抽水蓄能電站上水庫趾板灌漿工程施工技術

殷國權

(中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司,四川 成都 611130)

1 工程概況

1.1 項目概況

洛寧抽水上水庫大壩壩頂高程1 233.000m,壩頂上游防浪墻頂高程1 234.000m,最大壩高86m(沿趾板位置),壩頂長度718m,壩頂寬度10m。上水庫大壩趾板為漸變型布置,從下部基坑到壩頂灌漿平洞依次變窄,包括3個水平段和5個斜段,最大斜度25.252°。具體結構形式分析如下。

1)灌漿平洞及水平段 左岸灌漿平洞及水平段長38.7m,設計帷幕灌漿1排;左岸灌漿平洞及水平段長59.50m,設計帷幕灌漿1排,灌漿平洞凈高3m,凈寬2.5m。施工階段左岸灌漿平洞設置帷幕灌漿試驗區。

2)高程1 198.000m以上斜段,左岸(X1—X2)趾板有4.0m(寬)×0.6m(厚)和6.0m(寬)×0.6m(厚)兩種類型,斜坡坡度25.252°,設計固結灌漿1～2排,帷幕灌漿1排;右岸(X8—X9)趾板有4.0m(寬)×0.6m(厚)和6.0m(寬)×0.6m(厚)兩種類型,斜坡坡度23.604°,設計固結灌漿1～2排,帷幕灌漿1排。

3)高程1 198.000～1 147.000m斜段,左岸(X3—X4)趾板有6.0m(寬)×0.6m(厚)和8.0m(寬)×0.8m(厚)兩種類型,斜坡坡度19.643°,設計固結灌漿2～4排,帷幕灌漿1排;右岸(X6—X7)趾板有6.0m(寬)×0.6m厚和8.0m(寬)×0.8m厚兩種類型,斜坡坡度23.885°,設計固結灌漿2～4排,帷幕灌漿1排;右岸(X5—X6)趾板為8.0m(寬)×0.8m厚,斜坡坡度11.746°,設計固結灌漿4排,帷幕灌漿1～2排;施工階段斜段補充設置了固結灌漿試驗區。

4)水平段 高程1 147.000m壩基水平段,趾板為8.0m(寬)×0.8m(厚),設計固結灌漿4排,帷幕灌漿1～2排;施工階段平段設置了固結灌漿試驗區;高程1 198.000m水平段,趾板為6.0m(寬)×0.6m(厚),設計固結灌漿3排,帷幕灌漿1排。

上水庫基巖均為燕山晚期斑狀花崗巖,巖石致密堅硬,谷底河床、兩岸坡腳及緩坡地段分布第四系地層。庫區兩岸基巖大多裸露,地表呈全風化～中等風化;壩址左岸分水嶺一帶巖體風化較深,全至強風化巖體最大下限埋深23.2m。水庫區斷層及節理裂隙較發育,結構面以陡傾角為主,走向以NE,NNE為主。水庫區發育的主要斷層多條,均切穿分水嶺通向庫外。

1.2 施工難點分析

洛寧抽水上水庫大壩在施工中遇到多項施工難題,具體情況如下。

1)河床段壩基埋深較大斑狀花崗巖全至強風化巖體,經過挖除換填混凝土、固結灌漿、加密固結灌漿,無法達到巖體完整性的要求。

2)趾板最大斜坡坡度25.252°,淺孔固結灌漿和深孔帷幕灌漿施工采用的常規施工設備,均需采用鉆灌平臺輔助,鉆孔施工效率較低,安全隱患大。

3)為保護環境,項目首先提出灌漿污水內循環,達到“零排放”的標準,在傳統的灌漿行業里面,實現難度大,對臨時設施的布置提出了較高要求。

針對以上施工難題,進行了問題梳理、分析和技術攻關,通過多種灌漿方法結合、履帶式鉆孔設備改裝、臨建系統改進等技術手段逐項推動施工問題解決。

2 河床壩基斑狀花崗巖低波速帶揭示與處理

2.1 斑狀花崗巖低波速帶開挖階段揭示與處理

根據目前上水庫河床趾板基礎實際開挖揭露地質情況,在河床壩段X4—X5基礎范圍內發育有F35斷層及節理裂隙密集帶,受其影響,在壩左0+025.000—壩右0+005.000,寬約30m的范圍內,發育近似菱形狀的囊狀風化巖體,其產狀大致為35°～50°/SE∠75°～85°,帶內巖石大多呈強風化,局部為全風化,其間夾有少量中等風化巖體,勘探查明垂直深度10m左右(和后期固結灌漿階段揭示深度基本一致)。

趾板部位全～強風化層厚度大,無法完全開挖清除,故采用刻槽并回填混凝土塞對該區域趾板及其下游全～強風化帶進行封閉,混凝土塞厚度3m。在回填混凝土塞范圍內進行固結灌漿,灌漿孔深9m(基巖內),混凝土蓋厚3m,孔徑76mm,梅花形布置,間距2m×2m,共布置灌漿孔162個。固結灌漿孔深9.0m,分兩段,I序孔采用自上而下分段灌漿;II序孔采用全孔一次鉆孔,自下而上分段灌漿。灌漿壓力及分段如表1所示。

表1 固結灌漿分段與灌漿壓力Table 1 Consolidation grouting segmentation and grouting pressure gauge

灌漿處理效果分析：灌漿后布置質量檢查孔9個,灌后平均透水率0.32Lu,壓水質量全部合格。施工階段受到大壩填筑工序限制,未進行聲波和孔內電視檢查。在開挖階段雖然揭示了F35斷層及節理裂隙密集帶,但是對斑狀花崗巖全～強風化巖體低波速帶存在的完整性和防滲問題還有所欠缺。

2.2 斑狀花崗巖低波速帶固結灌漿處理過程及效果分析

河床壩基段壩左0+35.58—壩右0+03.00區域,長度38.58m,是F35斷層及節理裂隙密集帶的一部分,作為趾板區域,開挖階段也進行了回填混凝土塞處理,但未進行固結灌漿處理,待趾板澆筑完成后再實施。固結灌漿不良地質段試驗區選擇在該位置,布孔形式為梅花形布置,孔間距3m、排距1.5m。根據開挖階段揭示地質情況,設計將置換區趾板基礎固結灌漿深度加深至15m。灌漿壓力及分段如表2所示。

表2 固結灌漿分段與灌漿壓力Table 2 Consolidation grouting segmentation and grouting pressure gauge

上水庫趾板河床段壩左0+35.58—壩右0+03.00區域原設計固結灌漿灌后按照技術要求共布置壓水試驗檢查孔3個(9段)及物探檢測3個,其中壓水試驗J13段均不合格、J2-002不合格,物探檢測(9.4～12.6m低波速段無明顯提升)不合格。經總結,設計將主、副帷幕孔先進行固結灌漿,并提高各段灌漿壓力(考慮混凝土較厚)。灌后按照技術要求共布置壓水試驗檢查孔2個(6段)及物探檢測2個,其中壓水試驗孔全部合格,物探檢測(6.2～10.2m低波速段無明顯提升)不合格。低波速帶聲波曲線及孔內城呈相效果如圖1所示。

根據灌后質量檢查資料(壓水試驗及物探檢測)分析兩次灌漿不合格段均分布在壩左0+001.06—壩左0+015.06區域,該區域鉆孔時返砂、返黃泥現象突出。采用常規水泥灌注,在低壓力或高壓力下灌漿效果均不理想。考慮F35斷層位于上水庫基坑位置,蓄水后水頭壓力最大,灌漿質量對后期蓄水效果影響較大。

試驗段以常規灌漿方式難以滿足規范要求,經項目管理團隊研究,采用水泥-化學復合灌漿方式,最后結果達到目標。對上水庫F35斷層具體處理方法如下。

1)對不合格區域進行補強化學灌漿,補強灌漿范圍為不合格區域左右側各延伸5.0m(壩右0+003.94—壩左0+020.06),灌漿材料采用改性環氧樹脂化學材料。

2)對于已調整為固結灌漿孔的主、副帷幕灌漿孔,為保證灌漿質量,后期帷幕灌漿將在兩孔之間重新開孔進行帷幕灌漿。

2.3 斑狀花崗巖低波速帶化學灌漿處理過程及效果分析

對上水庫趾板基坑部位受F35斷層影響灌注水泥漿不合格的區域進行化學灌漿處理,處理范圍為壩右0+003.94—壩左0+020.06。灌漿孔采用梅花形布置,孔距2.0m,排距1.5m,孔深15.0m,與原灌漿孔錯開布置。灌漿壓力及分段如表3所示。

表3 固結灌漿分段與灌漿壓力Table 3 Consolidation grouting segmentation and grouting pressure gauge

化學灌漿采用改性環氧樹脂類化學材料,本工程采用YK-3H化學漿材,漿材的物理力學性能要求如下：外觀均勻無分層,密度1.13g/cm3,起始黏度9.0MPa·s,可操作時間330min,抗壓強度85MPa,抗拉強度20MPa,抗剪強度13MPa。

灌漿處理效果分析：灌漿后布置質量檢查孔3個,灌后平均透水率0.28Lu,壓水質量全部合格。

布置聲波檢測孔4個,平均波速提升12.08%,針對斑狀花崗巖低波速帶,波速提升率在34%～100%,提升效果極為明顯。綜合灌漿評價：斑狀花崗巖低波速帶經過水泥-化學復合灌漿,處理效果明顯,達到壩基巖石整體完整性和預期防滲漏的效果。

3 趾板斜段鉆孔灌漿機械化設計與應用

3.1 履帶式鉆機斜坡段固結灌漿鉆孔設計與應用

洛寧抽水上水庫大壩左右岸趾板面為斜面,擬采用JK-590履帶潛孔鉆進行趾板緩坡及平段固結灌漿孔鉆孔作業。JK590履帶式液壓鉆機鉆孔深度50m,鉆臂最大水平擺角左右各45°,最大爬坡能力30°。趾板最大斜度25.252°,在履帶鉆機可以爬坡能力范圍內,但是在斜坡面進行鉆孔作業時,履帶會脫離地面,存在較大的安全隱患。為了采用效率較高的履帶鉆機上坡作業,項目管理團隊設計了一套趾板斜坡段履帶鉆機作業安全運行裝置,具體如圖2所示。

圖2 趾板斜坡段履帶鉆機作業安全運行裝置Fig.2 Safety operation device of crawler drilling rig in toe slope section

首先采用10t卷揚機(雙鋼繩)輔助鉆機進行移動,鉆機就位后,采用2個9t手動葫蘆在鉆機后兩側焊接掛鉤對稱連接進行固定,為增強鉆機穩定性在鉆機前方焊接掛鉤采用φ18鋼絲繩連接進行固定。為避免履帶破壞結構混凝土面,實施前在履帶上安裝定制橡膠護墊,前進時均勻慢速行進,避免急停、急轉,橡膠護墊不定時檢查,有損害及時進行更換。

趾板斜坡段鉆機運行及固定施工技術解決了洛寧抽水上水庫大壩左右岸趾板固結灌漿鉆孔問題,采用JK-590履帶式潛孔鉆,在安全保護技術的輔助下,移動簡單,高風壓鉆孔效率高,單臺履帶式鉆機鉆孔工效100～120m/班,確保8 000多m固結灌漿工程安全、高效、保質完成。

3.2 槽鋼軌道式帷幕灌漿鉆孔平臺設計與應用

洛寧抽水上水庫大壩左右岸趾板面為斜面,且坡度均不同,為確保帷幕灌漿工程安全、快速、保質完成,設計采用槽鋼制作鉆灌臺車作為帷幕灌漿鉆孔灌漿主要工作平臺。臺車采用［14制作,地錨采用3φ25 錨筋束,臺車移位采用10t電動葫蘆(10t卷揚機)牽引,φ22鋼絲繩牽引,臺車操作平臺尺寸3.0m(長)×2.6m(寬)和3.0m(長)×2.2m(寬)兩種,共4個坡面不同臺車。

臺車底部置于軌道上,臺車運行到位后,采用“雙保險”(鎖定卡、φ22保險副繩)對臺車進行鎖定,φ22保險副繩固定于專用地錨上(3φ25錨筋束,錨入混凝土(基巖)內1.0m、外露0.20m),臺車鎖定時必須將副繩繃直,確保副繩處于受力狀態。臺車操作平臺及錨固提升系統如圖3所示。

圖3 鉆孔臺車操作平臺及錨固提升系統Fig.3 Drilling rig operation platform and anchor lifting system

提升系統檢算：鉆孔臺車采用10t電動葫蘆牽引移動,臺車運行期間承受的荷載主要為臺車自重、臺車上放置的鉆機、鉆桿以及腳手板和防護設施等。經過鋼絲繩強度校核、拉環強度校核、10t電動葫蘆額定提升力、錨筋錨固力及剪切強度檢算可知,在最大施工荷載下,提升系統各項檢算均能滿足規范要求。

臺車體系檢算：采用MIDAS/CIVIL建立了臺車體系整體模型,各桿件均采用空間梁單元模擬,由于臺車上面板為條木搭建,故計算時面板采用多條空間梁單元來模擬,面板與支撐體系間采用只受壓彈簧模擬,各桿件節點處均采用剛結點連接,臺車有限元模型如圖4所示。經過5cm厚木板強度、臺車桿件強度、剛度及穩定性、［14桿件強度及剛度,臺車受壓桿件穩定性模擬檢算,鉆機臺車在繩卡固定安裝好之后的施工階段,臺車結構各桿件強度、剛度、穩定性均能滿足規范要求。

圖4 臺車有限元計算模型Fig.4 Finite element calculation model of the vehicle

洛寧抽水上水庫大壩趾板斜坡段設計了4種不同規格的鉆孔灌漿作業平臺,創新采用槽鋼作為運行軌道,替代了水電站爬坡廊道使用的傳統鋼軌,槽鋼與趾板面貼合緊密,通過騎馬卡固定,臺車更加穩固,經過失穩模擬分析,安全系數更高。同時在洛寧抽水上水庫大壩趾板斜坡段帷幕灌漿施工中運行狀況良好。

4 灌漿工程“零排放”水循環系統設計與應用

洛寧抽水蓄能電站上水庫位于河南省洛陽市洛寧縣城東南的澗口鄉黃窯村上游的山溝內,山溝內常年流水,為下游村莊重要生活用水水源地。在招投標階段提出了灌漿工程污水“零排放”的環境保護目標,灌漿工程作為以水和水泥為主要介質的地基處理工程,來自鉆孔及沖洗、輸漿管路沖洗、灌漿管路沖洗、制漿設備沖洗、灌漿設備沖洗、工作面沖洗等的廢水量較多,實現“零排放”難度較大。為了解決該施工難題,項目管理團隊經過多種技術手段現場嘗試,最終總結并設計了灌漿工程“零排放”水循環系統,具體設計如圖5所示。

圖5 灌漿工程“零排放”水循環系統原理Fig.5 The “zero discharge”water circulation system for grouting engineering

4.1 灌漿工程施工用水規劃

灌漿工程施工用水來自兩個方面,一方面是已經建設完成的系統水,通過建設多級泵站直接從洛河內抽水至上水庫,管路長度約12km,高差600多m,設計6級泵站,單水價成功在6元/m3;另一方面是利用圍堰內的存水(包含雨水、基坑降水等),距離1km以內,高差100m以內,設計1級泵站,成本水價在1元/m3以內,但是水量有限(初步估算總水量在5 000m3左右)。施工中優先使用圍堰內存水,不足部分系統水補充。

1)施工用水計算 按照日完成鉆孔灌漿200m/d計算(包含固結灌漿、帷幕灌漿),單日鉆孔沖洗、壓水用水預計56m3,灌漿用水預計30m3(按照平均單耗100kg/m,水灰比1.5∶1計算),其他管路沖洗、文明施工等預計用水40m3,單日用水量合計為126m3。

2)施工用水布置 系統水主水管采用φ110mm鋼管,沿趾板通長布置,每間隔50m設置供水支管及節閥。高位水池設置在壩頂高程,采用防水板扣件式結構。抽水來自圍堰內澄清后的廢水。

4.2 灌漿工程施工廢水排放

灌漿工程施工廢水來自鉆孔及沖洗、設備及輸漿管路沖洗等多個方面,施工廢水：按照日完成鉆孔灌漿200m/d計算(包含固結灌漿、帷幕灌漿),單日鉆孔沖洗、壓水廢水預計28m3(按照施工用水50%計算),其他管路沖洗、文明施工等預計廢水36m3(按照施工用水90%計算),單日廢水量合計為64m3。

為了實現灌漿工程污水“零排放”的環保目標,項目管理團隊進過了多種技術手段現場嘗試,最終設計了灌漿工程“零排放”水循環系統。關鍵結構為循環式鋼結構排污系統,包括灌漿工作面集污坑、排污管路、N級鋼箱、抽排裝置、沉渣晾曬區、澄清池或圍堰內等。核心結構為N級鋼箱,包括鋼板箱體、鋼板繞流板、φ130連接管、上下檢查梯等,鋼結構箱體尺寸為長2.5m、寬2.5m、深1.8m。按照單日廢水量64m3計算(含渣8%～10%),系統實現廢水收集率100%,沉淀率100%,每日沉渣5～8t,處理后可回收水55m3,轉化率85%以上。

4.3 灌漿工程“零排放”水循環系統實施效果

灌漿工程“零排放”水循環系統中的灌漿結構循環式鋼結構排污系統加工、制造、安裝方便,可以隨著工作面變化隨時移動位置且成本適宜。灌漿工程“零排放”水循環系統結合抽水蓄能電站的特點,綜合了上水庫的施工條件和環境保護要求,經過沉淀系統處理后的回水經過澄清池后排放至圍堰內,重新抽至高位水池,高位水池配合系統水池進行系統供水。灌漿工程“零排放”水循環系統不僅可以大量節約水資源,同時環保效果良好。

5 結語

本文依托洛寧抽水蓄能電站施工遇到的若干問題,針對斑狀花崗巖低波速帶的特殊地質情況,提出了水泥-化學復合灌漿的處理方案,方案實施后處理效果明顯,達到壩基巖石整體完整性和預期防滲漏的效果。JK-590履帶式潛孔鉆采用“斜坡段鉆機運行及固定施工技術”保證了趾板面的鉆孔作業順利運行,配合槽鋼軌道式帷幕灌漿作業平臺,鉆孔效率也得到了提升,同時安全、質量、進度都能得到有效保證。灌漿工程“零排放”水循環系統的設計與應用,巧妙結合了上水庫施工特點,將灌漿工程污水進行大循環,實施過程中僅進行沉渣外運,實現了節約用水和環境保護的雙重目標。洛寧抽水蓄能電站形成的上水庫趾板灌漿工程施工關鍵技術對類似灌漿工程實施有較高的指導意義和參考價值。