng)度為3m/節(jié)，高度1.5m)，在其上鋪裝橫梁(22a工字鋼)、縱骨(8號(hào)槽鋼)和50mm木板橋面。浮箱模塊組一般按9m的間隔布置。

a.平臺(tái)組裝步驟。浮箱泛水(采用汽車(chē)起重機(jī)吊到水面，并用繩索臨時(shí)拴在岸邊)→結(jié)合全形舟(移動(dòng)單組箱使箱尾靠攏對(duì)正，利用浮箱底部和上部的掛鉤將兩個(gè)浮箱連接在一起)→組合上部結(jié)構(gòu)(將貝雷片、橫梁等構(gòu)件吊到浮箱上，逐節(jié)進(jìn)行組裝)→鋪設(shè)縱梁和橋面板。

b.鉆孔定位。帷幕灌漿孔孔口坐標(biāo)的水面投影，采用全站儀測(cè)量定位。

c.平臺(tái)固定。在大壩與岸邊的三角區(qū)域用架子管等材料結(jié)構(gòu)成限位支撐架，限制平臺(tái)下游端的移動(dòng)。

在平臺(tái)下游端距離岸邊較近處用直徑50mm鋼管或10號(hào)工字鋼設(shè)置剛性支撐桿，將平臺(tái)與岸邊剛性連接，使其不能沿水平方向移動(dòng)?？紤]到施工期間水位會(huì)有一定的波動(dòng)范圍，連接支撐桿應(yīng)能上下活動(dòng)。

平臺(tái)與岸邊距離較遠(yuǎn)的部位采用大致對(duì)稱布置的“八”字形鋼絲繩(直徑10～11mm)抗風(fēng)纜與岸邊及另一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行固定。抗風(fēng)纜的一端與舟橋或貝雷橋固定，另一端與岸上錨桿固定。抗風(fēng)纜的長(zhǎng)度和松緊度可通過(guò)其上的絞盤(pán)或手拉葫蘆調(diào)整，以保證定位精度和適應(yīng)水位漲落變化(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 深水帷幕灌漿工序工藝流程

圖2 水面作業(yè)平臺(tái)搭設(shè)示意圖與實(shí)物

2.2 水下趾板淤積層的跟管鉆進(jìn)

2.2.1 水下跟管鉆進(jìn)的目的

水下跟管鉆進(jìn)的主要目的是消除淤積層對(duì)帷幕灌漿施工的影響。西北口水庫(kù)趾板新增帷幕灌漿鉆孔孔口均處于水面以下，因此在施工工藝上均需先埋設(shè)孔口管，通過(guò)孔口管進(jìn)行孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)式灌漿?？卓诠苁欠衲軌蚵裨O(shè)可靠，將直接影響帷幕灌漿施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。

首先，水下開(kāi)孔時(shí)將面臨較厚的水下淤積層。該層不但成孔困難，還極易垮孔造成鉆孔施工時(shí)埋鉆風(fēng)險(xiǎn)增加。

其次，在有較厚淤積層位置進(jìn)行孔口管安裝時(shí)無(wú)法直接對(duì)孔口管底部進(jìn)行處理，孔口管安裝效率低。且安裝不牢固，影響孔口管的穩(wěn)定。對(duì)于趾板淤積層的實(shí)際存在，如不采取相應(yīng)的措施，將嚴(yán)重影響工程施工進(jìn)度，給施工質(zhì)量帶來(lái)很大的影響。

2.2.2 水下護(hù)管跟管的意義

當(dāng)淤積較厚或淤積層板結(jié)嚴(yán)重時(shí)，由潛水員水下清理，顯然受制于現(xiàn)場(chǎng)施工條件而無(wú)法實(shí)施，只能采取一定措施在淤積層內(nèi)形成鉆孔通道，滿足帷幕灌漿孔口管安裝和正常的帷幕灌漿施工要求。

采用護(hù)管跟管鉆進(jìn)工藝不但可以解決淤積層內(nèi)成孔的問(wèn)題，還可以解決在孔口管未埋設(shè)好之前淤積層鉆孔護(hù)壁問(wèn)題。

2.2.3 跟管鉆進(jìn)施工方法

對(duì)于趾板淤積物較厚，高壓水槍難以進(jìn)行有效沖洗的部位，潛水員無(wú)法有效進(jìn)行水下定位，考慮采取跟管措施解決淤積層鉆進(jìn)及孔口管鑲鑄問(wèn)題。

具體施工方法為：采用XY-2型地質(zhì)鉆機(jī)、金剛石鉆頭或硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)，并錘擊跟套管鉆進(jìn)。跟φ127、δ=6mm厚地質(zhì)套管護(hù)壁管，跟管長(zhǎng)度以接觸水下趾板混凝土為準(zhǔn)，最大長(zhǎng)度64.4m?；炷炼?0.6～1.5m)及基巖段(0～6m)鉆孔采用φ110鉆具進(jìn)行。待第1、2段(0～3m、3～6m)灌漿及預(yù)埋孔口管鑲鑄完成后，隨即拔出護(hù)壁套管(見(jiàn)圖3)。

圖3 跟管鉆進(jìn)鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 水下孔口管加固

從水下至少60m(西北口水庫(kù)壩基趾板高程240.6m，施工期控制水位305.0m)引孔口管至水面作業(yè)平臺(tái)，以便帷幕灌漿施工時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自上而下分段鉆灌施工。加固的方式是將預(yù)埋完成并牽引出水面的孔口管按照雙排腳手架的加固原理進(jìn)行加固?？卓诠荑傝T順序?yàn)椤坝蓽\至深、由易入難”，利用已經(jīng)鑲鑄牢靠的孔口管對(duì)剛鑲鑄好的進(jìn)行固定。采用鋼管及扣件將上下游排相鄰的10～20根沿高程每間隔5～10m進(jìn)行連鎖固定，同時(shí)在孔口管立面布置剪刀撐全面連接。另外還需要在主要節(jié)點(diǎn)位置與岸坡之間設(shè)置連墻件，以及沿趾板距離孔口20cm位置設(shè)置掃地桿，提高孔口管整體受力條件。

a.水平相鄰兩根橫向連接。每隔5～10m采用φ48.3×3.6mm架管橫向與孔口管連接，并適宜沿帷幕灌漿軸線通長(zhǎng)布置。連接時(shí)采用特制的垂直雙扣結(jié)構(gòu)，主要目的是方便潛水員水下連接及連接可靠。該結(jié)構(gòu)一端為孔口管φ89管箍，另一端為φ48.3×3.6mm架管管箍，兩管箍中間為剛性連接，且兩管箍平面垂直。

b.剪刀撐。對(duì)橫向連接完成后的孔口管，由潛水員在水下采用φ48.3×3.6mm架管管箍形成45°剪刀撐(全面布置)，將其與橫向連接架管連接成一個(gè)整體。

c.連墻件。在趾板一側(cè)布置連墻件，使孔口管與趾板牢固連接，且連接點(diǎn)中心至主節(jié)點(diǎn)的距離不應(yīng)大于300mm。施工時(shí)可先施工插筋，連墻件與插筋焊接。連墻件另一端與孔口管橫向連接節(jié)點(diǎn)焊接。連墻件可采用φ48.3×3.6mm架管或直接采用φ25螺紋鋼筋。

d.掃地桿。沿趾板距離孔口管20cm高位置設(shè)置掃地桿。其與孔口管連接方式也采用特制的垂直雙扣結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)。

圖4 水下孔口管示意圖與實(shí)物

3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新

水上作業(yè)平臺(tái)的搭建，為灌漿施工作業(yè)提供了良好的操作空間，根據(jù)其施工過(guò)程所承受的施工設(shè)備及人員靜荷載、動(dòng)荷載以及本身自重，選用相應(yīng)容積浮箱，設(shè)計(jì)符合其承載要求的組合方式，保證平臺(tái)的可行性、安全性；同時(shí)通過(guò)限位架、抗風(fēng)纜等剛、柔性固定方式滿足平臺(tái)穩(wěn)定性要求。

水下跟管鉆進(jìn)主要目的是消除淤積層對(duì)帷幕灌漿施工的影響，水下開(kāi)孔時(shí)將面臨較厚的水下淤積層，該層不但成孔困難，還極易垮孔造成鉆孔施工時(shí)埋鉆風(fēng)險(xiǎn)增加。采用護(hù)管跟管鉆進(jìn)工藝不但可以解決淤積層內(nèi)成孔的問(wèn)題，還可以解決在孔口管未埋設(shè)好之前淤積層鉆孔護(hù)壁問(wèn)題。

水下超長(zhǎng)懸臂孔口管的加固主要是參考雙排腳手架的加固原理利用孔口管本身及附屬橫桿、剪刀撐、連墻件、掃地桿等將水下孔口管連接為一個(gè)整體，避免在鉆孔灌漿過(guò)程中，因出現(xiàn)孔口管松動(dòng)、傾斜導(dǎo)致的鉆桿對(duì)管壁的不均勻磨損，以及嚴(yán)重磨損處在高壓水泥灌漿情況下發(fā)生管壁沖蝕進(jìn)而出現(xiàn)漏漿。

4 結(jié) 語(yǔ)

深水灌漿技術(shù)在西北口水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用與傳統(tǒng)騰空庫(kù)容干地灌漿相比，雖然增加工程直接投資成本約900萬(wàn)元，但因西北口水庫(kù)為宜昌市長(zhǎng)江北岸一級(jí)支流黃柏河流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)的骨干工程，承擔(dān)著流域防洪、供水保障、發(fā)電外送經(jīng)營(yíng)等重任，其年均發(fā)電量約1億kW ·h,電價(jià)按0.3元/(kW ·h)計(jì)算，其半年施工期直接發(fā)電經(jīng)營(yíng)收入就達(dá)1500萬(wàn)元，且同時(shí)為宜昌市的市區(qū)200萬(wàn)居民的飲用水水源地，100萬(wàn)畝農(nóng)田的灌溉用水水源地，如采用騰空庫(kù)容干地灌漿的方式進(jìn)行壩基防滲處理，其損失的經(jīng)濟(jì)效益和民生效益將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)采用深水灌漿所增加措施性投入。本次西北口水庫(kù)壩基深水灌漿工程的實(shí)施，驗(yàn)證了“大水深、高水頭”條件下帷幕灌漿的可行性，為后續(xù)同類(lèi)工程起到了指導(dǎo)性作用。