深水灌漿技術在西北口水庫除險加固工程中的應用

張鐵寧

(湖北水總水利水電建設股份有限公司，湖北 武漢 430000)

帷幕灌漿是將漿液灌入巖體或土層的裂隙、孔隙，形成連續(xù)的阻水帷幕，以減小滲流量和降低滲透壓力的灌漿工程。主要是在閘、壩的巖石或砂礫石地基中通過灌漿建造防滲帷幕的工程。帷幕頂部與混凝土閘底板或壩體趾板連接，底部深入相對不透水巖層一定深度，以阻止或減少地基中地下水的滲透；與位于其下游的排水系統(tǒng)共同作用，還可降低滲透水流對閘壩的揚壓力。我國大部分大中型病險水庫防滲堵漏施工過程中，無法騰空庫容達到干地施工的條件。

湖北水總水利水電建設股份有限公司承接的宜昌市西北口水庫除險加固工程，其中的壩基防滲帷幕灌漿工程必須在大水深環(huán)境下進行，其壩基趾板高程240.6m，施工期水庫控制水位305.0m，最大水深64.4m(含厚度約10m淤積層)，經項目部全體員工及相關協(xié)作單位戮力同心、奮楫篤行，終于克服在“高水頭、大水深、水面作業(yè)、動水”條件下進行帷幕灌漿、水下孔口管定位及加固等技術重難點，完成湖北省首例深水灌漿工程，在保證施工期水庫功能性不受影響的前提下達到了水庫除險加固的預期效果。

1 工藝原理

面板堆石壩趾板基礎深水灌漿，是在水庫正常蓄水位的深水條件下進行的帷幕灌漿工程。該技術通過搭建水上作業(yè)平臺完成大壩趾板基礎防滲堵漏工程，避免了傳統(tǒng)大壩帷幕灌漿需降低水位施工的限制，對大壩運營無影響。水上作業(yè)平臺為灌漿施工提供了良好的施工作業(yè)空間，同時利用潛水員水下精確定位和輔助鑲鑄孔口管，通過超長懸臂孔口管鑲鑄及加固，在孔口管內進行灌漿作業(yè)的方式實現(xiàn)了“高水頭、大水深、動水”條件下的灌漿施工作業(yè)。

1.1 水面作業(yè)平臺搭建

水面作業(yè)平臺由若干組浮箱(浮箱容積根據其平臺自重、施工中鉆孔灌漿設備及鉆孔作業(yè)產生的沖擊力和施工人員荷載進行綜合測算、選用)并聯(lián)，并通過錨、拉等方式進行固定，將作業(yè)面通過貝雷橋組合相連成整體的施工平臺，穩(wěn)定性和承載力好，可承受有關鉆孔灌漿等機械設備的作業(yè)與通行。

1.2 水下趾板淤積層的根管鉆進

水下跟管鉆進的主要目的是消除淤積層對帷幕灌漿施工的影響，采用地質鉆機、硬質合金鉆頭鉆進，并錘擊跟套管鉆進。跟φ127、δ=6mm厚地質套管護壁管，跟管深度為趾板頂部。趾板混凝土段及基巖段鉆孔采用φ110鉆具進行。待第1、2段灌漿及預埋孔口管鑲鑄完成后，隨即拔出護壁套管。

采用護管跟管鉆進工藝不但可以解決淤積層內難以成孔的問題，還解決了孔口管未埋設好之前淤積層鉆孔護壁問題。

1.3 水下超長空口管加固

孔口管鑲鑄順序為“由淺至深、由易入難”，利用已經鑲鑄牢靠的孔口管對剛鑲鑄好的進行固定。采用鋼管及扣件將上下游排相鄰的10～20根沿高程每間隔5～10m進行連鎖固定，同時在孔口管立面布置剪刀撐全面連接。另外還需要在主要節(jié)點位置與岸坡之間設置連墻件，以及沿趾板距離孔口20cm位置設置掃地桿，提高孔口管整體受力條件。

2 施工工藝流程及操作要點

2.1 水上作業(yè)平臺搭建和固定

平臺下部采用焊接鋼箱(由6mm厚鋼板焊接而成，長4.0m，寬3.0m，高1.25m)作為浮體，兩個浮箱為一組模塊，垂直于帷幕灌漿軸線對稱布置，中間預留1.0m間隙作為鉆孔時鉆具上下及孔口管安裝空間。上部結構采用單排321貝雷橋(長度為3m/節(jié)，高度1.5m)，在其上鋪裝橫梁(22a工字鋼)、縱骨(8號槽鋼)和50mm木板橋面。浮箱模塊組一般按9m的間隔布置。

a.平臺組裝步驟。浮箱泛水(采用汽車起重機吊到水面，并用繩索臨時拴在岸邊)→結合全形舟(移動單組箱使箱尾靠攏對正，利用浮箱底部和上部的掛鉤將兩個浮箱連接在一起)→組合上部結構(將貝雷片、橫梁等構件吊到浮箱上，逐節(jié)進行組裝)→鋪設縱梁和橋面板。

b.鉆孔定位。帷幕灌漿孔孔口坐標的水面投影，采用全站儀測量定位。

c.平臺固定。在大壩與岸邊的三角區(qū)域用架子管等材料結構成限位支撐架，限制平臺下游端的移動。

在平臺下游端距離岸邊較近處用直徑50mm鋼管或10號工字鋼設置剛性支撐桿，將平臺與岸邊剛性連接，使其不能沿水平方向移動?？紤]到施工期間水位會有一定的波動范圍，連接支撐桿應能上下活動。

平臺與岸邊距離較遠的部位采用大致對稱布置的“八”字形鋼絲繩(直徑10～11mm)抗風纜與岸邊及另一個平臺進行固定。抗風纜的一端與舟橋或貝雷橋固定，另一端與岸上錨桿固定?？癸L纜的長度和松緊度可通過其上的絞盤或手拉葫蘆調整，以保證定位精度和適應水位漲落變化(見圖1、圖2)。

圖1 深水帷幕灌漿工序工藝流程

圖2 水面作業(yè)平臺搭設示意圖與實物

2.2 水下趾板淤積層的跟管鉆進

2.2.1 水下跟管鉆進的目的

水下跟管鉆進的主要目的是消除淤積層對帷幕灌漿施工的影響。西北口水庫趾板新增帷幕灌漿鉆孔孔口均處于水面以下，因此在施工工藝上均需先埋設孔口管，通過孔口管進行孔口封閉、孔內循環(huán)式灌漿?？卓诠苁欠衲軌蚵裨O可靠，將直接影響帷幕灌漿施工進度和施工質量。

首先，水下開孔時將面臨較厚的水下淤積層。該層不但成孔困難，還極易垮孔造成鉆孔施工時埋鉆風險增加。

其次，在有較厚淤積層位置進行孔口管安裝時無法直接對孔口管底部進行處理，孔口管安裝效率低。且安裝不牢固，影響孔口管的穩(wěn)定。對于趾板淤積層的實際存在，如不采取相應的措施，將嚴重影響工程施工進度，給施工質量帶來很大的影響。

2.2.2 水下護管跟管的意義

當淤積較厚或淤積層板結嚴重時，由潛水員水下清理，顯然受制于現(xiàn)場施工條件而無法實施，只能采取一定措施在淤積層內形成鉆孔通道，滿足帷幕灌漿孔口管安裝和正常的帷幕灌漿施工要求。

采用護管跟管鉆進工藝不但可以解決淤積層內成孔的問題，還可以解決在孔口管未埋設好之前淤積層鉆孔護壁問題。

2.2.3 跟管鉆進施工方法

對于趾板淤積物較厚，高壓水槍難以進行有效沖洗的部位，潛水員無法有效進行水下定位，考慮采取跟管措施解決淤積層鉆進及孔口管鑲鑄問題。

具體施工方法為：采用XY-2型地質鉆機、金剛石鉆頭或硬質合金鉆頭鉆進，并錘擊跟套管鉆進。跟φ127、δ=6mm厚地質套管護壁管，跟管長度以接觸水下趾板混凝土為準，最大長度64.4m?；炷炼?0.6～1.5m)及基巖段(0～6m)鉆孔采用φ110鉆具進行。待第1、2段(0～3m、3～6m)灌漿及預埋孔口管鑲鑄完成后，隨即拔出護壁套管(見圖3)。

圖3 跟管鉆進鉆孔結構示意圖

2.3 水下孔口管加固

從水下至少60m(西北口水庫壩基趾板高程240.6m，施工期控制水位305.0m)引孔口管至水面作業(yè)平臺，以便帷幕灌漿施工時能夠實現(xiàn)自上而下分段鉆灌施工。加固的方式是將預埋完成并牽引出水面的孔口管按照雙排腳手架的加固原理進行加固?？卓诠荑傝T順序為“由淺至深、由易入難”，利用已經鑲鑄牢靠的孔口管對剛鑲鑄好的進行固定。采用鋼管及扣件將上下游排相鄰的10～20根沿高程每間隔5～10m進行連鎖固定，同時在孔口管立面布置剪刀撐全面連接。另外還需要在主要節(jié)點位置與岸坡之間設置連墻件，以及沿趾板距離孔口20cm位置設置掃地桿，提高孔口管整體受力條件。

a.水平相鄰兩根橫向連接。每隔5～10m采用φ48.3×3.6mm架管橫向與孔口管連接，并適宜沿帷幕灌漿軸線通長布置。連接時采用特制的垂直雙扣結構，主要目的是方便潛水員水下連接及連接可靠。該結構一端為孔口管φ89管箍，另一端為φ48.3×3.6mm架管管箍，兩管箍中間為剛性連接，且兩管箍平面垂直。

b.剪刀撐。對橫向連接完成后的孔口管，由潛水員在水下采用φ48.3×3.6mm架管管箍形成45°剪刀撐(全面布置)，將其與橫向連接架管連接成一個整體。

c.連墻件。在趾板一側布置連墻件，使孔口管與趾板牢固連接，且連接點中心至主節(jié)點的距離不應大于300mm。施工時可先施工插筋，連墻件與插筋焊接。連墻件另一端與孔口管橫向連接節(jié)點焊接。連墻件可采用φ48.3×3.6mm架管或直接采用φ25螺紋鋼筋。

d.掃地桿。沿趾板距離孔口管20cm高位置設置掃地桿。其與孔口管連接方式也采用特制的垂直雙扣結構(見圖4)。

圖4 水下孔口管示意圖與實物

3 關鍵技術和創(chuàng)新

水上作業(yè)平臺的搭建，為灌漿施工作業(yè)提供了良好的操作空間，根據其施工過程所承受的施工設備及人員靜荷載、動荷載以及本身自重，選用相應容積浮箱，設計符合其承載要求的組合方式，保證平臺的可行性、安全性；同時通過限位架、抗風纜等剛、柔性固定方式滿足平臺穩(wěn)定性要求。

水下跟管鉆進主要目的是消除淤積層對帷幕灌漿施工的影響，水下開孔時將面臨較厚的水下淤積層，該層不但成孔困難，還極易垮孔造成鉆孔施工時埋鉆風險增加。采用護管跟管鉆進工藝不但可以解決淤積層內成孔的問題，還可以解決在孔口管未埋設好之前淤積層鉆孔護壁問題。

水下超長懸臂孔口管的加固主要是參考雙排腳手架的加固原理利用孔口管本身及附屬橫桿、剪刀撐、連墻件、掃地桿等將水下孔口管連接為一個整體，避免在鉆孔灌漿過程中，因出現(xiàn)孔口管松動、傾斜導致的鉆桿對管壁的不均勻磨損，以及嚴重磨損處在高壓水泥灌漿情況下發(fā)生管壁沖蝕進而出現(xiàn)漏漿。

4 結 語

深水灌漿技術在西北口水庫除險加固工程中的應用與傳統(tǒng)騰空庫容干地灌漿相比，雖然增加工程直接投資成本約900萬元，但因西北口水庫為宜昌市長江北岸一級支流黃柏河流域梯級開發(fā)的骨干工程，承擔著流域防洪、供水保障、發(fā)電外送經營等重任，其年均發(fā)電量約1億kW ·h,電價按0.3元/(kW ·h)計算，其半年施工期直接發(fā)電經營收入就達1500萬元，且同時為宜昌市的市區(qū)200萬居民的飲用水水源地，100萬畝農田的灌溉用水水源地，如采用騰空庫容干地灌漿的方式進行壩基防滲處理，其損失的經濟效益和民生效益將遠遠超過采用深水灌漿所增加措施性投入。本次西北口水庫壩基深水灌漿工程的實施，驗證了“大水深、高水頭”條件下帷幕灌漿的可行性，為后續(xù)同類工程起到了指導性作用。