調(diào)水隧洞廢棄石渣填筑圍堰防滲施工技術(shù)的應(yīng)用

郎秀艷

（遼陽(yáng)縣水務(wù)局 遼寧 遼陽(yáng) 111000）

1 引言

東北在建某大型調(diào)水隧洞工程取水口的位置設(shè)在當(dāng)?shù)厥澜缥幕z產(chǎn)地景區(qū)內(nèi)的大（1）型水庫(kù)岸邊的一沖溝內(nèi)，距沖溝溝口約180m，施工期需進(jìn)行施工導(dǎo)流。取水口附近原始地表均被天然森林覆蓋，植被良好，無(wú)裸露的土石料源供填筑施工導(dǎo)流圍堰所用。

取水口基坑底板高程為185m，處于該水庫(kù)庫(kù)底。其后連接地下電站廠房、進(jìn)水及尾水洞室群、多條施工支（或交通）洞及部分主洞等取水建筑物，需采取鉆爆法開(kāi)挖及其它工程措施將其一一建成。開(kāi)挖過(guò)程中勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄石渣，且需征用較大范圍的場(chǎng)地將其堆存并加以防護(hù)。

為保護(hù)工程所在區(qū)域的景區(qū)生態(tài)環(huán)境，減少資源浪費(fèi)，節(jié)約工程投資，在滿(mǎn)足施工期需要的前提下，需合理?yè)駜?yōu)選擇取水口導(dǎo)流布置方案。

2 優(yōu)選取水口導(dǎo)流布置方案

根據(jù)取水口地形條件，在取水建筑物施工期間，分別有圍堰、預(yù)留巖坎和預(yù)留巖坎+圍堰等三種施工導(dǎo)流布置方案可供選擇：

（1）圍堰方案。經(jīng)計(jì)算，需石方填筑量500多萬(wàn)m3，取水口附近植被良好，無(wú)裸露的、足夠的土石方可供填筑。

（2）預(yù)留巖坎方案。不需修筑圍堰，但取水口基坑的巖石開(kāi)挖工程量大，后期水下巖坎開(kāi)挖量也較大，工程投資較高。

（3）混合方案。施工工藝較為復(fù)雜，需在基坑開(kāi)挖前填筑水下及水上圍堰，并采取合理的施工技術(shù)進(jìn)行圍堰防滲處理。但取水口基坑開(kāi)挖工程量將顯著減少，后期水下巖坎開(kāi)挖量也少，且取水口基坑和臨近取水建筑物開(kāi)挖的廢棄石渣量足夠填筑，工程投資較少，周邊生態(tài)環(huán)境基本不受破壞。

經(jīng)綜合對(duì)比和論證，擇優(yōu)選擇了混合方案（預(yù)留巖坎+圍堰導(dǎo)流方案）。

3 圍堰填筑

圍堰長(zhǎng)81.70m，堰頂高程207.6m，頂寬為6.0m，最大堰高31.6m（軸線處），上游邊坡1∶1.5，下游邊坡1∶1.75。圍堰防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，對(duì)應(yīng)庫(kù)水位204.0m。圍堰堰體灌漿斷面形式見(jiàn)圖1。

堰體填筑分兩期進(jìn)行，其中一期填筑至高程204.0m時(shí)進(jìn)行防滲處理。開(kāi)始填筑時(shí)對(duì)應(yīng)的庫(kù)水位為196.0m，此高程以下至巖坎頂高程176.0m（即水深20m）間均為水下填筑。填筑材料為臨近取水建筑物和取水口基坑開(kāi)挖的部分廢棄石渣料。

水下填筑時(shí)，采用裝載機(jī)和挖掘機(jī)將填筑料推平并碾壓形成穩(wěn)定的堤頭后，自卸汽車(chē)直接卸料拋投，自然堆積、逐步進(jìn)占而成。

水上填筑時(shí)，采用自卸汽車(chē)分層卸料，裝載機(jī)和挖掘機(jī)分層攤鋪平整，振動(dòng)碾分層碾壓4～6遍至密實(shí)狀態(tài)。棄渣料分層厚度按0.6m控制，壓實(shí)后孔隙率按不大于25%控制。

4 圍堰防滲施工技術(shù)

4.1 防滲施工技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)堰體填筑的棄渣塊徑大小不一、架空結(jié)構(gòu)多、空隙率大等特點(diǎn)，選擇了膏狀漿液灌漿（以下簡(jiǎn)稱(chēng)膏漿）與水泥漿液帷幕灌漿（以下簡(jiǎn)稱(chēng)帷幕）相結(jié)合的防滲處理技術(shù)。膏漿孔布置在防滲區(qū)域內(nèi)的外環(huán)處，上游排與下游排間距為3.5m，孔距為1.0m；帷幕孔布置在防滲區(qū)域內(nèi)的內(nèi)環(huán)處，排距為1.0m，孔距為2.0m。灌漿孔按照梅花型布置，膏漿、帷幕灌漿孔具體布置見(jiàn)圖2。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，需對(duì)膏漿灌漿控制流動(dòng)擴(kuò)散度，使其在有效范圍內(nèi)填充空隙，形成封閉外環(huán)墻。在外環(huán)處進(jìn)行帷幕灌漿，控制漿液不外漏出外環(huán)墻，形成一道有效的連續(xù)防滲墻，達(dá)到既防滲又不浪費(fèi)漿液的目的。

圖1 圍堰堰體灌漿斷面形式圖

圖2 堰體灌漿孔位布置圖

表1 膏漿配合比表

4.2 防滲處理施工流程

先施工膏漿下游排，再施工膏漿上游排；然后先施工帷幕下游排，再施工帷幕上游排。各分兩序施工，先施灌I序孔，再施灌II序孔。

4.3 膏漿灌漿

4.3.1 選定膏漿灌漿參數(shù)

為有效控制漿液的流動(dòng)擴(kuò)散度，在膏漿漿液中摻入一定比例的溶于水且塑化效果較好的偏鋁酸鈉溶液。經(jīng)試驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)類(lèi)似條件試驗(yàn)，最終選定膏漿灌漿壓力采用0.6Mpa、水灰比控制在1∶1.11范圍內(nèi)的單級(jí)漿液，漿液配比參數(shù)見(jiàn)表1。

4.3.2 分段方式

基巖部分深入完整基巖1.0m～1.5m為一段，堰體部分采用1.5m/段。

4.3.3 鉆孔

采用KLEMM全液壓履帶式鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)的方式。從開(kāi)孔一直跟管鉆進(jìn)到圍堰堰體與基巖結(jié)合面以下的完整基巖1.0m～1.5m處。

4.4.4 膏漿灌漿

采用套管跟進(jìn)、自下而上、單級(jí)漿液、純壓式分段灌漿。利用水壓塞按照1.5m/段方式控制灌漿段長(zhǎng)，直至堰體頂面。

每段膏漿灌漿在達(dá)到規(guī)定壓力下，當(dāng)注入率不大于1L/min，延續(xù)穩(wěn)定灌注10min后，灌漿即可結(jié)束。所有灌漿孔在灌漿結(jié)束后，均采用水灰比為0.5∶1的純水泥漿液置換孔內(nèi)稀漿或積水，進(jìn)行封孔。

4.4 帷幕灌漿

4.4.1 選定帷幕灌漿參數(shù)

經(jīng)試驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)類(lèi)似條件試驗(yàn)，選定Ⅰ序孔采用水泥粉煤灰漿液灌注，水灰比采用0.6∶1，灌漿壓力0.8MPa；Π序孔采用純水泥漿液灌注，水灰比采用1∶1和0.6∶1兩種漿液，灌漿壓力0.6MPa。

4.4.2 分段方式

基巖部分深入不透水層以下5m，堰體部分采用4.5m/段。

4.4.3 鉆孔

參照膏漿灌漿的鉆孔方式。

4.4.4 沖洗

考慮堰體材料特點(diǎn)，沖洗會(huì)造成空隙增大以及鉆孔掉塊和塌孔，不利于帷幕灌漿，故不進(jìn)行鉆孔沖洗。

4.4.5 壓水試驗(yàn)

采用簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)法。在確定不透水層后鉆孔深入基巖5m，采用兩個(gè)不透水層底線相連的方法確定相臨孔的孔深。壓水試驗(yàn)的壓力采用帷幕灌漿壓力的80%。

4.4.6 帷幕灌漿

按照4.5m/段自下而上、分序進(jìn)行。Ⅰ序孔采用單級(jí)漿液。Π序孔采用兩級(jí)漿液，變漿要求為：當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少或當(dāng)注入率不變而壓力持續(xù)升高時(shí)，采用1∶1水灰比；當(dāng)1∶1比級(jí)漿液的注入量已達(dá)300L以上或灌注時(shí)間已達(dá)30min，而灌漿壓力和注入率均無(wú)改變或改變不顯著時(shí)，或當(dāng)注入率大于30L/min時(shí)，改為0.6∶1比級(jí)的漿液，其它相關(guān)參數(shù)參照膏漿灌漿。

4.5 防滲處理效果

4.5.1 水泥注入量

膏漿灌漿和圍堰帷幕共計(jì)完成灌漿孔278孔。其中：膏漿灌漿兩排計(jì)184孔，鉆孔3416.5m，灌入水泥量4635.49t。Ⅰ序孔灌漿1090段，平均單耗1738.17kg/m；Ⅱ序孔灌漿1080段，平均單耗975.75kg/m。帷幕灌漿兩排計(jì)94孔，鉆孔2687m，灌入水泥量556.74t。Ⅰ序孔灌漿335段，平均單耗232.97kg/m，；Ⅱ序孔灌漿316段，平均單耗179.78kg/m。

該數(shù)據(jù)表明，II序孔單耗小于I序孔單耗，帷幕灌漿單耗小于膏漿單耗，灌漿效果顯著。膏漿施工完成后，不但在外環(huán)可以形成膏漿封閉墻體，并且對(duì)于內(nèi)環(huán)的帷幕灌漿又能起到保護(hù)和減小灌漿量的作用。

4.5.2 檢查孔取芯和壓水試驗(yàn)

采取鉆取芯樣和壓水試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行檢查（設(shè)計(jì)防滲體透水率指標(biāo)為≯7Lu）。共完成檢查孔28孔，鉆孔取芯972.5m，單孔單點(diǎn)分段法壓水試驗(yàn)135段。

（1）芯樣情況分析。芯樣獲取率在26%～57%之間。由于堰體是由廢棄石渣填筑而成，不同層段由空腔、碎渣、碎塊、泥沙交替構(gòu)成。漿液在灌注過(guò)程中，容易形成集中的腔體塊狀或包含著碎渣、碎塊、泥沙等層狀結(jié)構(gòu)。盡管灌漿后有很好的防滲效果，但由于鉆孔取芯過(guò)程中的擾動(dòng)，加上漿液形成的結(jié)石軟硬程度不同，在冷卻水沖擊和鉆頭磨損的共同作用下，造成巖芯多呈柱狀、短柱狀和碎塊狀。在圍堰空腔體處可以取出長(zhǎng)柱形水泥結(jié)石和水泥灌注體，但整體取芯率偏低，巖芯不連續(xù)，其中最長(zhǎng)為0.7m。

灌注漿液能夠與不同填筑料形成結(jié)石，證明了在堰體空腔部位膏漿可以保證充填。在堰體與下部沉積體和基巖接觸部位取出的短柱狀膏漿結(jié)石密實(shí)，證明了堰體與基巖結(jié)合部位充填效果良好。同時(shí)將取出的水泥結(jié)石體和含有水泥結(jié)石的芯樣進(jìn)行了抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到10MPa，證明防滲體具有一定的抗壓強(qiáng)度。

通過(guò)取芯樣情況分析，漿液擴(kuò)散半徑是可以達(dá)到預(yù)期目的，兩孔之間的區(qū)域漿液充填效果明顯，可以保證膏漿墻體和整個(gè)防滲體的厚度。

（2）檢查孔情況分析。透水率在3.17 Lu～5.37Lu之間，小于7Lu。從壓水試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，通過(guò)施工外環(huán)膏漿、內(nèi)環(huán)帷幕灌漿，圍堰可以達(dá)到要求的防滲效果，在堰體與基巖接觸面也能滿(mǎn)足防滲要求，基本達(dá)到預(yù)期的防滲效果。

4.5.3 聲波透射測(cè)試

隨機(jī)選擇兩個(gè)壓水試驗(yàn)孔用RS-ST01C數(shù)字超聲儀（包括雙孔換能器）采取跨孔方法進(jìn)行了聲波透射法測(cè)試，共測(cè)試深度47m，自動(dòng)連續(xù)采集數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)試后自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)顯示，在孔深47m～34.8m（此段為巖層）間的聲波波速在4.57km/s～4.01km/s之間，在孔深34.8m～0.0m（此段為堰體填筑層）間的聲波波速在2.76km/s～1.86km/s之間。

數(shù)據(jù)表明，在兩種巖性的防滲墻均為連續(xù)墻，無(wú)斷裂等異常現(xiàn)象，完整性良好。

5 結(jié)論

采用膏狀漿液灌漿結(jié)合水泥漿液帷幕灌漿，堰體內(nèi)空腔得到了有效填充，堰體防滲及穩(wěn)定性能良好，汛期安全度過(guò)。充分證明：

（1）普通水泥漿液中摻入膨潤(rùn)土、偏鋁酸納等摻和料而形成的低水灰比膏狀漿液，在堰體兩側(cè)的水位變化、可能存在一定動(dòng)水的情況下，灌注膏漿仍可以達(dá)到規(guī)定的壓力。說(shuō)明其漿液的初始剪切屈服強(qiáng)度值可以克服其本身重力影響，抗水流沖蝕性能和自堆積性能較好，采用膏漿灌漿處理架空結(jié)構(gòu)堰體的防滲施工技術(shù)是可行的。

（2）水泥膏漿是典型的賓漢流體，用膏漿灌漿時(shí)會(huì)形成明顯的擴(kuò)散前沿，在擴(kuò)散前沿水泥凝固以后，膏漿就形成堅(jiān)固而密實(shí)的結(jié)石體，達(dá)到灌漿范圍可控、節(jié)約灌漿材料的目的。

（3）在一定壓力下進(jìn)行的膏漿灌漿，可以起到擠密、分割填筑層的效果，提高填筑層的防滲性及整體性。但膏漿的擴(kuò)散半徑有限，對(duì)于微滲漏通道可灌性差，必須通過(guò)內(nèi)環(huán)的帷幕灌漿進(jìn)行填充，才能達(dá)到更好的防滲效果。

（4）在采用廢棄石渣填筑圍堰的防滲施工技術(shù)中，選用膏狀漿液灌漿結(jié)合水泥漿液帷幕灌漿的方法無(wú)先例可循。經(jīng)從灌漿孔布置、材料選擇、設(shè)備選型和工藝方法的選擇等方面深入研究和實(shí)施，最終順利完成架空結(jié)構(gòu)圍堰防滲體施工，保證了施工期安全，減少了資源浪費(fèi)，節(jié)約了工程投資，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，為其他類(lèi)似工程提供了成功的范例、寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和較好的科學(xué)依據(jù)，具有一定的推廣價(jià)值。陜西水利