化學(xué)泥漿鉆抓成槽施工技術(shù)在亞曼蘇水電站防滲墻中的應(yīng)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(xué)泥漿鉆抓成槽施工技術(shù)在亞曼蘇水電站防滲墻中的應(yīng)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(jié)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(xiàn)場試驗的方式，對膨潤土及化學(xué)泥漿在護(hù)壁機(jī)理、關(guān)鍵性能指標(biāo)、使用方法等進(jìn)行了深入的研究對比，提出了在砂卵礫石地層以化學(xué)泥漿護(hù)壁、液壓抓斗配合旋挖鉆機(jī)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(hù)壁存在的泥漿制備繁瑣、穩(wěn)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(zhì)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(xué)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(fā)，裝機(jī)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(jié)構(gòu)。防滲墻施工軸線長度為495.65 m，設(shè)計墻深52 m，設(shè)計墻厚0.5 m，墻體材料采用C25W8F100混凝土。

該工程防滲墻地質(zhì)條件主要以第四系堆積物砂巖及灰?guī)r為主，自上而下分別為卵石和低液限粘土。地層結(jié)構(gòu)密實，其中少量中密、細(xì)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(shù)為1.34×10-2～7.35×10-3cm/s。地下水豐富且為承壓水，對護(hù)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(biāo)尤為重要。

2 技術(shù)方案的選擇

2.1 施工工藝

根據(jù)設(shè)計地勘資料、當(dāng)?shù)厥┕きh(huán)境及工期安排，結(jié)合我部已有的施工經(jīng)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(dǎo)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(xiàn)場復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，低液限粘土層存在含水量較低時就液化、導(dǎo)致地層強度降低甚至失穩(wěn)的情況，成槽難度大，澆筑質(zhì)量難以保證。

2.3 解決思路及技術(shù)路線

(1)根據(jù)設(shè)計地勘資料確定“最危險地層”；

(2)對“最危險地層”進(jìn)行泥漿試驗，確定最優(yōu)泥漿配合比；

(3)在施工現(xiàn)場進(jìn)行泥漿試驗，檢驗并優(yōu)化泥漿配合比，確定最合理、最經(jīng)濟(jì)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(tǒng)沖洪積地層為二元結(jié)構(gòu)，其中卵石層因結(jié)構(gòu)疏松、卵石間空隙較大、地層穩(wěn)定性較差，不能形成質(zhì)量好的泥皮，容易導(dǎo)致泥漿漏失。另外，低液限粘土層在較低含水量時即液化，導(dǎo)致地層強度降低甚至失穩(wěn)。因此，確定上更新統(tǒng)沖洪積地層為“最危險地層”。

2.3.2 確定最優(yōu)泥漿配合比

為解決防滲墻施工過程中可能出現(xiàn)的塌孔、沉渣厚度大等問題，所確定的泥漿主要性能參數(shù)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(xué)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(zhì)，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(diào)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(zhì)量，還具有較好的抗鹽能力；化學(xué)泥漿是形成泥漿的主要材料。

表1 泥漿主要性能參數(shù)表

2.3.2.2 泥漿護(hù)壁的機(jī)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(chǎn)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(xué)泥漿。

化學(xué)泥漿是一種高分子聚合物，其護(hù)壁的機(jī)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(hù)壁作用。

2.3.2.3 膨潤土試驗

泥漿的主要性能指標(biāo)包括比重、馬氏漏斗粘度、六速旋轉(zhuǎn)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(jié)論為：

(1)根據(jù)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(fā)現(xiàn)：無論膨潤土加量為多少，基漿的粘度、泥皮厚度等性能均達(dá)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(chǔ)上加入羧甲基纖維素(CMC)，經(jīng)過試驗確定：泥漿最優(yōu)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(xué)泥漿試驗

采用控制變量法進(jìn)行化學(xué)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(diào)整pH可以明顯減少化學(xué)泥漿粉的摻入量，且對化學(xué)泥漿粉的溶解有影響；化學(xué)泥漿拌制后45 min內(nèi)粘度達(dá)到峰值且8 h內(nèi)無明顯變化，性能穩(wěn)定；化學(xué)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(xué)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(nèi)泥漿粘度呈遞增趨勢。暫定化學(xué)泥漿配合比為化學(xué)泥漿粉∶水∶火堿=6∶10 000∶3。

2.3.3 現(xiàn)場試驗

2.3.3.1 試驗過程

膨潤土泥漿在“鉆抓法”成槽護(hù)壁施工中已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用，工藝成熟，故本次現(xiàn)場試驗僅采用化學(xué)泥漿進(jìn)行?，F(xiàn)場選擇53#、54#兩個槽段進(jìn)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(jī)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(shè)兩趟φ250的導(dǎo)管澆筑混凝土?，F(xiàn)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(kuò)孔系數(shù)為1.04。

2.3.3.2 試驗結(jié)果分析

(1)通過對聲波檢測結(jié)果進(jìn)行分析，試驗槽段孔型、孔斜、孔深、孔底沉渣等完全符合設(shè)計指標(biāo)?；瘜W(xué)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(fā)現(xiàn)：在成槽及混凝土澆筑施工過程中，從槽孔內(nèi)抽回泥漿沉淀池的化學(xué)泥漿成份潔凈，渣土或細(xì)砂含量極少。

(2)化學(xué)泥漿造漿率高，制備工藝簡單，設(shè)備及人員投入量少。根據(jù)現(xiàn)場實際耗量統(tǒng)計：1 kg化學(xué)泥漿粉平均可制漿約1.5～2.5 m3。本工程所用化學(xué)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(hù)壁漿液，較傳統(tǒng)的膨潤土泥漿而言，不需要高速制漿機(jī)等制漿設(shè)備，也不需要長時間的膨化等待過程，化學(xué)泥漿施工效率更高。

(3)現(xiàn)場回收的化學(xué)泥漿只需簡單加入極少量的化學(xué)泥漿粉和NaOH、調(diào)整pH后即可滿足泥漿性能要求標(biāo)準(zhǔn)，不需要增加其它凈化設(shè)備，回收利用率高。

(4)化學(xué)泥漿性能穩(wěn)定，不易沉淀。試驗槽段清孔驗收后，緊接著下設(shè)接頭管和澆筑導(dǎo)管，一期槽澆筑的準(zhǔn)備時間通常需要3～4 h，二期槽澆筑的準(zhǔn)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(dǎo)致孔底沉渣偏大，增加清孔次數(shù)并耗時。采用化學(xué)泥漿護(hù)壁能很好地解決該問題，且等待過程無需持續(xù)注入新鮮泥漿或風(fēng)動攪拌循環(huán)。

(5)化學(xué)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(xué)分子和水。

綜上所述：化學(xué)泥漿具有性能優(yōu)異，穩(wěn)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(yōu)點。

3 化學(xué)泥漿的實際應(yīng)用

亞曼蘇水電站廠房防滲墻施工最終采用化學(xué)泥漿配合“三鉆兩抓”法進(jìn)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(xiàn)質(zhì)量缺陷。

4 所取得的社會經(jīng)濟(jì)效益

本工程采用化學(xué)泥漿作為成槽施工護(hù)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(xiàn)在施工質(zhì)量、工期方面，還體現(xiàn)在社會經(jīng)濟(jì)效益方面。

4.1 經(jīng)濟(jì)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(kuò)孔系數(shù)×(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(shè)備成本。

膨潤土泥漿制備需投入高速制漿機(jī)兩臺，漿池用循環(huán)泵4臺，泥漿凈化設(shè)備1套，設(shè)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(shè)備成本=85.05 +28.58 +20 +8=141.63(萬元)。

(2)化學(xué)泥漿。

①化學(xué)泥漿材料成本。

化學(xué)泥漿用量=軸線長×槽孔寬度×成槽深度×擴(kuò)孔系數(shù)×(1-回收率)

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

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

化學(xué)泥漿材料成本=2 706.25×18=4.87(萬元)。

②設(shè)備成本：制漿無需投入設(shè)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(xué)泥漿成本=材料成本+人工成本+設(shè)備成本=4.87 +0 +4=8.87(萬元)。

(3)經(jīng)濟(jì)對比：膨潤土泥漿成本-化學(xué)泥漿成本=141.63-8.87=132.76(萬元)。

結(jié)論：本工程膨潤土泥漿成本遠(yuǎn)高于化學(xué)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(xiàn)場廢棄泥漿量大，處理難度高，現(xiàn)場施工文明形象有待提高，同時需投入較多的制漿設(shè)備，且制漿材料耗量大，施工現(xiàn)場占地范圍較化學(xué)泥漿多。采用化學(xué)泥漿克服了上述缺限。

5 結(jié) 語

(1)化學(xué)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(tǒng)膨潤土泥漿具有經(jīng)濟(jì)性佳、質(zhì)量更可控的優(yōu)點，在該項目施工中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

(2)化學(xué)泥漿作為新型成槽施工泥漿護(hù)壁材料，具有造漿率高、性能穩(wěn)定、用量低、制漿簡單、回收利用率高、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等一系列優(yōu)點，值得今后在類似工程中推廣應(yīng)用。

(3)化學(xué)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(jìn)一步研究。

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[5] 劉 川.化學(xué)聚合物泥漿在旋挖鉆孔樁施工中的應(yīng)用[J].公路工程，2010,41(10):73-74.

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

王 勇(1990- )，男，河南安陽人，助理工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)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(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2017- 04- 10

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B

1001- 2184(2017)04- 0104- 03