粉細(xì)砂地層防滲帷幕綜合施工方法

丁躍軍

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng)550023)

1 工程概況

四川武都水庫(kù)工程是涪江上一座具有防洪、灌溉、發(fā)電、供水、旅游和水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用效益的龍頭水庫(kù)，總庫(kù)容5.72億m3，電站裝機(jī)容量為3×50 MW，樞紐主要建筑物有碾壓混凝土重力壩和壩后式廠房等。

右岸設(shè)置3層防滲帷幕灌漿平洞:底層(EL574 m灌漿平洞及EL574 m以下壩基廊道)、中層(右EL623 m灌漿平洞及EL574 m以上斜坡廊道)、頂層(EL660 m地表)。根據(jù)先導(dǎo)孔揭示，EL574 m灌漿平洞地層主要為淺灰色、灰白色白云質(zhì)灰?guī)r，發(fā)現(xiàn)大量充填性溶洞(腔)。

EL574 m灌漿平洞設(shè)計(jì)為2排帷幕灌漿孔，孔、排距分別為2、1.8 m，灌漿壓力為5 MPa。在樁號(hào)0+031.0～051.0(底洞)下游排帷幕灌漿施工過(guò)程中出現(xiàn)塌孔、孔口返細(xì)砂、涌水等現(xiàn)象，灌漿孔在砂層段不能成孔，無(wú)法形成帷幕。

為了查明砂層的詳細(xì)分布情況，在樁號(hào)0+30.0～54.0 m段的上游排帷幕線上布置5個(gè)鉆孔進(jìn)行鉆孔取心及大功率聲波CT探測(cè)。初步確定了粉細(xì)砂層分布位置為樁號(hào)0+31.4～52.5 m、高程EL502.7～513.1 m，砂層區(qū)視波速為2300～3100 m/s。

經(jīng)過(guò)參建四方專(zhuān)題討論，確定對(duì)該部位粉細(xì)砂層段防滲帷幕采用“高壓旋噴(新三管法)+濕磨細(xì)水泥灌漿+化學(xué)灌漿”組合處理方法。

2 工程難點(diǎn)和特點(diǎn)

(1)作業(yè)面位于洞內(nèi)，場(chǎng)面狹小，高壓旋噴設(shè)備需進(jìn)行改裝;

(2)該部位工程為有壓水頭下作業(yè)(蓄水位高程為EL592 m)，增加施工難度;

(3)高壓旋噴鉆孔孔距為0.67 m，因此精度要求高，要求孔斜率＜0.7%;

(4)本工程采用新工藝施工，高壓旋噴孔平均孔深達(dá)70多米，難度很大。

3 砂層處理施工

3．1 設(shè)計(jì)要求和孔位布置

樁號(hào)0+031.0～051.0(底洞)布置3排高壓旋噴孔，孔距0.67 m，排距0.6 m;濕式磨細(xì)水泥灌漿孔為2排，孔距0.67 m，排拒1.2 m，灌漿壓力5.0 MPa;化學(xué)灌漿孔為1排，孔距0.67 m，位于帷幕中心線上。處理高程范圍均按砂層上、下0.5 m控制。鉆孔布置見(jiàn)圖1。

圖1 砂層段灌孔布置圖

3．2 高壓旋噴施工

3．2．1 高壓旋噴鉆孔

采用降低了桅桿高度的CM351型潛孔鉆機(jī)開(kāi)孔，開(kāi)孔口徑為220 mm。鉆孔深度2.0 m后，下入219 mm孔口導(dǎo)向管(長(zhǎng)2.1 m)，孔口管外露10 cm，管外用水泥砂漿填塞密實(shí);然后以168 mm沖擊器加扶正器鉆至砂層頂板，后跟管鉆進(jìn)穿過(guò)砂層至基巖0.5 m。

3．2．2 噴射方法

高壓旋噴管下至砂層頂部，按氣、水、漿順序開(kāi)啟，待孔口返出水泥漿后，達(dá)到回漿標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)始按表1所示技術(shù)參數(shù)進(jìn)行高壓噴射灌漿。高壓旋噴灌漿自上而下，后自下而上往復(fù)噴射。噴漿過(guò)程中因拆卸噴射管而中斷時(shí)，重復(fù)高壓旋噴灌漿長(zhǎng)度≮0.5 m。噴漿中因機(jī)故中斷時(shí)，應(yīng)盡力縮短中斷時(shí)間，及早恢復(fù)灌漿，且續(xù)噴時(shí)應(yīng)復(fù)噴0.5 m以保證高壓旋噴體的連續(xù)性。如中斷時(shí)間＞2 h，掃孔后重新噴射。

3．2．3 高壓旋噴質(zhì)量檢查

通過(guò)高壓旋噴灌漿處理后，為評(píng)價(jià)處理效果，采用大功率聲波CT、單孔聲波、鉆孔全景數(shù)字成像綜合方法檢測(cè)，未做壓水試驗(yàn)。

大功率聲波CT檢測(cè)選擇在位于0+36.6 m和0+46.7 m的兩孔間進(jìn)行。單孔聲波和全景數(shù)字成像共測(cè)試6個(gè)孔。

高壓旋噴灌漿處理后，單孔聲波波速在1810～4710 m/s之間，大多數(shù)為2600～3860 m/s;大功率聲波CT視波速由2300～3100 m/s提高到3100～4200 m/s之間。大部分砂層區(qū)視波速較處理前明顯提高，多被純水泥置換或水泥與砂的混合體膠結(jié)良好;但局部砂層區(qū)視波速提高不明顯，還存在水泥與砂混合體膠結(jié)不密實(shí)和空腔現(xiàn)象。

表1 高壓旋噴施工技術(shù)參數(shù)表

3．3 石磨細(xì)水泥灌漿施工

3．3．1 砂層段石磨水泥灌漿施工

高壓旋噴灌漿施工后，檢測(cè)表明砂層段大部分已經(jīng)膠結(jié)，局部還存在水泥與砂膠結(jié)體不密實(shí)和空腔現(xiàn)象。因此，進(jìn)行了砂層段石磨水泥帷幕灌漿，施工工序?yàn)?鉆孔→洗孔→裂隙沖洗(簡(jiǎn)易壓水)→灌漿→下段鉆孔→……→封孔。

濕磨后的水泥顆粒粒徑標(biāo)準(zhǔn)，按D50≤10～12 μm、D97≤40 μm控制。用細(xì)度檢測(cè)儀檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)偏差時(shí)，及時(shí)調(diào)整細(xì)度調(diào)節(jié)盤(pán)及濕磨時(shí)間，保證水泥細(xì)度滿足要求。濕磨后的水泥漿液，時(shí)間超過(guò)2 h的漿液廢棄不用。

3．3．2 砂層段石磨水泥灌漿質(zhì)量檢查

水泥灌漿完成后，布置8個(gè)鉆孔進(jìn)行磨細(xì)水泥灌后檢測(cè)。檢測(cè)方法為鉆孔取心、壓水試驗(yàn)、單孔聲波、鉆孔全景數(shù)字成像綜合分析。

共壓水100段，透水率＞1 Lu的5段，最大值為5.14 Lu。樁號(hào) 0+35.0～47.0 m、高程 513.0～498.0 m區(qū)域砂層平均波速在2850～3730 m/s之間，大功率聲波CT視波速在3200～4400 m/s之間，局部(特別是砂層底部)還存在膠結(jié)較差的砂體和空腔。

3．4 化學(xué)灌漿

3．4．1 化學(xué)灌漿材料

考慮到水庫(kù)的引水功能，化學(xué)灌漿采用環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的改性水玻璃。

改性水玻璃漿液主材主要為水玻璃(濃度20波美度以上，模數(shù)3.1～3.6)、濃硫酸(濃度98%以上)、調(diào)節(jié)劑等，改性水玻璃的配制分為甲液和乙液，兩種漿液按比例混合而成。

甲液的主要成分為硫酸與水。先在攪拌桶里加水，然后按配合比將酸加入水中稀釋成要求的濃度(10% ～20%)，加入調(diào)節(jié)劑并均勻攪拌。乙液主要由水玻璃按配合比加水稀釋而成。甲、乙兩液配制好后，輸送至施工現(xiàn)場(chǎng)，再根據(jù)兩液比例混合、攪拌，測(cè)定pH值(要求pH值=4～6，根據(jù)凝膠時(shí)間調(diào)整)，專(zhuān)用灌漿泵灌入孔段內(nèi)。

3．4．2 化學(xué)灌漿施工

灌漿孔設(shè)計(jì):在帷幕中心線布置一排(30孔)化學(xué)灌漿孔，孔距0.67 m。鉆孔直徑75 mm，穿過(guò)砂層，進(jìn)入基巖2 m。

施工工序:鉆孔(洗孔)→管路安裝與試壓→配漿→灌漿直至結(jié)束拔起孔塞→待凝(2 h以上)→沖洗管路→鉆灌下一段→終孔(封孔)。

灌漿參數(shù):灌漿壓力2 MPa;灌漿段長(zhǎng)為1 m。在設(shè)計(jì)最大灌漿壓力下，注入率≤0.2 L/(min·m)后持續(xù)灌漿30 min或單位注入量達(dá)到3 m3/m結(jié)束。

采用自上而下分段卡氣壓膨脹塞進(jìn)行純壓式灌漿。灌漿膨脹塞卡至砂層頂部基巖部位，第一段灌漿結(jié)束后，灌漿塞位置不變，射漿尾管逐級(jí)下至灌漿段位置，尾管為花管。

漿液膠凝時(shí)間:根據(jù)簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)資料和灌漿泵的壓送能力，使在設(shè)計(jì)灌漿壓力下，漿液有充分的時(shí)間充填要求擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)的裂隙及孔隙，形成符合要求的防滲體，同時(shí)又不使?jié){液擴(kuò)散太遠(yuǎn)，造成浪費(fèi)。膠凝時(shí)間控制在40～120 min。

質(zhì)量控制要點(diǎn):控制漿液配制比例準(zhǔn)確，使膠凝時(shí)間可控;控制灌漿連續(xù)性和注入率，保證施工質(zhì)量和進(jìn)度，以及避免漿液擴(kuò)散過(guò)遠(yuǎn)造成浪費(fèi)。

3．4．3 化學(xué)灌漿質(zhì)量檢查

灌后在樁號(hào)0+43.0布置了一個(gè)檢查孔，采取鉆孔取心、壓水試驗(yàn)、單孔聲波、鉆孔全景數(shù)字成像等方法進(jìn)行檢查和評(píng)價(jià)。

共壓水14段，13段透水率q＜1 Lu，1段q=1.68 Lu。鉆孔取心和鉆孔全景數(shù)字成像揭示砂層經(jīng)高壓旋噴及磨細(xì)水泥灌漿后膠結(jié)較差、含水泥結(jié)石較少、遇水即散的砂體經(jīng)化學(xué)灌漿處理后，與化學(xué)灌漿材料形成可塑狀膠結(jié)體;透水率為5.14、3.18 Lu的區(qū)域通過(guò)化學(xué)灌漿處理后，降低至1.68 Lu，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程粉細(xì)砂層由于埋置較深，高壓旋噴、濕磨細(xì)水泥、化學(xué)灌漿鉆孔須采取有效防斜措施，孔底偏距除了符合規(guī)范要求外，方位角應(yīng)與帷幕線方向基本一致。

根據(jù)各項(xiàng)施工之后的檢測(cè)可以看出:單獨(dú)一項(xiàng)工序完成后，砂層段帷幕不能滿足設(shè)計(jì)防滲要求。高壓旋噴將水泥和細(xì)砂混合或置換，大部分區(qū)域形成具有一定強(qiáng)度的膠結(jié)體和水泥結(jié)石，個(gè)別區(qū)域仍未膠結(jié)，但能保證后續(xù)的濕磨細(xì)水泥灌漿順利成孔。濕磨細(xì)水泥灌漿進(jìn)一步對(duì)高壓旋噴未能膠結(jié)砂層和空腔進(jìn)行混合和充填，但從灌后壓水檢查來(lái)看，濕磨細(xì)水泥高壓灌漿可灌性仍不好，擴(kuò)散半徑仍較小。改性水玻璃由于是真溶液，可灌性大大提高。

隨著各項(xiàng)施工的完成，透水率逐漸減小，單孔聲波和大功率CT視波速明顯提高。這說(shuō)明了“高壓旋噴+濕磨水泥灌漿+化學(xué)灌漿”組合處理方法對(duì)粉細(xì)砂層的帷幕形成是有效、成功的。

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