沙灣水電站深厚覆蓋層水下帷幕灌漿施工技術(shù)分析

羅慶松

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司,天津 301700)

1 工程概況

沙灣水電站樞紐工程為大渡河干流下游梯級開發(fā)中的第一級，電站樞紐區(qū)距樂山市城區(qū)44.5 km。該工程以發(fā)電為主，兼顧灌溉和航運功能。沙灣水電站建成后與銅街子水電站同步運行。電站設(shè)計保證率為90%。電站裝機容量480 MW，額定水頭24.5 m，年發(fā)電量24.07億kW·h。水庫總庫容4867萬m3，正常蓄水位以下庫容4 554萬m3。

沙灣水電站自2010年全面投產(chǎn)發(fā)電以來，1#、2#泄洪沖砂閘閘室結(jié)構(gòu)始終處于沉降變形階段。主要表現(xiàn)在下游海漫段存在20多處涌水點，且有細砂帶出；目前沉降值最大的點LS38(位于1#沖砂閘右墩)累計沉降值已達180.7 mm，1#、2#弧門出現(xiàn)卡阻。為解決沙灣電站滲漏和沉降問題，對沉降原因及滲漏通道進行專題分析，經(jīng)過專家分析認為1#～2#閘防滲墻原墻體可能存在較大缺陷，造成1#～2#閘防滲系統(tǒng)出現(xiàn)滲漏通道，滲水通道帶走原閘基細顆粒造成閘門持續(xù)沉降，閘門下游部位滲漏嚴重。

針對滲漏與沉降問題，業(yè)主前期已經(jīng)對閘基部位進行固結(jié)灌漿處理，但是工程完工后閘門仍然持續(xù)沉降，沉降量并沒有減少，因此本次處理需要在原1#、2#閘防滲墻上游對原墻體缺陷部位進行帷幕防滲灌漿[1]處理。為不影響電站正常運行發(fā)電，則需要采取水下灌漿防滲處理方案，在17 m深水下進行帷幕灌漿施工，難度極大，在國內(nèi)屬于首次應(yīng)用。

2 本工程的施工特點及難點

2.1 需要解決水下灌漿施工平臺的難題

本工程灌漿施工區(qū)域位于電站水庫之中，常規(guī)灌漿施工在陸地進行，而本次灌漿施工是在17 m深度的水中進行，因國內(nèi)沒有施工先例，所以沒有可供借鑒的施工經(jīng)驗，屬于非常規(guī)作業(yè)范圍，施工難度極大。最終采取了下設(shè)鋼結(jié)構(gòu)平臺的施工方案，經(jīng)過結(jié)構(gòu)受力計算，設(shè)計了適合本工程水中下設(shè)的灌漿作業(yè)鋼結(jié)構(gòu)平臺。

2.2 需要解決水下鑲鑄孔口管的難題

因鑲嵌孔口管部位處于沖刷河床上，水在沖刷流動，卵石堆積，鑲嵌孔口管部位地面起伏不平，而孔口管距離防滲墻只有50 cm，孔口管下設(shè)成功與否直接決定本灌漿工程能夠順利施工，關(guān)系重大。經(jīng)過分析研究，最終采取了雙層定位套管下設(shè)方案。

2.3 灌漿孔距離原防滲墻只有50 cm，孔斜控制難度大

灌漿地層覆蓋層為漂卵石地層，基巖部位為巖溶角礫巖，距離防滲墻只有50 cm，鉆孔孔斜要求高，而且在水下施工，難度較大。

2.4 覆蓋層架空嚴重，耗漿量很大，存在灌漿封堵難題

由于原始地層經(jīng)過長期地下動水沖刷，細顆粒被水流沖刷帶走，因此地層中滲漏通道連通性較好，灌漿過程中不易灌漿結(jié)束，需要反復(fù)待凝處理[1]。

3 針對上述施工特點選擇的應(yīng)對措施

3.1 灌漿作業(yè)平臺的設(shè)計和施工

本工程采取鋼結(jié)構(gòu)平臺實現(xiàn)了旱地施工，在保證項目施工期間電站正常安全運行和度汛的基礎(chǔ)上，可以保證施工過程的精細化、可控性。通過與設(shè)計方案費用估算對比，鋼結(jié)構(gòu)平臺方案較常規(guī)采用砂礫石填筑形成施工平臺方案節(jié)約投資約164萬元；由于鋼平臺吊裝和使用過程不需要電站水位調(diào)度控制，故在保證施工質(zhì)量的前提下，對施工工期安排較為合理，不存在常規(guī)采用砂礫石填筑平臺時需校核填筑高度和計算填筑體對周邊結(jié)構(gòu)側(cè)壓力的影響問題。若采用常規(guī)砂礫石填筑施工平臺方式，平臺頂高程不能超過427.0 m，與正常蓄水位432.0 m相差5m。結(jié)合電站往年同期發(fā)電量，若控制施工期電站運行水位，將給電站帶來發(fā)電損失超億元。

由于本工程混凝土防滲墻上游帷幕灌漿的施工處理部位位于17 m深的水下，為保證帷幕灌漿施工設(shè)備和人員的正常工作和施工安全，采用鋼結(jié)構(gòu)平臺作為施工作業(yè)平臺，鋼結(jié)構(gòu)平臺經(jīng)過結(jié)構(gòu)受力計算，作業(yè)的荷載值不超過20 kN/m2為安全允許范圍。平臺頂面高程為433.5 m。鋼結(jié)構(gòu)平臺采用型鋼焊接拼裝，下設(shè)至預(yù)定位置。

鋼結(jié)構(gòu)平臺自2014年11月18日開始進場加工，2014年12月13日開始吊裝作業(yè)，2015年1月2日全部施工完成，共計施工46天。整個鋼結(jié)構(gòu)施工平臺長45 m，寬18 m，高17 m。鋼結(jié)構(gòu)平臺安裝共完成制安工程量為365t。鋼結(jié)構(gòu)平臺剖面如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)平臺示意圖

3.2 水下灌漿孔口管的安裝

因鑲嵌孔口管部位處于沖刷河床上，水處于流動狀態(tài)，地表卵石堆積，鑲嵌孔口管部位地面起伏不平，而孔口管距離防滲墻只有50 cm，孔口管下設(shè)成功與否直接決定本灌漿工程能夠順利施工，關(guān)系重大。經(jīng)過分析研究，最終采取了雙層定位套管下設(shè)方案?？卓诠艿陌惭b分為鉆孔定位和孔口管鑲鑄兩個工序進行。

3.2.1 鉆孔定位

鋼結(jié)構(gòu)平臺下設(shè)安裝完成后進行灌漿定位管的下設(shè)工作。定位管使用無縫鋼管，灌漿定位管分三排下設(shè)，下游排灌漿定位管外徑140 mm，壁厚5 mm，上游排與中間排灌漿定位管外徑180 mm，壁厚6.5 mm。為保證灌漿定位管的下設(shè)垂直度，先安裝定位桁架，定位桁架采用10 cm×5 cm×0.5 cm的矩管加工焊接而成，定位桁架分上、下兩層布置，上層定位桁架布置在鋼結(jié)構(gòu)施工平臺上，433.5 m高程，下層定位桁架布置在430 m高程，下層定位桁架采用吊錘法進行校正，保證和上層定位桁架一致，確保定位管的垂直度。2層定位桁架焊接固定后，進行定位管的下設(shè)。定位管分排下設(shè)，先下設(shè)下游排，再下設(shè)中間排，最后下設(shè)上游排。定位管先采用50噸吊車單根下設(shè)，6根為一組，在兩層定位桁架上進行固定，上層采用2根10 cm×5 cm×0.5 cm矩管進行焊接固定，下層采用1根10 cm×5 cm×0.5 cm矩管焊接固定。定位管固定完成后，采用50 t吊車將一組定位管起吊，然后在定位管底部采用10 cm*5 cm*0.5 cm矩管焊接固定，使其連接為一個整體。

3.2.2 孔口管鑲鑄

下游排下設(shè)φ140 mm定位導(dǎo)向管下至孔底坐實，采用φ110 mm鉆頭開孔，下設(shè)φ108 mm孔口管?？卓诠懿捎脽o縫鋼管，絲扣連接，總長約21.5 m(嵌入覆蓋層4 m，地面至鋼平臺約17.5 m)。定位導(dǎo)向管下設(shè)后，首先采用地質(zhì)鉆機，φ76 mm鉆頭鉆進至覆蓋層1 m進行注漿，采用濃漿灌注，單次注漿量控制在1～2 t/m，注漿時添加一定比例的增稠劑(聚丙烯酰胺)，注漿目的主要是封固φ140 mm定位管，單耗量超過1～2 t后待凝24 h進行掃孔復(fù)灌。隨后按照第二段為1 m，第三段為2m進行灌漿，覆蓋層上部4 m灌漿完成后，再進行φ108 mm孔口管的下設(shè)，孔口管下設(shè)深度擬定為3.0 m～4.0 m，孔口管下設(shè)至預(yù)定深度后灌漿固定并待凝72 h，完成孔口管鑲鑄。

上游排和中間排部分孔采取套閥管管工藝，此部分帷幕灌漿孔首先將φ180 mm定位管下至孔底坐實，并固定在定位架預(yù)定位置上。鉆孔采用YGL-150A型履帶式工程鉆機跟套管鉆進，套管采用φ146 mm無縫鋼管，絲扣連接，然后下設(shè)φ89 mm套閥管進行自下而上灌漿。

3.3 深厚覆蓋層孔斜控制

本次帷幕灌漿三排孔布置，其中第三排距離防滲墻只有50 cm，鉆孔孔斜要求高，孔斜控制精度高。

為避免鉆孔造成對混凝土防滲墻及混凝土導(dǎo)墻的破壞，控制好下游排帷幕灌漿孔鉆孔孔斜尤為重要，為防止鉆孔孔斜，保證鉆孔的垂直度，采取了如下孔斜保證措施：

(1)鉆機底部墊5 cm厚木板，保證地基堅實、平穩(wěn)，鉆機安裝周正、水平、穩(wěn)固，立軸方向和傾角符合設(shè)計要求。鉆機鉆桿對準孔位中心后，用精度2‰的水平尺在兩個方向(前后左右)調(diào)整立軸處于垂直，鉆機立軸偏斜率不大于2‰。

(2)采用螺栓等方法與施工平臺連接以固定鉆機，防止施工中產(chǎn)生位移。

(3)施工中經(jīng)常檢查鉆機的穩(wěn)固情況、鉆機立軸的鉛垂度，并結(jié)合測斜成果采取加長粗徑鉆具、適當(dāng)控制鉆進壓力等措施防止鉆孔偏斜超標(biāo)[1]。

(4)開孔時采取減壓慢轉(zhuǎn)，當(dāng)鉆進一定深度后(0.3～0.5 m)采用輕壓慢轉(zhuǎn)。在鉆進過程中隨時校核立軸的角度，隨時加以調(diào)整。

(5)在斷層、裂隙發(fā)育、巖脈穿插的地層，鉆孔容易發(fā)生彎曲，鉆進時調(diào)整鉆速，不宜過快。

(6)根據(jù)鉆孔情況，現(xiàn)場施工技術(shù)人員及時跟進孔斜測量，了解鉆孔軌跡。采用STL-1GW型(無線有儲式數(shù)字陀螺測斜儀)測斜儀進行孔斜測量，由專職人員進行測斜。由于此測斜儀精度高，故能準確掌握鉆孔的實際軌跡，減少人為因素和儀器自身誤差的影響。鉆孔過程中每5 m進行一次孔斜測量。當(dāng)發(fā)現(xiàn)孔斜偏差值超過表規(guī)定時，及時采取糾偏等補救措施進行處理。

(7)根據(jù)先導(dǎo)孔揭示的地層特點，合理確定鉆進技術(shù)參數(shù)，選擇鉆進方法。

(8)嚴格控制孔深20 m以內(nèi)的偏差。

通過采取了以上應(yīng)對措施，解決了本工程孔斜問題，施工過程中有兩個孔遇到混凝土，經(jīng)過陀螺測斜儀和KXP-1型磁場測斜儀反復(fù)校證測量，最終確定為原防滲墻塌孔超澆部位的混凝土。

3.4 覆蓋層水下灌漿措施

覆蓋成中存在較多滲漏通道，造成了地層灌漿耗量較大，不易灌注結(jié)束，針對本工程地層條件，施工過程中采取了多種灌漿材料和灌漿工藝。灌漿漿液包括純水泥漿液、混合穩(wěn)定漿液、膏狀漿液、砂漿及其他抗沖膏狀漿液[2]等。灌漿工藝包括自上而下循環(huán)鉆灌灌漿工藝[3]、套閥管灌漿工藝。

3.4.1 針對大耗漿孔段的灌漿措施

因該灌漿工程位于17 m深水下施工，存在地下動水，架空層嚴重，耗漿量很大，我部為盡量減小漿液擴散半徑，降低工程成本，在工程施工過程中采取了多種措施進行控制性灌漿[4]。下游排Ⅰ序孔鉆孔過程中成孔困難，灌漿單耗很大。針對吃漿量大、有流動水的孔段，根據(jù)施工情況綜合采取濃漿間歇灌注、限量待凝，并在灌漿漿液中添加速凝劑水玻璃和調(diào)凝劑，縮短漿液初凝時間；針對耗漿量特別大的孔段另外添加絮凝劑，可有效增加漿液粘度，增大漿液的抗沖性。由于巖溶角礫巖中耗漿量很大，對進入此地層中Ⅰ序孔，通過添加固體材料并配合速凝抗沖材料進行堵漏灌漿，效果較好。Ⅰ序孔灌漿后，Ⅱ序孔成孔情況明顯改善，復(fù)灌次數(shù)大為減少。后期施工上游排和中間排孔單位注入量也明顯減少[5]。

3.4.2 灌漿成果分析

下游排帷幕灌漿孔最先施工，耗漿量也最大，下游排灌漿從單位注入量均值的對比情況看，隨灌序的增進，各次序孔的單位注入量呈現(xiàn)明顯遞減規(guī)律。Ⅰ序孔單位注灰量4373.33 kg/m，Ⅱ序孔單位注灰量2619.11 kg/m，Ⅲ序孔單位注灰量914.55 kg/m，Ⅱ序孔比Ⅰ序孔遞減50.4%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔遞減54.2%。下游排帷幕灌漿平均注入率為2262.12 Kg/m，上中下游三排帷幕灌漿孔整體平均單耗1113.9 Kg/m。隨著孔序遞增灌漿量遞減明顯，符合灌漿規(guī)律。

4 灌漿效果

本工程布置11個檢查孔，覆蓋層部位進行注水試驗、基巖部位進行壓水試驗，覆蓋層注水滲透系數(shù)最大值為8×10-5cm/s，基巖部位壓水試驗最大透水率為5.32 Lu，檢查數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求，全部合格。

從壩后涌水點點觀測情況來看，通過本次1#、2#泄洪沖砂閘部位進行灌漿防滲處理，1#、2#泄洪沖砂閘壩后原來涌水點5個涌水點全部消失，灌漿開始時在壩后海漫部位做的量水堰觀測流量0.221 m3/s，灌漿后期量水堰已經(jīng)斷流，顯示出了良好的灌漿效果。

5 結(jié)束語

本灌漿工程所采用的施工工藝和設(shè)計方案在不影響電站正常發(fā)電運行的工況下解決了水庫中深厚覆蓋層水下灌漿的施工難題。取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益，可為以后類似水電站滲漏工程提供借鑒的成功經(jīng)驗。