高壓旋噴技術(shù)在土石壩防滲墻中的應(yīng)用

謝承平, 黃　偉, 王　磊, 姚　陽

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州　450003)

1　工程概況

某水電站大壩由碾壓混凝土重力壩段和心墻土石壩段組成,最大壩高46 m,壩軸線長574 m。其中碾壓混凝土重力壩段位于大壩中間,布置于河床部位,左右岸導(dǎo)墻過渡壩段;心墻土石壩段布置在重力壩兩側(cè)。水庫總庫容約13億m3,本工程規(guī)模為大(1)型,工程等別為Ⅰ等。

壩址區(qū)屬低山地貌,地形較緩。基巖僅在河谷及右岸有零星出露,巖性為花崗巖和花崗片麻巖。地表多為第四系覆蓋層,主要為兩層:第一層為坡積黃色、黃褐色的粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土;第二層為黃紅色的風(fēng)化殘積層,砂質(zhì)含量稍高,且土層多含有未風(fēng)化的呈粗砂狀的石英顆粒,局部含少量花崗巖全—強風(fēng)化碎塊,粒徑在1～3 cm不等。地下水埋深多位于第二層風(fēng)化殘積層中。通過注水試驗,兩土層平均滲透系數(shù)約5.2×10-4cm/s,屬中等透水,對庫水滲漏、壩基及壩體出現(xiàn)滲透破壞等均有較大影響。需對該段壩基進行防滲處理,減弱其滲透性。工程要求正常蓄水位時土質(zhì)壩基滲透系數(shù)

2　防滲處理方案的比較與選擇

壩址區(qū)左岸覆蓋層厚10～24 m,厚度較大,如采用開挖坑槽至基巖澆筑混凝土防滲墻,有利條件是澆筑防滲墻便于施工、控制質(zhì)量,防滲效果較好。但有開挖量大、釋放地基應(yīng)力,造成接觸結(jié)構(gòu)變形失調(diào)、坑槽側(cè)壁穩(wěn)定、造價較高等問題。

采用造槽孔澆筑混凝土方式,防滲效果較好,但其施工工藝較復(fù)雜、槽孔壁穩(wěn)定、混凝土澆筑施工質(zhì)量等不利于控制,同樣造價較高。

高壓噴射技術(shù)在此類土層較適合,水泥漿高壓射流與土混合形成的加固體形狀靈活。可旋噴搭接成帷幕墻或擺噴、定噴成薄的帷幕墻,深度可自由調(diào)節(jié),且抗?jié)B性較好,施工工藝較開挖坑槽澆筑混凝土方案復(fù)雜,但較造槽孔澆筑混凝土方案簡單。同樣,其施工質(zhì)量相對不好控制,而造價相比前述兩種方法均要低[1-2]。通過技術(shù)、經(jīng)濟綜合比較,采用高壓旋噴防滲墻的方法進行防滲。

3　高壓旋噴施工參數(shù)的確定

高壓旋噴防滲墻主要在左岸粘土心墻壩段,為了確定高壓旋噴施工參數(shù),本次在左岸土石壩段開挖的導(dǎo)流明渠右側(cè)縱向圍堰上進行旋噴試驗。縱向圍堰除上部有1～2 m少量填土外,其下均為原狀土。試驗旋噴防滲體同時可作為圍堰的加固與擋水抗?jié)B。旋噴試驗采用三管法,參考其他類似工程經(jīng)驗,試驗孔數(shù)為4孔,孔深8 m,孔距分別為0.8 m、1.0 m、1.3 m,每孔旋噴長度為6 m。水灰重量比在0.8∶1～1∶1之間變換;水壓采用35～40 MPa,氣壓0.6～0.8 MPa;漿液壓力采用兩種:一種為0.2～1.0 MPa,另一種為高壓的25～30 MPa,各個旋噴孔自下而上,每2 m按不同的旋噴轉(zhuǎn)速和提升速度進行。

按上述方案進行試噴,其成樁性均較好,在不同的噴射壓力、旋噴轉(zhuǎn)速和提升速度下,旋噴直徑略有區(qū)別,不同噴射參數(shù)的直徑在0.8～1.0 m之間。孔間距0.8 m的兩旋噴樁搭接較好,搭接部位厚約0.3 m;孔距1.0 m的兩樁搭接較差,搭接部位較薄;而孔間距1.3 m的兩旋噴樁搭接失敗,兩樁邊緣相距0.3 m左右。試驗旋噴防滲體見照片1。

照片1　旋噴試驗不同孔距防滲體搭接情況

對28 d齡期高壓旋噴防滲體在孔中心和搭接部位,鉆孔取芯進行單軸抗壓強度試驗,同時在孔內(nèi)進行壓水試驗,實驗結(jié)果均符合工程要求。根據(jù)試驗結(jié)果和類似工程經(jīng)驗,確定本工程高壓旋噴施工參數(shù),見表1。

4　高壓旋噴的施工

單排高壓旋噴孔布置在土石壩段粘土心墻位置,分兩序施工,孔徑110 mm,孔距0.7 m,孔底深入弱風(fēng)化基巖1.0 m,旋噴體直徑≥0.8 m。其布置示意圖見圖1。施工流程主要有三大部分:場地平整、鉆孔、高壓旋噴。

表1　高壓旋噴施工參數(shù)

圖1　高壓旋噴平面和剖面示意圖

旋噴場地施工:由于旋噴灌漿部位多為傾斜面,不滿足高壓旋噴臺車施工要求,高噴之前需平整工作面,保證臺車施工安全。施工平臺沿防滲墻布置,頂寬6 m,兩側(cè)按1∶1修坡,平臺采用土料填筑,填筑用料在土料場或附近開挖區(qū)采用自卸汽車運輸至工作面。回填完成后頂部采用振動碾壓密實,保證作業(yè)面地基穩(wěn)定。

鉆孔:鉆孔設(shè)備為XY-2PC地質(zhì)鉆機,鉆孔前對孔位應(yīng)進行測量放線,鉆機對點誤差≤50 mm,并檢查鉆機的垂直度,鉆孔偏斜率≤1%。鉆孔的有效深度須鉆至弱風(fēng)化巖層1.0 m。鉆孔孔徑應(yīng)大于高壓旋噴機噴射管外徑20 mm以上。鉆進暫停或終孔待噴時,孔口用軟木塞或采取其它措施加以保護。

高壓旋噴:高壓旋噴臺車型號為CYP-50,可通過該臺車的自行行走能力,調(diào)整以使高壓旋噴管軸中心線和鉆孔孔位中心線重合。臺車下噴射管前,先進行地面試噴,檢查機械和管路運行情況。在孔內(nèi)貫入注漿管的同時,后臺拌制水泥漿液。潛水泵將河水先加入立式攪拌機內(nèi),再加入水泥并攪拌。漿液攪拌后經(jīng)過篩和HBW150型灌漿泵壓入至高壓旋噴機中的漿液管道內(nèi)。水泥漿制備使用量,至旋噴結(jié)束的時間不應(yīng)超過4 h。

高壓旋噴防滲墻分兩道工序施工,單孔旋噴主要步驟有[3-4]:①噴頭就位,將噴頭深入孔底位置。旋噴、提升、靜壓注漿。②高噴旋噴全孔自下而上連續(xù)作業(yè)。按設(shè)定旋噴參數(shù)進行原位噴射,先送高壓水,再送水泥漿和壓縮空氣。在一般情況下,壓縮空氣可晚送30 s,待漿液返出孔口、情況正常后,方可開始提升噴射。邊噴漿、邊旋轉(zhuǎn)、邊提升,待第一根鉆桿完全提出地面后,停止噴漿,迅速拆除此根鉆桿而后恢復(fù)噴漿。當(dāng)漿液壓力恢復(fù)至旋噴壓力后,重新開始提升旋噴,依次循環(huán)作業(yè),直至噴嘴提升至設(shè)計標(biāo)高。需中途拆卸噴射管時,搭接段需進行復(fù)噴,復(fù)噴長度≥0.2 m。為防止?jié){液凝固收縮,低于防滲體設(shè)計高程,可在原孔位采取靜壓注漿,直至孔口液面不再下沉為止等措施，待旋噴機注漿管全部提出地面后,移至新的孔位。相鄰兩孔施工間隔時間應(yīng)≥72 h。

5　施工質(zhì)量控制

施工前應(yīng)檢查水泥的質(zhì)量、鉆孔和旋噴孔的樁位,管路壓力表和流量表的精度和靈敏度、高壓噴射設(shè)備的性能等。

鉆孔過程中做好鉆孔記錄并核對地層,采用測斜儀隨鉆進深度檢查鉆孔角度和傾斜度。

施工中應(yīng)檢查高壓旋噴施工參數(shù)的應(yīng)用情況及高壓旋噴灌漿施工順序是否正確。

高壓旋噴過程中,出現(xiàn)壓力突降或劇增、孔口回漿密度或回漿量異常等情況時,必須查明原因,及時處理。在進漿正常的情況下,若孔口回漿密度變小、回漿量增大,應(yīng)降低氣壓并加大進漿密度或進漿量。發(fā)生串漿時,應(yīng)填堵串漿孔,待高噴灌漿結(jié)束,盡快對串漿孔掃孔,進行高噴灌漿或繼續(xù)鉆進[5]。

如局部需要擴大噴射范圍或提高凝結(jié)體密實度時,可采取復(fù)噴措施。

若孔內(nèi)發(fā)生嚴重漏漿,可采取以下措施處理[6]:①孔口不返漿時,應(yīng)立即停止提升;孔口少量返漿時,應(yīng)降低提升速度。②降低噴射壓力、流量,進行原位注漿。③在漿液中加入速凝劑。④加大漿液密度或灌注水泥砂漿、水泥黏土漿等。⑤向孔內(nèi)填入砂、土等堵漏材料。

6　防滲處理效果檢驗與分析

高壓旋噴防滲墻齡期28 d后,按5%比例抽樣,進行鉆孔取芯檢查,檢查孔布置在防滲墻中心軸線上,重點檢查旋噴搭接部位。對芯樣進行單軸抗壓強度試驗和檢查孔分段壓水試驗,目前已檢測完畢的實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2　各土層高壓旋噴防滲墻檢測參數(shù)

通過檢測,各孔段滲透系數(shù)均2 MPa,符合要求;而風(fēng)化殘積砂質(zhì)土地層防滲體個別樣品抗壓強度稍低于設(shè)計值,通過對鉆孔芯樣查看分析,因其局部含有碎塊,相對取芯試樣,尺寸效應(yīng)和應(yīng)力集中明顯,導(dǎo)致抗壓強度降低,但在壩基深處的原位狀態(tài),其強度會有所增大,故在此類孔段,均采取復(fù)噴措施,再進行檢測,以達到防滲的目的。

7　結(jié)語

在本工程土石壩段土質(zhì)壩基防滲處理措施中根據(jù)工程情況,進行技術(shù)、經(jīng)濟比選處理方案,并在壩基土層中進行不同噴射參數(shù)的旋噴試驗。根據(jù)試驗結(jié)果,確定本壩基地層采用高壓旋噴防滲技術(shù)是可行的,并比較選擇各項旋噴施工參數(shù)。按照擬定的旋噴施工方案進行高壓旋噴。防滲墻滿足齡期后,進行鉆孔取樣抗壓強度試驗和壓水試驗,通過試驗分析,高壓旋噴防滲墻基本達到預(yù)期的處理效果。

同時,根據(jù)本次高壓旋噴防滲墻在風(fēng)化殘積層砂質(zhì)土與粘性土出現(xiàn)的差別,可考慮在風(fēng)化殘積層砂質(zhì)土地層,進一步試驗分析高壓旋噴技術(shù)應(yīng)用的施工工法。

參考文獻:

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