梨園水電站進(jìn)水口冰水堆積體邊坡支護(hù)施工技術(shù)

廖文瀟，劉勇林，華天波，劉 英，李洪濤(. 四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 60065；. 中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，成都 6008)

1 工程概況

冰水堆積體是第四系堆積作用形成的地質(zhì)體，特別存在于金沙江中上游、瀾滄江、雅魯藏布江等河流兩岸，在大型水利水電工程建設(shè)中，經(jīng)常遇到大型的冰水堆積體邊坡[1]，大型堆積體的存在使邊坡穩(wěn)定、支護(hù)加固等問(wèn)題突出。與巖質(zhì)及土質(zhì)邊坡相比，構(gòu)成冰水堆積體的物質(zhì)成分變異性很大，且空間結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外針對(duì)冰水堆積體邊坡支護(hù)施工技術(shù)措施的研究較少，缺乏成熟的理論，沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和要求。以往工程實(shí)踐中，崗子上隧道口冰水堆積體邊坡采用抗滑樁及錨桿支護(hù)[2]，雙江口水電站冰水堆積體邊坡采用掛網(wǎng)噴錨支護(hù)方案[3]，溪洛渡水電站左岸谷肩堆積體邊坡坡面設(shè)框格梁及錨桿，并設(shè)置鋼管樁進(jìn)行支護(hù)[4]。

梨園水電站位于云南省麗江市玉龍縣與迪慶州香格里拉縣交界的金沙江干流上，電站總裝機(jī)容量2 400 MW，水庫(kù)總庫(kù)容7.27億m3。金沙江左岸壩址前的下咱日堆積體大致以下咱日溝為界將堆積體分為Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)區(qū)，梨園水電站進(jìn)水口位于Ⅱ區(qū)下游側(cè)邊緣部位，如圖1所示。進(jìn)水口正面邊坡最大開(kāi)挖高度達(dá)215 m，其中，一半的邊坡為冰水堆積體邊坡，堆積物厚度為18.10～118.97 m[5,6]。

進(jìn)水口邊坡堆積物主要由兩部分組成：一部分為河流成因的古河床堆積，主要分布于堆積體前部，組成物質(zhì)以卵礫石為主，局部夾砂或孤石，具成層性和韻律特征，較密實(shí)，其間有透鏡狀的粉土、砂土分布，分布不連續(xù)；另一部分為冰磧成因的堆積物，物質(zhì)組成主要為孤石、碎塊石夾粉土，偶夾卵礫石，結(jié)構(gòu)密實(shí)，表部具鈣泥質(zhì)膠結(jié)并形成硬殼。

圖1 下咱日冰水堆積體分布Fig.1 The distribution of Xiazanri outwash accumulation

2 邊坡支護(hù)加固方案

2.1 邊坡支護(hù)加固設(shè)計(jì)

堆積體邊坡支護(hù)加固設(shè)計(jì)與其他邊坡類似，從兩個(gè)方面考慮：一是減少滑坡體的下滑力或減弱甚至完全消除下滑因素，二是增加滑坡體的阻滑力或增加抗滑因素[7]。根據(jù)地質(zhì)情況及工程布置，梨園電站進(jìn)水口正面邊坡大部分堆積體會(huì)被挖除，開(kāi)挖坡面根據(jù)巖石表面形狀進(jìn)行調(diào)整，盡量減少巖石開(kāi)挖，邊坡分為4個(gè)區(qū)進(jìn)行支護(hù)，圖2為梨園水電站進(jìn)水口邊坡剖面支護(hù)分區(qū)，分區(qū)防護(hù)方式見(jiàn)表1，各區(qū)坡面均噴混凝土，設(shè)系統(tǒng)錨桿或錨筋樁，特殊情況設(shè)置隨機(jī)錨桿，馬道設(shè)錨筋樁和深排水孔，開(kāi)口線設(shè)鎖口錨筋樁，各個(gè)區(qū)域錨筋樁及錨桿間排距不同，視邊坡地質(zhì)情況而定。

圖2 進(jìn)水口邊坡支護(hù)分區(qū)(單位：m)Fig.2 The partitions of slope support in the intake

表1 進(jìn)水口邊坡支護(hù)方式Tab.1 The methods of slope support in the intake

2.2 邊坡支護(hù)施工存在問(wèn)題

針對(duì)冰水堆積體邊坡表層膠結(jié)體密實(shí)程度不一、厚度不均和表層硬殼下大面積分布的砂卵石膠結(jié)程度不同等特點(diǎn)，對(duì)進(jìn)水口冰水堆積體邊坡現(xiàn)場(chǎng)勘察，并開(kāi)展邊坡支護(hù)錨筋樁及錨筋造孔及注漿試驗(yàn)，圖3為冰水堆積體邊坡常規(guī)支護(hù)方法造孔及注漿效果圖。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析堆積體邊坡支護(hù)施工主要存在以下問(wèn)題：

(1)采用常規(guī)造孔工藝進(jìn)行錨桿及錨筋樁施工，塌孔、卡鉆等問(wèn)題十分嚴(yán)重，施工難度大；

(2)采用常規(guī)支護(hù)方法造孔成孔效率極其低下，錨筋樁成孔深度小于設(shè)計(jì)孔深，普通錨桿無(wú)法成孔，且注漿飽和度不滿足要求，施工質(zhì)量得不到保障。

圖3 常規(guī)支護(hù)方法造孔及注漿Fig.3 Grouting by general support method

為解決冰水堆積體邊坡支護(hù)施工過(guò)程中存在的難題，研究采用跟管鉆進(jìn)解決錨筋樁成孔難題；采用自進(jìn)式錨桿代替普通砂漿錨桿解決錨桿成孔難題，并采用研制花管式自進(jìn)錨桿解決注漿難題，如圖4所示。錨桿注漿擴(kuò)散孔錯(cuò)開(kāi)間隔呈梅花形布置，孔徑在4～6 mm，孔間距在50～80 cm，可在一定程度上防止孔口被堵后漿液擴(kuò)散不充分。

圖4 錨筋樁跟管鉆進(jìn)成孔和花管自進(jìn)式錨桿Fig.4 Anchor-stake drill with pipe and self-drilling perforated anchor

3 邊坡支護(hù)施工工藝試驗(yàn)

3.1 錨筋樁及錨桿造孔試驗(yàn)

分別對(duì)錨筋樁及自進(jìn)式錨桿進(jìn)行2組試驗(yàn)，錨筋樁采用跟管鉆進(jìn)方式，1組注漿采用“邊注漿邊拔管”無(wú)壓注漿方式，2組采用“先拔管后注漿”有壓注漿方式；錨桿為自進(jìn)式錨桿，YT28手風(fēng)鉆直接鉆進(jìn)，采用錨桿頭孔口有壓注漿方式，注漿完畢3天后，對(duì)試驗(yàn)錨筋樁及自進(jìn)式錨桿進(jìn)行了物探檢測(cè)及挖掘剖切，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，由表2中數(shù)據(jù)得到鉆孔長(zhǎng)度均滿足要求，說(shuō)明錨筋樁跟管鉆孔及自進(jìn)式錨桿均能滿足鉆孔要求，但第2組錨筋樁注漿飽和度不滿足要求，采用“邊注漿邊拔管”的無(wú)壓注漿方式可以解決此問(wèn)題。

表2 跟管錨筋樁及自進(jìn)式錨桿造孔試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The results of drilling test of anchor-stake with pipe and self-drilling anchor

3.2 跟管錨筋樁注漿試驗(yàn)

3.2.1對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)按兩種注漿配合比對(duì)EL.1 705 m邊坡開(kāi)口線和EL.1725開(kāi)口線(0+50～0+100)共4根錨筋樁(長(zhǎng)9 m)進(jìn)行注漿試驗(yàn)，采用“邊注漿邊拔管”的無(wú)壓注漿方式，記錄每根錨筋樁的注漿情況，3天后進(jìn)行物探檢測(cè)，檢查錨筋樁的注漿飽和度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，綜合水泥用量及注漿飽和度結(jié)果確定錨筋樁施工最佳注漿配合比為1∶1.2∶0.5。

表3 跟管錨筋樁注漿對(duì)比試驗(yàn)及物探檢測(cè)結(jié)果Tab.3 The results of grouting contrast test and geophysics exploration of anchor-stake with pipe

3.2.2生產(chǎn)試驗(yàn)

按對(duì)比試驗(yàn)確定的注漿配合比1∶1.2∶0.5對(duì)邊坡其他孔位錨筋樁(長(zhǎng)9 m)進(jìn)行注漿試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，物探檢測(cè)長(zhǎng)度滿足要求，注漿飽和度均在90%以上，質(zhì)量等級(jí)均為優(yōu)良，注漿方式和注漿配合比滿足生產(chǎn)要求，驗(yàn)證了跟管施工工藝在冰水堆積體錨筋樁造孔施工中的適應(yīng)性，并確定錨筋樁采用“邊注漿邊拔管”的注漿工藝，注漿工藝流程見(jiàn)圖5，“邊注漿邊拔管”注漿工藝使錨筋樁的注漿飽和度得到了充分保障，保證了施工質(zhì)量。

3.3 花管自進(jìn)式錨桿注漿試驗(yàn)

從表2可以看出，常規(guī)自進(jìn)式錨桿能滿足鉆孔深度要求，注漿后雖然僅端部有球狀漿體，但其能達(dá)到“鍥形錨桿”的作用，增加錨桿的抗拉拔能力，球狀漿體及錨桿尾部墊板及螺母同邊坡噴混凝土掛網(wǎng)一道，邊坡淺層巖體形成表層“硬殼”，能對(duì)邊坡起到較好的穩(wěn)定作用，但由于桿體無(wú)漿液包裹，無(wú)法保證注漿飽和度，錨桿的耐久性難以保證，受力狀態(tài)也不及合格的砂漿錨桿，因此，研究采用花管自進(jìn)式錨桿(圖4)解決此難題。花管自進(jìn)式錨桿的打入鉆進(jìn)施工方法同常規(guī)自進(jìn)式錨桿相同，由于桿體上進(jìn)行了開(kāi)孔，有利于漿液沿桿體全長(zhǎng)向四周擴(kuò)散，更加有利于桿體周圍裹漿。

表4 跟管錨筋樁注漿生產(chǎn)試驗(yàn)及物探檢測(cè)結(jié)果Tab.4 The results of grouting production test and geophysics exploration of anchor-stake with pipe

圖5 錨筋樁注漿工藝流程Fig.5 Grouting process of anchor-stake

3.3.1對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)按兩種注漿配合比對(duì)EL.1705～1685(0+50～0+100)及EL.1705～1685(0+100～0+150)邊坡錨桿(長(zhǎng)4.5 m，為花管自進(jìn)式)共計(jì)兩組進(jìn)行注漿試驗(yàn)，每組錨桿數(shù)量均為5根，采用有壓注漿方式，記錄每根錨桿的注漿情況，3天后進(jìn)行物探檢測(cè)，檢查錨桿的注漿飽和度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，綜合兩組錨桿注漿平均水泥用量、平均物探檢測(cè)長(zhǎng)度及注漿飽和度平均值結(jié)果確定錨桿施工最佳注漿配合比為1∶0.5。

表5 花管自進(jìn)式錨桿注漿對(duì)比試驗(yàn)及物探檢測(cè)結(jié)果Tab.5 The results of grouting contrast test and geophysics exploration of self-drilling perforated anchor

3.3.2生產(chǎn)試驗(yàn)

按對(duì)比試驗(yàn)確定的注漿配合比1∶0.5對(duì)EL.1705～EL.1685(0+50～0+100)其他4組花管自進(jìn)式錨桿(長(zhǎng)4.5 m)進(jìn)行注漿生產(chǎn)試驗(yàn)，注漿壓力為0.3～0.5 MPa，從表6可以看出，單根自進(jìn)式錨桿水泥用量最大值為175 kg，最小值為18 kg，試驗(yàn)錨桿全部返漿，注漿飽和度均大于90%，滿足質(zhì)量要求，花管自進(jìn)式錨桿能解決普通錨桿注漿不飽和的難題。

表6 花管自進(jìn)式錨桿注漿生產(chǎn)試驗(yàn)及物探檢測(cè)結(jié)果Tab.6 The results of grouting production test and geophysics exploration of self-drilling perforated anchor

在自進(jìn)式錨桿試驗(yàn)中，出現(xiàn)單根錨桿水泥耗量(注漿量)偏差較大，甚至部分單根水泥用量?jī)H為18 kg水泥耗量的現(xiàn)象，經(jīng)分析，是由于冰水堆積體內(nèi)隨著埋深不同，堆積物巖性變化較大，且分布不均勻，致密程度不同，堆積體及崩積層等產(chǎn)狀交錯(cuò)，當(dāng)自進(jìn)式錨桿恰處于冰水堆積體膠結(jié)程度較強(qiáng)，巖石分化程度較弱，結(jié)構(gòu)較致密的冰水堆積體中時(shí)，水泥漿液無(wú)法擴(kuò)散，從而導(dǎo)致注漿量較??；另一種情況，由于冰水堆積體內(nèi)分布有大量的粉細(xì)砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，而錨桿桿體注漿擴(kuò)散孔直徑僅為4 mm，錨桿鉆進(jìn)過(guò)程中很容易造成堵孔，使得漿液無(wú)法充分?jǐn)U散，從而出現(xiàn)注漿量較小的情況。

3.3.3應(yīng)用效果

觀察錨桿現(xiàn)場(chǎng)注漿情況，并對(duì)錨桿注漿部位的邊坡進(jìn)行剖切，圖6為花管自進(jìn)式錨桿注漿效果，從圖中可以看出，孔口返漿，注漿效果好，其桿體大部分被漿體包裹，能保證錨桿的耐久性和力學(xué)性能的發(fā)揮。

圖6 花管自進(jìn)式錨桿注漿效果Fig.6 Grouting effect of self-drilling perforated anchor

4 結(jié) 語(yǔ)

冰水堆積物構(gòu)成的邊坡，組成物質(zhì)為冰磧層和沖積的砂卵礫石層，以粗顆粒的卵礫石、碎塊石、孤石為主，邊坡屬巨粒土散體介質(zhì)邊坡。由于常規(guī)造孔工藝不能滿足冰水堆積體邊坡支護(hù)造孔的需要，在常規(guī)方法基礎(chǔ)上研究創(chuàng)新，采用跟管錨筋樁和花管自進(jìn)式錨桿，解決了堆積體邊坡成孔困難，施工難度大，施工質(zhì)量無(wú)法保障等難題，通過(guò)錨筋樁及錨桿注漿試驗(yàn)確定最佳注漿配合比及注漿壓力等參數(shù)。施工期安全監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，變形較小，邊坡穩(wěn)定。梨園水電站進(jìn)水口邊坡工程的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)類似冰水堆積體邊坡施工具有指導(dǎo)意義。

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[1] 中國(guó)第四紀(jì)冰川與環(huán)境研究中心，中國(guó)第四紀(jì)研究委員會(huì)，中國(guó)西部第四紀(jì)冰川與環(huán)境[M].北京：科學(xué)出版社，1996.

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[6] 王志強(qiáng)，楊興國(guó)，李洪濤，等. 大規(guī)模冰水堆積體鉆爆施工技術(shù)[J]. 人民黃河，2014，36(4):120-122.

[7] 程學(xué)權(quán). 某大型冰水堆積體開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性分析與支護(hù)措施研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2013.