降水與回填聯合方法在某水電站廠房基礎高噴灌漿中的應用

周延國, 吳祖國, 閆長斌

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州　450003)

0　引言

高壓噴射灌漿法是將帶有特殊噴嘴的注漿管置于土層預定深度,以高壓噴射流使水泥漿液與土體混合,凝固硬化加固地基的方法。主要適用于淤泥、淤泥質土、黏性土、粉土、砂土和碎石土等地基。但地下水流速過大和已涌水的地基工程,地下水具有侵蝕性,應慎重使用。

1　工程概況

某水電站位于四川省雅礱江支流上,電站采用低閘引水式發電,電站裝機4臺,單機容量60 MW,總裝機容量240 MW。主要由首部樞紐、引水系統、地面廠房系統等建筑物組成。

1.1　廠區地質條件

水電站廠房布置于Ⅰ級階地上游側及后緣緩坡地帶,長約100 m,寬約80 m,高出河水面11～20 m。據前期鉆孔揭露,廠房覆蓋層的厚度為37～43 m,自下而上可分為四層。

第Ⅲ層沖積含砂卵(碎)礫石層(Q4al):頂板埋深6.10～11.45 m,厚約3.15～10.05 m,該層一般在靠近河床部位厚度較大。密實度一般為稍密—中密,該層承載力為0.20～0.65 MPa,滲透系數K=6.34×10-2cm/s,具強透水性。

基巖為全、強風化的三疊系下統領麥溝組(T1l)的薄層狀板巖、千枚巖,其承載能力與覆蓋層第Ⅰ層差異不大,屬于弱透水層。廠房覆蓋層的分層地質剖面示意圖見圖1。

圖1　廠基工程地質剖面示意圖

廠基處地下水水位為2 313.5～2 316.0 m,埋深一般9.99～21.2 m,枯水期略高于木里河河水位(枯水期的河水位在2 312.5～2 314.5 m)。

鑒于第Ⅱ層粉土的承載力及抗變形能力均較差,且可能存在砂土液化問題,需采取相應的工程處理措施。設計方案為高壓旋噴灌漿結合換填級配碎石的處理方式,其中旋噴樁直徑1.2 m,間排距2.5 m,梅花型布置,設計壓縮模量≥30 MPa;地基承載力設計值≥0.5 MPa。

1.2　高噴灌漿施工過程中遇到的問題

2007年5月、10月,分別完成臨河側、上游側、下游側的高噴防滲墻施工和廠房后邊坡的支護工作后,2007年11月開始進行尾水渠和廠基的基坑開挖及基礎處理施工。基礎處理方式采用設計的高噴灌漿,首先對下游一區尾水擋墻基礎進行施工,高噴造孔平臺高程為2 308.5 m,孔號分別為8-2、8-4、8-6、2-2、2-6,當高噴孔鉆至14.5～15 m時,各孔口相繼出現大量涌水,間斷性的水柱噴出孔外,水柱噴射最高高度可高出施工平臺7 m左右,經過約一天的噴射,水柱基本穩定在5 m左右(照片1)。根據有關地基與基礎規范的一般規定[1],高噴灌漿在地下水流速過大和已涌水的工程中應慎重使用,為保證成樁質量需進行降水以使基礎面以下為靜水的灌漿環境。

照片1　承壓水噴出場景

2　技術方案比選

2.1　水源分析及水量計算

從孔口噴出的水為承壓水。根據廠區施工情況,當鉆孔鉆至14.5～15 m時,出現了涌水現象,從基本地質條件和鉆孔返渣情況判斷,此深度剛剛穿透具有弱透水性的粉土(砂)層而進入了中等透水—強透水冰水堆積的砂卵礫石層,而砂卵礫石層的下臥層為具有弱透水性的全、強風化板巖、千枚巖。所以,可視上面的堰塞粉土層和下面的全、強風化板巖、千枚巖為相對隔水層,故砂卵礫石層所賦存的地下水具有一定的承壓性。

基坑開挖、基礎處理之前,在廠房的臨河側、上游側和下游側均作了高壓旋噴圍堰防滲墻,圍堰防滲基本達到了設計要求的滲透系數在10-4～10-5量級間的微—弱透水,防滲效果比較理想,滲水量較小,廠區的水源補給主要來自后坡側向徑流補給(由于正值旱季,所以基本無雨水補給)。后坡側向徑流的補給量可用如下公式[2-3]進行計算:

Q=KIBC

(1)

式中:Q為徑流補給水量;K為含水層滲透系數;I為水力坡度;B為過水斷面寬度;C為含水層的厚度。

水力坡度I=S/R

(2)

式中:I為水力坡度;S為水位降深;R為含水層影響半徑。

(3)

式中:R為含水層影響半徑;S為水位降深;K為含水層滲透系數。

將滲透系數K=9.331 2 m/d(取第Ⅰ層滲透系數大值)、斷面寬度B=100 m、含水層平均厚度C=15.13 m、水位降深S=5 m等參數代入上述三個公式，計算得：影響半徑R=152.74 m;水力坡度I=0.112;后緣側向補給量Q后側=1 314.97 m3/d。

實測從基坑的涌水量Q=1 600 m3/d。以此推斷臨河側、上游側和下游側有一定的滲透量,但是補給量很小。所以,水源主要來自后緣山體的側向徑流補給,防滲墻的補給量為285.03 m3/d。

2.2　聯合作業技術方案

為保證高噴平臺以下為靜水,提出以下三種方案：①方案一。回填土方、抬高施工平臺高程的回填方案;②方案二。基坑內或坑外打抽水孔(井)的降水方案;③方案三。基坑內集水明排的降水措施與回填土方、抬高施工平臺高程聯合作業方案。

采取回填方案,回填高度至少要5 m高,施工完成后還要開挖,工程造價相對要高一些,施工難度較大。

采取降水方案,降水深度S至少為5 m,同時涉及到工期、材料以及降水方案的設計問題,工期受到一定限制。

通過工程造價、工期以及施工難度等方面的綜合考慮,最終采取了方案三打排水降壓孔和回填土方聯合作業的方式。經過施工,完成10排水降壓孔后,水位已經降落3～2 310.5 m高程,排水降壓效果比較明顯,從施工場地、材料等方面考慮,最終決定回填2 m高土方抬高高噴平臺高程。

3　聯合技術方案實施

(1)降水在一區施工平臺范圍5 m外上游側,方向是尾水渠的順流方向,用挖機開挖出一個寬7 m、長15 m低于施工平臺2.5 m深的集水槽(設計施工平臺高程2 308.5 m,水槽底部高程2 306 m),集水槽靠近主廠房位置高程2 306 m鉆6個降壓排水孔,8- 7孔外側高程2 306 m鉆4個降排水孔,每個降排水孔深22.5 m,成孔后孔內放置PVC管把水引到孔外。且在尾水擋墻及主機間旋噴施工平臺原設計高程2 308.5基礎上墊高施工平臺2 m,來降低水的壓力。布置圖見圖2。

圖2　降排水施工平面布置圖

(2)排水靠尾水齒槽處設集水坑,用相配套大功率的水泵把集水坑的水排至河中。此工程的施工平臺是砂層,在排水過程中經常出現集水坑中水泵被砂淤滿的現象。為了解決此問題,結合實際情況,用鋼管做水泵架子,架子四周固定四個浮筒把水泵懸空于水坑中。

4　高壓旋噴樁效果分析評價

4.1　高壓旋噴樁樁身完整性檢測

采用低應變反射波法對高壓旋噴樁完整性進行檢測,反射波法可用于無損檢測樁身的完整性,判斷缺陷類型及缺陷在樁身的位置和校對樁長,從場地9根高壓旋噴樁的低應變檢測結果看,樁身完整的6根,其樁類別均為Ⅰ類樁,樁身存在缺陷的樁2根,其樁類別均為Ⅱ類樁。1根斷裂,其樁類別均為Ⅳ類樁。從9根高壓旋噴樁的低應變檢測結果看,樁身完整的樁占檢測總樁數的67%,存在缺陷與斷樁占總檢測樁數的33%。

4.2　地基變形模量(E0)、壓縮模量(Es)及地基豎向承載力

由于場地地下水豐富,后將旋噴樁上部截去,開挖3.0 m,用級配碎石進行換填。從場地3個點的靜載荷試驗結果曲線上得出,該場地換填層的變形模量為34.7～37.9 MPa,壓縮模量為46.7～51.0 MPa;該換填層單點的承載力特征值均為525(kPa),因而所作換填砂卵石層單點承載力特征值滿足設計要求(設計壓縮模量≥30 MPa;地基承載力設計值≥0.5 MPa)。

5　結論

總之,從經濟技術及施工工期的角度,基坑內打排水降壓孔與回填土方聯合作業對保證高噴灌漿的靜水環境是一行之有效的技術措施,成樁質量基本達到了設計要求。目前,該水電站廠房已經運行發電2年,運行狀態良好,所以,該技術處理方案可在類似工程中借鑒應用。

參考文獻：

[1]DL/T5200—2004，水電水利工程高壓噴射灌漿技術規范[S].

[2]王大純，等.水文地質學基礎[M].北京：地質出版社，2000：37-40.

[3]彭土標，袁建新，王惠明.水利發電工程地質手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2011：40-49.