思林水電站圍堰防滲閉氣設(shè)計及施工

鄭順祥

(中國華電四川公司,四川成都 610016)

1 工程概況

思林水電站位于貴州省東北部,烏江干流中游,電站裝機(jī)容量100萬 kW,壩址兩岸山體雄厚,壩軸線河谷斷面基本呈對稱“V”型谷,電站壩址為典型的巖溶地貌。思林水電站截流圍堰為土石圍堰,壩基座落在夜郎組玉龍山段第二大層(T1y2)中厚、厚層泥晶灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r,兩岸堰肩地質(zhì)條件復(fù)雜,其中上游圍堰左右岸分別發(fā)育 K30、巖溶管道系統(tǒng)和 S65巖溶管道,河床覆蓋層厚度較厚,又由于兩岸壩肩開挖時石渣下河在原河道兩岸坡附近形成了大粒徑塊石架空區(qū)域,以及在截流龍口段有大量截流施工時拋下的大塊石,形成大塊石架空區(qū);下游圍堰河床覆蓋層原本較薄,但由于兩岸公路和壩肩開挖石渣下河,河床中部均為大粒徑塊石,下游圍堰填筑合龍?zhí)幍膲K石架空現(xiàn)象亦較為嚴(yán)重。圍堰上下游水頭差高,上游圍堰上下游平均水位差達(dá) 3.52m,12小時內(nèi)最大水位漲落差為 1.49m,平均漲落差為 0.57m。下游圍堰上下游平均水位差為 3.7m。在這種高水頭差、快速漲落的情況下施工,造成了漿液的大量流失,從而直接影響灌漿效果,增加了灌漿材料耗量。

2 圍堰防滲設(shè)計

本工程圍堰防滲墻在設(shè)計時考慮了防滲墻方案、高壓噴射灌漿方案以及控制性水泥灌漿方案,但由于圍堰軸線處地質(zhì)條件復(fù)雜,堰體部位基巖巖溶發(fā)育,巖石出露犬牙交錯,堰體存在大量塊石架空層,采用防滲墻或高壓噴射灌漿方案均難以成墻,經(jīng)比較選擇采用控制性水泥灌漿和速凝膏漿高壓灌漿防滲,輔以高流態(tài)水泥砂漿灌注。

根據(jù)本工程圍堰堰體和堰基地質(zhì)條件及圍堰承受的水頭條件,上下游圍堰均布置三排孔。上游圍堰灌漿孔間、排距分別按 1.0m、0.75m設(shè)計,下游圍堰孔間、排距分別為 1.0m、0.5m,其中中間排孔施工根據(jù)灌漿資料,結(jié)合現(xiàn)場情況具體確定。

經(jīng)上、下兩排灌漿處理后,根據(jù)鉆灌資料分析,吸漿量大的地段,龍口段、深槽地段,大塊石架空段等仍達(dá)不到要求的,施工中間的第三排孔,第三排孔先施工Ⅰ序孔,Ⅱ、Ⅲ序孔視施工的情況及效果而決定是否施工。

對于堰肩的處理,先進(jìn)行覆蓋層以及表面風(fēng)化層的開挖及混凝土澆筑,具體處理方式見附圖,在灌完上、下游兩排孔后,在防滲墻上適當(dāng)打一些斜孔進(jìn)行處理,如圖 1所示。

圖 1 堰肩斜孔灌漿處理示意圖

灌漿孔位布置如圖 2所示。

圖 2 上下游圍堰閉氣灌漿布孔示意圖

思林水電站下游圍堰防滲設(shè)計及灌漿排序施工方案與上游圍堰基本相同,所不同的是:下游圍堰防滲閉氣施工平臺以下采用控制性水泥灌漿和速凝膏漿灌漿防滲,施工平臺以上采用復(fù)合土工膜防滲。

3 閉氣灌漿施工準(zhǔn)備

3.1 施工布置

以防滲軸線為中心,在圍堰上首先澆筑了 1道寬 5m、厚 0.6m的混凝土施工平臺;在混凝土施工平臺上游是吊車通道、空壓機(jī)及海帶稻草等灌漿材料的堆放場地;在該混凝土施工平臺下游是灌漿設(shè)備擺放地帶,之后是水泥堆放平臺及制漿站、泥漿池;再下游是水泥運(yùn)輸車道。上、下游圍堰各布置三個水泥漿制漿站,均兼制膏漿。根據(jù)現(xiàn)場施工布置條件,上、下游圍堰制漿站分別布置于圍堰中部及左右岸岸坡附近,除圍堰中部一座制漿站外,每個制漿站內(nèi)均配置 ZJ-800高速制漿機(jī) 1臺,2m3臥式攪拌機(jī) 1臺,1m3儲漿桶 2臺,水泥輸漿泵 1臺,螺桿泵 1臺。上、下游圍堰中部制漿站各配置 ZJ-400高速制漿機(jī) 1臺,自制膏漿制漿系統(tǒng)各 2套,螺桿泵各 1臺。

每個制漿站均設(shè)置水泥倉庫、膨潤土倉庫、外加劑倉庫、制漿平臺等。水泥及膨潤土平臺采用φ48mm架子管搭設(shè),距地面 1.0m左右,頂部采用防水棚布遮蓋,制漿平臺及灌漿站也采用防水棚布遮蓋,制漿站占地不小于 60m2。

3.2 機(jī)械設(shè)備配置

灌漿機(jī)械設(shè)備配置情況見表 1

表 1思林水電站過水圍堰防滲閉氣灌漿施工灌漿機(jī)械設(shè)備配置。

表 1 主要施工設(shè)備計劃表

4 灌漿施工

圍堰防滲施工程序為:施工道路布置→場地平整→臨建設(shè)施布置→先導(dǎo)孔施工→下游排施工→上游排施工→中間排施工→遞交施工報告。

同排孔之間的施工順序是:先導(dǎo)孔→Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔。

4.1 造孔形式及灌漿流程

4.1.1 先導(dǎo)孔施工

(1)鉆孔:河床部位采用沖擊鉆造孔,兩岸坡部位采用地質(zhì)鉆造孔。

(2)孔深:一般深入基巖 5.0m,特殊情況深入基巖 10m,由監(jiān)理工程師進(jìn)行鑒定確認(rèn)后終孔。

(3)鉆進(jìn)方法:在鉆孔過程中,詳細(xì)準(zhǔn)確記錄鉆孔時遇到的各種現(xiàn)象,根據(jù)返渣情況、鉆進(jìn)速度、鉆機(jī)及沖擊器運(yùn)轉(zhuǎn)情況判斷地層分層深度,大塊石的分布、埋深、粒徑及地層架空、漏失、串通等情況,技術(shù)人員在現(xiàn)場作出簡單鉆孔柱狀圖,以指導(dǎo)下步施工。

(4)先導(dǎo)孔鉆孔完成后按施工程序進(jìn)行灌漿作業(yè)。

4.1.2 施工工藝流程

(1)沖擊鉆造孔、灌漿施工工藝流程

場地平整→測量放樣→設(shè)備就位→一次鉆至設(shè)計孔深→起鉆桿→千斤頂起拔套管→第一段灌漿→千斤頂起拔套管→第二段灌漿→千斤頂起拔套管→…→終孔段灌漿→結(jié)束灌漿→封孔。

(2)地質(zhì)鉆機(jī)造孔、灌漿施工工藝流程

場地平整→測量放樣→設(shè)備就位→第一段鉆孔→第一段灌漿→鑲鑄孔口管→第二段鉆孔→第二段灌漿→…→終孔段灌漿→結(jié)束灌漿→封孔。

4.1.3 鉆 孔

(1)鉆機(jī)布置

根據(jù)兩種鉆機(jī)的性能、特點(diǎn),地質(zhì)鉆機(jī)主要分布在兩岸孔深相對較淺,預(yù)計沒有架空的部位;沖擊鉆機(jī)主要分布在河床,龍口、有深槽的地段,應(yīng)對深孔和有架空的孔。

(2)沖擊鉆造孔

1)孔位放樣:由測量隊按施工圖紙要求的位置放出控制點(diǎn),各孔孔位由現(xiàn)場質(zhì)檢員根據(jù)控制點(diǎn)放樣,孔位與設(shè)計孔位誤差不大于 ±10cm。

2)固機(jī)開孔:采用 MGY-80鉆機(jī)沖擊跟管鉆進(jìn),孔徑為 146mm,鉆機(jī)就位后,采用水平尺、吊線等方法將鉆機(jī)找平,用羅盤或角尺將鉆機(jī)立軸調(diào)成垂直開孔鉆進(jìn)。孔深要求穿過塊石堆積層進(jìn)入河床基巖 1.0m。

3)鉆孔次序:鉆孔次序與灌漿次序相一致,同次序孔可同時進(jìn)行鉆孔施工;相鄰不同次序孔,在先序孔灌漿完成 24小時后,方可進(jìn)行下一次序孔的鉆孔。

4)終孔驗收:鉆孔達(dá)設(shè)計孔深時進(jìn)行孔深、深入基巖深度檢測,經(jīng)三級自檢,在值班技術(shù)人員檢查合格簽字后,方可進(jìn)行下道工序施工。鉆孔深度以進(jìn)入基巖 1.0m為標(biāo)準(zhǔn)。

5)孔口保護(hù):鉆孔結(jié)束待灌時,孔口均加木塞或砂袋妥善保護(hù),以防其他雜物和污水掉入孔內(nèi)。

(3)地質(zhì)鉆造孔

采用 XY-2型地質(zhì)鉆機(jī)配無芯鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),開孔孔徑為 Φ91mm,灌漿鑲管后,以下孔徑為 Φ56mm。鉆孔孔位、孔深、孔斜滿足要求。鉆孔孔深以實(shí)際施工時鉆入基巖 1.0m為準(zhǔn)。

孔口管鑲鑄:孔口管 Φ75mm,長 3m。孔口段(即第一灌漿段)鉆孔完成后,先進(jìn)行灌漿,然后鑲鑄孔口管并至少待凝 48小時。

4.2 灌 漿

(1)灌漿材料

水泥:采用不低于32.5MPa的普通硅酸鹽水泥,質(zhì)量須符合國家標(biāo)準(zhǔn),不使用受潮結(jié)塊水泥,庫存時間不得超過三個月。

膨潤土:液限大于 400%,小于 0.08mm的顆粒含量大于 80%。

水玻璃:模數(shù)為 2.8～3.5,其濃度采用 30～38波美度。

摻合料:海帶、砂、水玻璃、鋸木粉、纖維物等。(2)漿液配合比

漿液采用三種形式:0.5∶1的純水泥漿、膏漿、混合漿。

膏漿是水泥與膨潤土的混合漿液,膨潤土摻量為水泥重量的 10%～30%。

混合漿是指在水泥漿或膏漿中摻有海帶、砂、水玻璃、鋸木粉等摻合料的漿液,具體摻合方式、摻合量在施工現(xiàn)場視情況而定。

各排序孔均以 0.5∶1的純水泥漿開灌。

4.2.2 灌漿分段

1)沖擊鉆造孔孔深滿足灌漿條件后,上提套管,提升長度為 1.0m→灌漿→終段→提升長度為 1.0m→灌漿→終段→…,如此循環(huán),直至終孔。因此沖擊鉆所造孔在孔底灌漿完成后,灌漿段長一律為 1.0m,不足 1.0m的孔段以實(shí)量計。

2)地質(zhì)鉆機(jī)造孔灌漿第一段的孔深為 3.0 m,灌漿后鑲 3.0m長孔口管;以下各段Ⅰ、Ⅱ序孔為 5m,不足 5m的以實(shí)數(shù)計;Ⅲ序孔為 8m,不足 8m的以實(shí)數(shù)計。特別注意的是:鉆孔中如遇失水,則停止鉆進(jìn),對該段單獨(dú)進(jìn)行灌漿。

4.2.3 灌漿壓力

考慮 10年一遇的洪水所承受的水頭,各序孔灌漿壓力見表 2、表 3,本表所示壓力均指孔口壓力,施工時可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行壓力調(diào)整。

(1)沖擊鉆機(jī)所造孔自下而上灌漿,孔段從底部算起,灌漿壓力如表 2所示。

表 2 各序孔各段次灌漿壓力表

(2)地質(zhì)鉆機(jī)所造孔自上而下灌漿,孔段從上部算起,灌漿壓力如表 3所示。

表 3 各序孔各段次灌漿壓力表

4.2.4 漿液選擇

灌漿過程中,對漿液的控制遵循以下幾項原則:

(1)當(dāng)灌漿壓力保持不變,注入率持續(xù)減少時,或當(dāng)注入率不變而灌漿壓力持續(xù)升高時,不得改變漿液。

(2)當(dāng) 0.5∶1純水泥漿的注入量已達(dá) 800L,而灌漿壓力或注入率均無變化或變化不明顯時,可改灌膏漿。

(3)膏漿灌注無法結(jié)束時,現(xiàn)場決定改灌混合漿。

4.2.5 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及封孔

(1)水泥灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):在要求的灌漿壓力下,當(dāng)注入率不大于 5L/mm時,續(xù)灌 10mm,結(jié)束該段灌漿。

(2)膏漿灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):在灌漿設(shè)計壓力下,孔段基本不吸漿時結(jié)束該段灌漿。

(3)若在孔口及附近地面出現(xiàn)冒漿后,根據(jù)具體情況,由現(xiàn)場值班工程師和監(jiān)理工程師現(xiàn)場確定結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。每個灌漿孔結(jié)束灌漿后,采用濃水泥漿或干灰將孔口部分回填密實(shí)。

4.3 特殊孔、段處理

4.3.1 對集中滲漏部位,首先人工灌注粉細(xì)砂、鋸木粉等。如遇大塊石和孤石、地層架空、孔隙大漏水嚴(yán)重時,灌注膏漿、速凝膏漿或膏漿中摻加海帶和纖維物;當(dāng)孔口返漿后,要適當(dāng)降低灌漿壓力灌注。

4.3.2 高壓雙管砂漿堵漏

上游圍堰灌漿孔號 SY034～SY038、SY046～SY048、SY095 ～SY097、SY101 ～SY105,下游圍堰灌漿孔號 XY057～XY061、XY105～XY0107區(qū)域有強(qiáng)滲漏通道。從滲漏部位和鉆孔情況分析,上游圍堰強(qiáng)滲漏區(qū)域在的龍口段、右岸大塊石架空區(qū);下游圍堰強(qiáng)滲漏區(qū)域在左岸塊石架空區(qū)及合龍段。上述區(qū)域堵漏成為整個圍堰閉氣的關(guān)鍵,圍堰防滲施工中先采用瓜米石填料及速凝膏漿進(jìn)行堵漏,但主要通道一直未被截斷,堵漏效果差,且耗費(fèi)了大量漿液。為解決大塊石架空區(qū)域的堵漏技術(shù)難題,針對滲漏通道大、漏水量集中、流速高的特點(diǎn),采取了高壓雙管砂漿堵漏技術(shù),力求圍堰防滲盡快閉氣,同時也減小灌漿材料消耗。

(1)主要灌漿設(shè)備

灌漿采用 HTB30型混凝土輸送泵,最大輸送壓力為 4MPa。混凝土攪拌車運(yùn)送砂漿。鉆孔采用 MGY-80型沖擊鉆,孔徑為 φ150mm,鋼套管φ146mm,孔內(nèi)灌漿管 φ90mm。

(2)施工工藝

混凝土輸送泵布置在圍堰灌漿平臺上,具體位置視砂漿灌注孔位置而定。泵下部基礎(chǔ)應(yīng)壓實(shí)平整,砼攪拌運(yùn)輸車則在相應(yīng)位置喂料。砼輸送泵受料斗口應(yīng)稍低于砼攪拌運(yùn)輸車出料口。具體工藝布置詳見下圖 3。

(3)施工方法

1)方法簡述:分析空腔位置→鉆孔→安裝混凝土泵及注漿管路→灌砂漿→鉆補(bǔ)強(qiáng)孔(兼效果檢查)

2)探明滲漏通道的位置:灌注砂漿要求鉆孔必須接觸到滲漏通道空腔,在原設(shè)計孔位處鉆孔,施工過程中發(fā)現(xiàn)水流大以及耗灰量大的位置則進(jìn)行加密鉆孔,鉆孔鉆遇空腔后準(zhǔn)備進(jìn)行砂漿灌注。

3)鉆孔:鉆孔采用 MGY-80型沖擊鉆造孔,孔徑為 φ150mm,鉆孔過程中 φ146mm的鋼套管跟進(jìn),成孔后套管留在孔內(nèi)作為保護(hù)管,保護(hù)管底部的位置為滲漏空腔的頂部。

圖 3 圍堰閉氣砂漿泵送布置圖

4)安裝灌漿管路:從 HTB30型混凝土輸送泵向砂漿灌注孔方向鋪設(shè) φ125mm的泵管,在靠近灌注孔口位置前接漸變段泵管(管徑從 φ125mm漸變到 φ90mm),再接 φ90mm的泵管伸入灌注孔套管(管徑 φ146mm)中。φ90mm注漿管下到滲漏通道的空腔部位,與 φ146mm孔套管成為雙管系統(tǒng)。砂漿孔的套管兼作排氣管。

5)砂漿灌注

砂漿泵送采用自下而上的拔管施工方式,為滿足砂漿灌注施工要求,砂漿采用間斷單擊泵送,泵送間隔時間為 1～2min,反復(fù)進(jìn)行灌注,直至砂漿從灌注孔套管口溢出為止。該段砂漿灌注達(dá)到要求后,向上拔一節(jié)套管,套管內(nèi)泵管跟隨向上拔一節(jié),進(jìn)行上一段的砂漿泵送施工。砂漿灌注完成后,再在原孔位進(jìn)行灌漿處理,最終達(dá)到防滲閉氣的工程目的。

施工注意事項:混凝土泵及泵管操作應(yīng)嚴(yán)格遵守有關(guān)操作規(guī)程,施工時特別強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn):①混凝土泵工作采用間隔單擊作業(yè),間隔時間為 1～2min。泵送時料斗內(nèi)應(yīng)保持一定量的砂漿,以免吸空。②輸送泵應(yīng)就近布置在灌注孔附近,以減少泵管的鋪設(shè)長度。③泵管敷設(shè)線路應(yīng)接近直線,少彎曲,管道與管道支撐必修緊固可靠,管道接頭應(yīng)密封可靠。

(4)砂漿灌注工程量及資料分析

1)砂漿灌漿工程量

在圍堰閉氣灌漿過程中,共有 7個孔灌注砂漿,總計注入砂漿 41.8m3,也即通過灌注砂漿已經(jīng)充填了圍堰防滲區(qū)內(nèi)的近 40m3的空腔,對圍堰防滲效果的影響是顯著的。

表 4 砂漿灌注統(tǒng)計表

5 灌漿成果分析

思林水電站上下游圍堰閉氣灌漿從 2005年l2月 13日至 2006年 4月 20日,先后累計完成877個孔,鉆孔進(jìn)尺 18409m,共計灌注水泥 30 574t、膨潤土 4225.6t、海帶 11201kg、水玻璃 19 249kg、鋸木粉 6938kg、稻草 65143kg、砂漿200.1m3。

5.1 灌漿耗灰量分析

(1)各排平均單位灌入量

上下游圍堰各排孔的平均單位灌入量統(tǒng)計作圖如圖 4所示。

從圖 4可以看出,下、上、中排孔的平均單位灌入量逐排遞減,符合一般的灌漿規(guī)律。說明隨著前一排孔的施工,后一排孔的可灌性在減弱,防滲起到了隨排加密,加固的效果。

圖 4 上下游圍堰各排孔平均單位灌入量對比圖

(2)單位注入量區(qū)間分布如果把上、下游圍堰的上、中、下游排孔的單 位灌入量按區(qū)間統(tǒng)計,得出圖 5、圖 6。

圖 5 上游圍堰平均單位注入量區(qū)間分布圖

圖 6 下游圍堰平均單位注入量區(qū)間分布圖

從圖 5、圖 6可以看出,下游排孔在大耗灰量的區(qū)間大于 1000kg/m分布較多;上間排孔分布則相對比較均勻,而中間排孔則在小于1000kg/m上分布較多,說明后序孔在前序排孔施工過之后,可灌性已有所減弱,這種減弱,逐排遞減。

綜合圍堰閉氣灌漿期的有關(guān)資料分析知,造成水泥用量過多的主要原因有以下幾個方面:a.河床兩側(cè)塊石架空多,空腔大,巖層地質(zhì)情況復(fù)雜,耗灰量大;b.施工前期是在高水頭差下施工,水位漲落變化較大,漿液損耗大;C.施工時段正值嚴(yán)冬時節(jié),河水溫度較低,水泥漿凝固時間長,因而增大了水泥漿的流失;d.圍堰灌漿面積和工程量大較設(shè)計大幅增加。

5.2 堰體滲水情況分析

在思林水電站上下游圍堰灌漿施工過程中,發(fā)現(xiàn)上游圍堰右堰肩、下游圍堰左堰肩各有一股水流外溢。基坑抽水之后,發(fā)現(xiàn)上游圍堰有左、中、右三處滲水點(diǎn),下游圍堰僅左堰肩有一處滲水。經(jīng)高錳酸鉀涂紅試驗,分析堰體滲水的主要原因是堰體兩端的溶洞形成上下游貫穿通道,其次是兩堰肩地質(zhì)條件復(fù)雜,巖體風(fēng)化嚴(yán)重,節(jié)理裂隙發(fā)育,形成滲水通道。但總體來看,滲水總量不是太大,經(jīng)抽排能滿足基坑開挖及大壩混凝土施工需要,堰體灌漿效果滿足防滲設(shè)計的要求。

6 結(jié)束語

思林水電站圍堰閉氣灌漿施工采用控制性水泥灌漿和速凝膏漿高壓灌漿防滲,輔以高流態(tài)混凝土灌注。針對不同地段地質(zhì)條件的差異,圍堰閉氣灌漿施工中靈活采用了純水泥漿、膏漿、海帶、稻草、鋸木粉、水玻璃、砂、砂漿等多種灌漿材料,靈活采用了多種灌漿施工方法,在灌漿施工中取得了明顯的效果。成功完成了上下游圍堰這一難度極大的閉氣灌漿工程;盡管由于地質(zhì)條件復(fù)雜,該堰體尚存在少量滲水,以及水頭高、水位漲落幅度變化大、河水溫度低漿液凝固時間長等因素導(dǎo)致灌漿工程量大、灌漿材料有所增加,但總體來看,該工程圍堰閉氣灌漿施工完全滿足防滲設(shè)計技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的要求。