塊碎石架空地層深孔防滲墻施工塌孔預(yù)防措施

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(貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 工程概況

民治水電站位于四川省雅安市寶興縣境內(nèi)的東河上,為寶興河梯級(jí)開發(fā)的第二級(jí),采用引水式發(fā)電方式,裝機(jī)105MW。 壩址位于寶興縣鹽井鄉(xiāng)上游約7km石門坎附近,閘壩軸線長(zhǎng)156.0m,最大壩高17.0m,壩頂高程1589.00m。 大壩基礎(chǔ)及兩岸覆蓋層采用混凝土防滲墻防滲,兩岸山體內(nèi)采用帷幕灌漿防滲。 防滲墻最大深度54m,平均深度32m。 防滲墻長(zhǎng)度162m,厚度80cm,采用C20 混凝土澆筑。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料,壩址處河床覆蓋層較厚,一般厚度65 ~75m,最大為85.50m。 成層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,按其結(jié)構(gòu)層次自下而上由老到新分為五層,依次為第Ⅰ層砂礫石層(Q3fgl)、第Ⅱ?qū)幽鄩K碎(卵)石夾含礫砂質(zhì)粉土層(Q4pl+al)、第Ⅲ層漂(塊)卵(碎)石層(Q4col+al)、第Ⅳ層含礫石粉土層(Q4l)、第Ⅴ層砂礫石層(Q4al)。 其中第Ⅲ層含有中細(xì)—粉細(xì)砂層透鏡體,厚度1 ~3m;第Ⅴ層含有砂層透鏡體,厚度1 ~3m,最大厚度5.35m。

河床左側(cè)為崩坡積體塊碎石層,塊石粒徑一般30 ~60cm,大者達(dá)1 ~3m,碎石一般8 ~15cm,塊碎石空隙間充填黃色砂壤土,架空處見有木屑分布。 顆粒含量變化大,但總體由上向下有變粗趨勢(shì);其中塊石占15% ~40%,碎石占30% ~50%,土夾礫石占10% ~55%。 粒徑大小懸殊,結(jié)構(gòu)松散,極為不均;架空現(xiàn)象明顯,滲透系數(shù)達(dá)0.105 ~0.237cm/s,透水性強(qiáng);承載力和變形模量變化大,差異懸殊。

3 防滲墻施工遇到的問題

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì),混凝土防滲墻槽孔使用CZ-8D 沖擊鉆機(jī),采用“鉆劈法”施工,泥漿固壁。 槽孔分為兩期施工,先施工一期槽孔,再施工二期槽孔。 一、二期槽孔采用“鉆鑿法”搭接,搭接長(zhǎng)度不小于設(shè)計(jì)墻厚的1/3,以保證槽孔連接質(zhì)量。

在防滲墻槽孔施工時(shí),經(jīng)常發(fā)生槽壁坍塌、卡鉆、掉鉆事件,對(duì)防滲墻施工進(jìn)度、安全、質(zhì)量均造成較大影響。 由于崩坡積體塊碎石地層具有強(qiáng)烈的嵌鎖穩(wěn)定效應(yīng),越到槽孔的底部,巖石的塊度越大,嵌鎖效應(yīng)也越強(qiáng),槽孔越容易發(fā)生大面積坍塌,現(xiàn)場(chǎng)的施工機(jī)械設(shè)備、人員等跟隨陷落,安全隱患突出。 坍塌后處理難度大,成本高,對(duì)施工進(jìn)度造成影響較大。 如一期施工的13 號(hào)槽段,發(fā)生大面積槽壁坍塌事故后,處理工期就達(dá)2 個(gè)月之久。

4 塌孔原因分析

4.1 外力作用

外水壓力指槽壁外的積水向內(nèi)作用于槽壁的側(cè)壓力,其壓力大小取決于地下水位和深度,水位越高,側(cè)壓力越大。 當(dāng)槽內(nèi)泥漿向外作用的側(cè)壓力小于外水壓力時(shí),槽壁就會(huì)坍塌。 因此,應(yīng)采取措施降低外水壓力,提高槽內(nèi)泥漿壓力,保持內(nèi)壓大于外壓。

震動(dòng)主要是由振沖機(jī)械、運(yùn)輸設(shè)備等產(chǎn)生。 震動(dòng)具有波的特性,其力度由震源向周邊傳播并逐步減弱。因此,加大運(yùn)輸設(shè)備與槽段之間的距離,減少振沖機(jī)械對(duì)槽壁的直接震動(dòng),是減小震動(dòng)作用的有效措施之一。

外部荷載主要指直接施加在槽壁上的靜荷載,包括機(jī)械設(shè)備自重、導(dǎo)墻及施工平臺(tái)自重,以及含水量變化導(dǎo)致的槽壁自重變化等。 在槽壁基礎(chǔ)承載力確定的條件下,外部荷載越小槽壁就越穩(wěn)定。

4.2 內(nèi)力重分布作用

崩坡積體的整體穩(wěn)定主要靠塊碎石間的嵌鎖力來保持,而不像沖積物、洪積物等那樣主要靠重力保持穩(wěn)定,在受到外部擾動(dòng)時(shí),堆積體內(nèi)部會(huì)發(fā)生內(nèi)力重分布,趨向于重力穩(wěn)定。 這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致堆積體發(fā)生形變,進(jìn)而造成槽壁坍塌。

4.3 地基承載能力低

在河道形成過程中,由于長(zhǎng)期的地質(zhì)構(gòu)造作用和侵蝕作用,在崩坡積體塊碎石層中,夾雜有不同時(shí)期洪積或沖積形成的粉細(xì)砂、粉土質(zhì)透鏡體,其結(jié)構(gòu)承載能力低,埋藏位置深淺不一。 在防滲墻施工過程中,遇到類似透鏡體時(shí),需要對(duì)其進(jìn)行加固處理,提高槽壁基礎(chǔ)的承載能力。

通過上述分析,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況,可知造成槽壁坍塌的主要原因有槽段劃分過長(zhǎng)、泥漿固壁效果差、施工震動(dòng)過大、基礎(chǔ)軟弱夾層承載力低、泥漿漏失速度過快、副孔的劈打方式選擇不當(dāng)、外水壓力過大、槽壁頂部荷載較大、造孔偏斜過大等。

5 預(yù)防措施

5.1 減少槽段劃分長(zhǎng)度

為保證槽壁的穩(wěn)定,降低混凝土的生產(chǎn)澆筑強(qiáng)度,合理配置機(jī)械設(shè)備,在混凝土防滲墻造孔時(shí),需要將防滲墻劃分成若干段分期施工。 由于一期、二期槽孔之間的接頭處理占用時(shí)間較長(zhǎng),也是防滲墻施工易發(fā)生質(zhì)量隱患的部位,因此,在實(shí)際施工中,只要地質(zhì)條件穩(wěn)定,混凝土生產(chǎn)能力滿足需求,盡量增大槽段劃分的長(zhǎng)度,減少接頭數(shù)量,提高施工效率。 根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn),一般地質(zhì)條件下每段槽孔劃分長(zhǎng)度為8 ~10m。 但在崩坡積體塊碎石架空地層下,超過8m 的槽段容易塌孔,反而影響了施工效率,現(xiàn)場(chǎng)將槽段劃分長(zhǎng)度減小至6 ~7m 后,塌孔次數(shù)明顯減少。

5.2 保持泥漿性能穩(wěn)定

采用沖擊鉆機(jī)造孔時(shí),槽孔內(nèi)的泥漿具有固壁、冷卻鉆頭、懸浮鉆渣、平衡壓力的作用。 若泥漿濃度過大,會(huì)增加鉆頭下落的阻力和浮力,減少?zèng)_擊力,從而降低鉆進(jìn)效率。 若泥漿濃度過小,則會(huì)導(dǎo)致固壁效果不好,引起泥漿漏失,槽內(nèi)外壓力不平衡,造成槽壁坍塌,同時(shí)也會(huì)降低鉆渣懸浮能力。 因此,合理確定泥漿參數(shù)、保持泥漿性能穩(wěn)定非常重要。 泥漿參數(shù)可通過試驗(yàn)確定,當(dāng)采用重型鉆頭時(shí),適當(dāng)提高泥漿濃度。

5.3 減小施工震動(dòng)

施工震動(dòng)也是造成槽壁坍塌的原因之一。 為加快施工進(jìn)度,現(xiàn)場(chǎng)通常是每隔一個(gè)槽段布置一臺(tái)甚至幾臺(tái)機(jī)械同時(shí)施工,這樣會(huì)導(dǎo)致施工震動(dòng)過大,加之塊碎石地層具有嵌鎖穩(wěn)定的特性,震動(dòng)的傳遞效應(yīng)強(qiáng)。 施工震動(dòng)過大時(shí),會(huì)導(dǎo)致同時(shí)施工的相鄰槽段槽孔坍塌。因此,施工過程中應(yīng)對(duì)震動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),根據(jù)震動(dòng)強(qiáng)度合理布置施工機(jī)械,避免相鄰槽段最近的孔位同時(shí)施工。

5.4 加固基礎(chǔ)軟弱地層

針對(duì)槽壁地基中夾雜的粉細(xì)砂層透鏡體,以及堆積體本身結(jié)構(gòu)松散的特點(diǎn),根據(jù)各自的施工條件,采取不同的措施對(duì)地層進(jìn)行加固。

對(duì)于淺表層已開挖出露的粉細(xì)砂層透鏡體,采用無引孔振沖碎石樁的方式對(duì)地基進(jìn)行加固。 對(duì)于孔內(nèi)中下部的粉細(xì)砂層透鏡體,則向孔內(nèi)傾倒碎石和黏土進(jìn)行沖擠加固。 對(duì)于表層結(jié)構(gòu)松散的塊碎石層,不能采用無引孔振沖碎石樁的方式加固時(shí),則采用強(qiáng)夯或振動(dòng)碾壓的方法,減少塊碎石之間的嵌鎖效應(yīng),提高自穩(wěn)能力。

5.5 防止泥漿漏失過快

造孔過程中發(fā)現(xiàn)槽內(nèi)泥漿液面高度下降過快時(shí),應(yīng)立即排查泥漿滲漏通道,一般都位于正在鉆進(jìn)的孔底附近。 此時(shí),要加大泥漿注入量和泥漿濃度,維持液面高度,避免槽壁坍塌。 若采用高濃度泥漿仍無法封閉滲漏通道,則向槽內(nèi)加入黏土草袋、袋裝水泥等,對(duì)通道部位進(jìn)行沖擠加密堵漏。

5.6 采用鉆劈法劈打副孔

常規(guī)地質(zhì)條件下,防滲墻副孔的劈打方式有鉆劈法、鉆抓法、抓取法等,其中工效最高的為抓取法,其次為鉆抓法,鉆劈法的工效最低。 由于崩坡積體塊碎石架空地層具有強(qiáng)烈的嵌鎖穩(wěn)定效應(yīng),采用抓取法時(shí),副孔壁未經(jīng)振沖加密降低嵌鎖效應(yīng),容易引起槽壁坍塌。采用鉆抓法時(shí),遇到塊度較大時(shí)也會(huì)引起槽壁坍塌。因此,現(xiàn)場(chǎng)采用鉆劈法劈打副孔,通過振沖鉆進(jìn)降低嵌鎖效應(yīng)并加密槽壁基礎(chǔ)后,槽壁更加穩(wěn)定。

5.7 漂石、孤石處理

在崩坡積體地層中進(jìn)行防滲墻施工時(shí),經(jīng)常會(huì)遇到大塊徑的漂石、孤石。 采用鉆頭沖擊漂石、孤石容易發(fā)生槽孔坍塌事故,且進(jìn)度很慢,工效較低。 在遇到漂石、孤石時(shí),一般采用水下爆破的方式進(jìn)行處理。 水下爆破分為鉆孔爆破和巖面聚能爆破兩種。

5.7.1 鉆孔爆破

當(dāng)遇到大塊徑的漂石、孤石時(shí),在孔內(nèi)下設(shè)導(dǎo)向鋼管,用XY-2 型巖芯鉆機(jī)在導(dǎo)向管內(nèi)鉆孔,直至鉆穿整塊巖體。 鉆孔完畢后,將藥卷放置在小口徑PVC 管內(nèi)形成爆破筒,用細(xì)鉛絲將其吊放到孔內(nèi)爆破。 爆破筒內(nèi)一般裝填防水膠質(zhì)炸藥,按0.5 ~0.8kg/m 的線裝藥密度裝填,裝藥長(zhǎng)度比爆破巖體厚度短30 ~40cm,采用非電毫秒雷管起爆。 爆破筒放入前,應(yīng)準(zhǔn)確丈量筒身及鉛絲總長(zhǎng)度并清洗鉆孔,保證爆破筒準(zhǔn)確下到巖體內(nèi)。 起爆前,攪動(dòng)孔內(nèi)泥漿,加大泥漿密度。

5.7.2 巖面聚能爆破

巖面聚能爆破,是指將特制的爆破筒下放到孔內(nèi)孤石、漂石處,讓爆破筒的聚能穴正對(duì)巖面,利用爆破聚能效果破壞巖體的方法。 采用巖面聚能爆破,能較很好地破壞巖石光滑面,改善鉆頭著力點(diǎn),快速處理塊徑不太大的孤石、漂石。 采用巖面聚能爆破前,應(yīng)摸清孔內(nèi)情況,包括孔深、孔形、地層、孔內(nèi)泥漿主要指標(biāo)、巖石的巖性及硬度等,制定出切合實(shí)際的爆破方案。在下放爆破筒前,進(jìn)行清孔換漿,確保爆破筒能置于塊石表面。

由于巖石表面不完全是水平面,爆破筒很難準(zhǔn)確定位,導(dǎo)致巖面聚能爆破效果不及鉆孔爆破效果好,且爆破震動(dòng)較大,如操作不當(dāng),會(huì)造成大范圍的槽壁坍塌,反而得不償失,需慎重采用。

5.8 提高施工平臺(tái)穩(wěn)定性

采用振沖碎石或振動(dòng)碾壓對(duì)施工平臺(tái)的基礎(chǔ)進(jìn)行加密加固,對(duì)防滲墻施工平臺(tái)進(jìn)行硬化,采用鋼筋混凝土澆筑導(dǎo)墻等,提高施工平臺(tái)的穩(wěn)定性。 施工平臺(tái)的周邊設(shè)置混凝土排水溝,減少因施工廢水滲入槽壁內(nèi)產(chǎn)生的外水壓力,降低槽壁基礎(chǔ)的含水量,從而提高基礎(chǔ)承載力。

一期槽孔澆筑后,若導(dǎo)墻底部與防滲墻頂部之間存在較大的空白段,應(yīng)視其基礎(chǔ)情況,采用低等級(jí)混凝土對(duì)空白段進(jìn)行回填,保證二期槽孔施工時(shí),施工平臺(tái)基礎(chǔ)不垮塌。

5.9 減少造孔偏斜

防滲墻造孔過程中,隨時(shí)測(cè)量孔斜情況,發(fā)現(xiàn)偏孔要及時(shí)糾偏,勤糾少糾,防止偏斜過大時(shí),槽壁基礎(chǔ)懸空后引起坍塌。

6 結(jié) 語

對(duì)于崩坡積體塊碎石架空地層下的深孔防滲墻施工,通過采取減少槽段劃分長(zhǎng)度、保持泥漿性能穩(wěn)定、減小施工振動(dòng)、加固基礎(chǔ)軟弱地層、及時(shí)進(jìn)行漏漿處理、采用鉆劈法劈打副孔、選擇適宜的方式處理漂石、提高施工平臺(tái)穩(wěn)定性及減少造孔偏斜等預(yù)防措施,減少了塌孔次數(shù),加快了施工進(jìn)度,提高了施工效率,降低了安全風(fēng)險(xiǎn),確保了工程順利實(shí)施,對(duì)類似地質(zhì)條件的地下防滲墻施工具有參考意義。