化學泥漿鉆抓成槽施工技術在亞曼蘇水電站防滲墻中的應用

高 強， 王 勇， 魏 玉 麟

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

化學泥漿鉆抓成槽施工技術在亞曼蘇水電站防滲墻中的應用

高 強， 王 勇， 魏 玉 麟

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

結合新疆亞曼蘇水電站廠房防滲墻工程實例，采用實驗室及現場試驗的方式，對膨潤土及化學泥漿在護壁機理、關鍵性能指標、使用方法等進行了深入的研究對比，提出了在砂卵礫石地層以化學泥漿護壁、液壓抓斗配合旋挖鉆機的“鉆抓法”成槽的懸掛式防滲墻施工工藝。該工藝很好地解決了膨潤土泥漿護壁存在的泥漿制備繁瑣、穩定性差、回收率低且難度大、廢漿多、處理成本高，孔底沉渣多、施工質量較難保證等難題，可為類似工程提供一定參考。

懸掛式防滲墻；砂卵礫石層；化學泥漿；鉆抓法；亞曼蘇水電站

1 工程概況

亞曼蘇水電站工程位于托什干河流域，采用引水式開發，裝機容量為24.4萬kW。電站廠房以懸掛式混凝土防滲墻為防滲體系，兼做永久擋土墻結構。防滲墻施工軸線長度為495.65 m，設計墻深52 m，設計墻厚0.5 m，墻體材料采用C25W8F100混凝土。

該工程防滲墻地質條件主要以第四系堆積物砂巖及灰巖為主，自上而下分別為卵石和低液限粘土。地層結構密實，其中少量中密、細顆粒充填物以中粗砂及粉土為主，或含有少量漂礫。

卵石粒徑為6～15 cm，約占地層的5%～10%。礫石粒徑為3～5 cm，約占地層的65%～70%。卵、礫石層滲透系數為1.34×10-2～7.35×10-3cm/s。地下水豐富且為承壓水，對護壁泥漿要求很高。因此，在施工過程中保證泥漿的比重、粘度、懸浮攜渣等指標尤為重要。

2 技術方案的選擇

2.1 施工工藝

根據設計地勘資料、當地施工環境及工期安排，結合我部已有的施工經驗，防滲墻采用 “三鉆兩抓”法成槽，“接頭管法”施工搭接部位，“直升導管法”澆筑混凝土等工藝。

2.2 施工難點

防滲墻施工深度為52 m，主要穿越砂卵礫石地層，由于施工現場復雜的水文地質條件，低液限粘土層存在含水量較低時就液化、導致地層強度降低甚至失穩的情況，成槽難度大，澆筑質量難以保證。

2.3 解決思路及技術路線

(1)根據設計地勘資料確定“最危險地層”；

(2)對“最危險地層”進行泥漿試驗，確定最優泥漿配合比；

(3)在施工現場進行泥漿試驗，檢驗并優化泥漿配合比，確定最合理、最經濟的配合比。

2.3.1 確定施工“最危險地層”

防滲墻施工穿越的第四系上更新統沖洪積地層為二元結構，其中卵石層因結構疏松、卵石間空隙較大、地層穩定性較差，不能形成質量好的泥皮，容易導致泥漿漏失。另外，低液限粘土層在較低含水量時即液化，導致地層強度降低甚至失穩。因此，確定上更新統沖洪積地層為“最危險地層”。

2.3.2 確定最優泥漿配合比

為解決防滲墻施工過程中可能出現的塌孔、沉渣厚度大等問題，所確定的泥漿主要性能參數見表1。

2.3.2.1 試驗材料的選擇

泥漿試驗的材料包括清水、化學泥漿、膨潤土、純堿(Na2CO3)以及羧甲基纖維素(CMC)。清水作為溶劑；膨潤土作為主要的固相物質，是形成泥漿的主要材料，可以提高泥漿的造漿率和比重；純堿主要是為泥漿提供Na+，可以提高泥漿的粘度，調整泥漿的pH值等；羧甲基纖維素(CMC)可以充分增加泥漿的粘度，降低濾失量，提高泥餅的質量，還具有較好的抗鹽能力；化學泥漿是形成泥漿的主要材料。

表1 泥漿主要性能參數表

2.3.2.2 泥漿護壁的機理

(1)膨潤土泥漿。

泥漿具有一定的比重，同時在槽壁形成一層透水性很低的泥皮，泥漿會對槽壁產生一定的靜水壓力，該壓力有效地作用在槽壁上，能防止槽壁剝落。

(2)化學泥漿。

化學泥漿是一種高分子聚合物，其護壁的機理主要依靠特有的粘性和滲透性。它能把沙粒粘為一體，并向外滲透10～15 cm，形成類似“不凝固混凝土”狀的滲透層，從而起到護壁作用。

2.3.2.3 膨潤土試驗

泥漿的主要性能指標包括比重、馬氏漏斗粘度、六速旋轉粘度、失水量、泥皮厚度、pH值以及含砂量等。本次試驗采用正交試驗法，試驗結論為：

(1)根據泥漿基漿性能試驗，基于純堿(Na2CO3)是改變基漿粘度的主要因素，試驗過程發現：無論膨潤土加量為多少，基漿的粘度、泥皮厚度等性能均達不到要求，需加入羧甲基纖維素(CMC)改善泥漿性能。

(2)泥漿配漿材料在基漿的基礎上加入羧甲基纖維素(CMC)，經過試驗確定：泥漿最優配比為a2b2c3，即膨潤土100 g，純堿(Na2CO3)4.4 g，羧甲基纖維素(CMC)1.5 g。

2.3.2.4 化學泥漿試驗

采用控制變量法進行化學泥漿對比試驗，確定各種因素對泥漿性能的影響。

通過對比得知：使用NaOH調整pH可以明顯減少化學泥漿粉的摻入量，且對化學泥漿粉的溶解有影響；化學泥漿拌制后45 min內粘度達到峰值且8 h內無明顯變化，性能穩定；化學泥漿在2 h左右渣土沉淀完全，沉淀呈絮凝狀，泥漿清凈。

增加化學泥漿粉及NaOH用量可以提高泥漿粘度，同時在一定時間范圍內泥漿粘度呈遞增趨勢。暫定化學泥漿配合比為化學泥漿粉∶水∶火堿=6∶10 000∶3。

2.3.3 現場試驗

2.3.3.1 試驗過程

膨潤土泥漿在“鉆抓法”成槽護壁施工中已經得到了大量的應用，工藝成熟，故本次現場試驗僅采用化學泥漿進行?，F場選擇53#、54#兩個槽段進行試驗，單個槽段長6.2 m，由三個主孔、兩個副孔組成。采取“三鉆兩抓”法成槽，即主孔用旋挖鉆機鉆取，副孔用液壓抓斗抓取。槽段搭接部位采用“接頭管”法處理，下設兩趟φ250的導管澆筑混凝土?，F場試驗共完成成槽322.4 m2，理論澆筑方量為260.4 m3，實際澆筑方量為270.8 m3，擴孔系數為1.04。

2.3.3.2 試驗結果分析

(1)通過對聲波檢測結果進行分析，試驗槽段孔型、孔斜、孔深、孔底沉渣等完全符合設計指標?；瘜W泥漿的絮凝作用使成槽后沉渣極少，漿液的含沙率幾乎為零。試驗過程中發現：在成槽及混凝土澆筑施工過程中，從槽孔內抽回泥漿沉淀池的化學泥漿成份潔凈，渣土或細砂含量極少。

(2)化學泥漿造漿率高，制備工藝簡單，設備及人員投入量少。根據現場實際耗量統計：1 kg化學泥漿粉平均可制漿約1.5～2.5 m3。本工程所用化學泥漿為粉末狀、速溶型材料，在使用中只需1～2人便可輕松完成泥漿制備，5 min即可形成很好的護壁漿液，較傳統的膨潤土泥漿而言，不需要高速制漿機等制漿設備，也不需要長時間的膨化等待過程，化學泥漿施工效率更高。

(3)現場回收的化學泥漿只需簡單加入極少量的化學泥漿粉和NaOH、調整pH后即可滿足泥漿性能要求標準，不需要增加其它凈化設備，回收利用率高。

(4)化學泥漿性能穩定，不易沉淀。試驗槽段清孔驗收后，緊接著下設接頭管和澆筑導管，一期槽澆筑的準備時間通常需要3～4 h，二期槽澆筑的準備時間通常需要4.5～6 h。在此期間，泥漿中懸浮的渣土就會不斷下沉，導致孔底沉渣偏大，增加清孔次數并耗時。采用化學泥漿護壁能很好地解決該問題，且等待過程無需持續注入新鮮泥漿或風動攪拌循環。

(5)化學泥漿無毒、無污染。施工完畢，剩余泥漿的處理簡便。常使用5%的次氯酸鈉溶液(家用漂白劑)或3%的過氧化氫(家庭使用濃度)溶液即可將其分解成無毒的化學分子和水。

綜上所述：化學泥漿具有性能優異，穩定性佳，無毒、無污染，造漿率高，制備簡便，回收、再使用率高等優點。

3 化學泥漿的實際應用

亞曼蘇水電站廠房防滲墻施工最終采用化學泥漿配合“三鉆兩抓”法進行施工，目前該工程已完工，總計耗時95 d。累計完成槽段90幅，成墻20 000 m2，施工期間未出現質量缺陷。

4 所取得的社會經濟效益

本工程采用化學泥漿作為成槽施工護壁材料，在砂卵礫石地層防滲墻施工中獲得了成功，不僅體現在施工質量、工期方面，還體現在社會經濟效益方面。

4.1 經濟效益

(1)膨潤土泥漿。

①膨潤土泥漿材料成本。

a. 膨潤土泥漿用量=軸線長×槽孔寬度×成槽深度×擴孔系數×(1-回收率)

即膨潤土泥漿用量=495.65 m×0.5 m×52 m×1.1×(1-0.4)=8 505.4 m3。

b. 膨潤土用量。

膨潤土泥漿配合比為：100 kg/m3。

膨潤土用量=膨潤土泥漿配合比×泥漿用量=850.54(t)。

c. 膨潤土材料成本=850.54×1 000元(單價)=85.05(萬元)。

d.其它制漿材料成本：28.58萬元。

②設備成本。

膨潤土泥漿制備需投入高速制漿機兩臺，漿池用循環泵4臺，泥漿凈化設備1套，設備總價約20萬元。

③人工成本。

泥漿制備每個班組需2人，人工成本為：200元/工作日×2人×2×100天=8(萬元)。

膨潤土泥漿成本=材料成本+人工成本+設備成本=85.05 +28.58 +20 +8=141.63(萬元)。

(2)化學泥漿。

①化學泥漿材料成本。

化學泥漿用量=軸線長×槽孔寬度×成槽深度×擴孔系數×(1-回收率)

化學泥漿用量=495.65×0.5×52×1.05×(1-0.7)=4 059.37(m3)。

化學泥漿材料用量=化學泥漿用量÷造漿率=4 059.37÷1.5=2 706.25(kg)。

化學泥漿材料成本=2 706.25×18=4.87(萬元)。

②設備成本：制漿無需投入設備。

③人工成本：

泥漿制備每個班組需1人，人工成本為：200元/工作日×1人×2×100天=4(萬元)。

化學泥漿成本=材料成本+人工成本+設備成本=4.87 +0 +4=8.87(萬元)。

(3)經濟對比：膨潤土泥漿成本-化學泥漿成本=141.63-8.87=132.76(萬元)。

結論：本工程膨潤土泥漿成本遠高于化學泥漿成本，約為其16倍。

4.2 社會效益

采用膨潤土泥漿成槽施工現場廢棄泥漿量大，處理難度高，現場施工文明形象有待提高，同時需投入較多的制漿設備，且制漿材料耗量大，施工現場占地范圍較化學泥漿多。采用化學泥漿克服了上述缺限。

5 結 語

(1)化學泥漿配合“鉆抓法”工藝在新疆亞曼蘇水電站廠房防滲墻工程取得了成功，較傳統膨潤土泥漿具有經濟性佳、質量更可控的優點，在該項目施工中發揮了關鍵作用。

(2)化學泥漿作為新型成槽施工泥漿護壁材料，具有造漿率高、性能穩定、用量低、制漿簡單、回收利用率高、經濟環保等一系列優點，值得今后在類似工程中推廣應用。

(3)化學泥漿用于鉆劈法、銑削法、抓銑法等成槽工藝及其它地層中的效果有待于進一步研究。

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高 強(1985- )，男，重慶長壽人，工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

王 勇(1990- )，男，河南安陽人，助理工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

魏玉麟(1988- )，男，甘肅蘭州人，助理工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

2017- 04- 10

TV7;TV52;TV543

B

1001- 2184(2017)04- 0104- 03