高壓噴射灌漿技術(shù)在水電站工程中的應(yīng)用

高壓噴射灌漿技術(shù)在水電站工程中的應(yīng)用

1基坑滲透系統(tǒng)桃河流域規(guī)劃的插銷水電站屬于旁路旁路，由水庫站、旁路系統(tǒng)（旁路）和電站廠組成。電站設(shè)計正常擋水位為2020.5m,額定水頭為8.5m,發(fā)電引用流量為270m3/s,裝機(jī)容量為20MW,屬Ⅳ等小(1)型工程。擬建發(fā)電廠房順?biāo)鞣较蜷L為53.8m,分為進(jìn)水口段、主廠房段、副廠房段、升壓站及尾水渠。廠房基坑需下挖16～17m,圍堰(有壤土心墻)下部均為砂礫石地層,滲透系數(shù)較大,設(shè)計采用高壓擺噴防滲墻進(jìn)行防滲處理。廠房圍堰高噴防滲墻包括上游橫向高噴防滲墻34.41m、縱向高噴防滲墻176.84m,高噴防滲墻分別深入基巖和壤土心墻1m。電站廠房位于洮河左岸的Ⅰ級階地,場地長為400～500m,寬為100～120m,地面高程為2012～2021m,地形平坦開闊,地質(zhì)條件良好,適宜于廠房及其附屬建筑物布置。2地層噴射結(jié)晶體該防滲墻采用潛空鉆機(jī)鉆孔,三重管法高壓擺噴,一、二序墻體焊接式連接成墻的施工方法,孔位布置在圍堰中心線上。高壓噴射灌漿法的原理是用鉆機(jī)在地層中造孔,將帶有噴頭的噴射管下至孔內(nèi)預(yù)定位置,利用高壓噴射水流環(huán)繞高壓氣流直接沖擊、切割和剝蝕土體、砂礫石、漂石,并將地層內(nèi)的部分細(xì)顆粒帶出,同時噴入高壓水泥漿。地層破壞后剝落下的土石料經(jīng)濕化崩解、升揚(yáng)置換,灌注的水泥漿或其他復(fù)合料漿液中的膠凝顆粒表面的強(qiáng)烈吸附活性與被破壞的底層大顆粒發(fā)生充分的強(qiáng)制性摻攪混合、充填擠壓、移動包裹至凝結(jié)硬化,從而構(gòu)成一個堅固、連續(xù)的凝結(jié)體和滲透過渡層,成為結(jié)構(gòu)密實、強(qiáng)度大、有足夠防滲性能的構(gòu)筑物,達(dá)到加固地基及防滲的作用。三重管噴射的介質(zhì)分別為空氣、水、漿液,成墻厚度為35～40cm,噴射凝結(jié)體的有效直徑可達(dá)1.00m。采用單排孔,孔距為1m,分為二序施工,一、二序孔體之間搭接以保證防滲墻體的完整性,有效封閉滲水通道。(1)基巖取芯判斷采用履帶式油動ZWC-500型錨固鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)法造孔,孔徑為146mm,鉆孔深入基巖1m,并確保成孔偏斜率不大于1/300。造孔時配置XY-150型地質(zhì)鉆機(jī)對基巖取芯判斷,以確認(rèn)鉆孔的入巖深度,保證高噴墻入巖深度符合設(shè)計要求。鉆孔時必須認(rèn)真做好鉆探記錄,為高噴灌漿施工提供詳盡的地質(zhì)資料。對部分塌孔嚴(yán)重的砂礫石地層或回填地層采用跟管跟進(jìn)法施工,鉆孔達(dá)到設(shè)計深度后在外部鋼管內(nèi)下設(shè)脆性PVC管護(hù)壁,拔出外部鋼管后脆性PVC管不必拔出,高壓水流可完全將其擊碎并隨回水流到孔外。(2)高壓水的水質(zhì)采用GNB100型高壓水泵,可產(chǎn)生30～40MPa的高壓水,流量為50～100L/min。高壓管路配備φ32mm鋼編織膠管、高壓耐腐閥門,工作壓力為60MPa。(3)阿富汗采用W-12/8型電動空壓機(jī),排氣壓力可達(dá)0.8MPa,排氣量為12m3/min。(4)無砂混凝土漿的制備采用SW-300型臥式攪拌機(jī)供漿,可滿足高噴作業(yè)連續(xù)拌制灌漿。按照施工圖和監(jiān)理工程師對漿液性能的要求進(jìn)行漿液配比,漿液水灰比為0.7︰1～1︰1;采用高速攪拌機(jī)制備漿液,攪拌時間不小于30s;制漿材料稱量采用質(zhì)量或體積計量法,其誤差不大于5%。漿液過篩后使用,并定時檢測其密度。使用PO.42.5普通硅酸鹽散裝或袋裝水泥,散裝水泥采用120t散裝水泥罐儲存,并儲備不小于40t的袋裝水泥備用,散裝水泥罐布置在高噴防滲墻附近,以方便攪拌機(jī)拌合漿液。采用BW-250型灌漿泵,壓力為0.3～3MPa,利用注漿泵配置的壓力表測定控制壓力。注漿流量為50～250L/min,注漿流量利用高壓注漿泵配置的注漿流量計測定。(5)噴射注漿、高壓旋轉(zhuǎn)軸噴漿采用CYP50型步履式噴漿臺車,臺車配有卷揚(yáng)機(jī)、變速箱、功率選擇器、調(diào)速器、旋擺器,可控制噴漿管的提升速度,立架高度為20m,提升速度為4～25cm/min,提升力為100kN,噴嘴可通過旋擺器定向,噴管采用三管噴射管,噴嘴直徑為2～3mm,可使?jié){、氣、水同時噴射。在噴射作業(yè)時,當(dāng)噴射管下到設(shè)計深度并對準(zhǔn)噴射方向后送入漿液,并按規(guī)定的速度提升,旋擺角度為30°,待達(dá)到設(shè)計高度后停止送漿、送氣并拔出噴管。初步擬定高壓水壓力為38MPa,流量為80L/min;壓縮空氣壓力為0.8MPa,送氣量為1.2m3/min;水泥漿液壓力為0.5MPa,流量為70L/min;旋擺速度為8次/min,旋擺角度為30°;提升速度為10cm/min。噴射作業(yè)開始后,值班技術(shù)人員應(yīng)注意檢查注漿流量、氣量、壓力以及提升速度等技術(shù)參數(shù),確保各項參數(shù)符合規(guī)范要求。高噴作業(yè)分為二序施工,先一序后二序,為確保噴射凝結(jié)體的緊密連接,相鄰一、二序孔施工間隔不宜小于7d。從孔口冒出的漿液可收集到沉淀池,經(jīng)過濾處理后可將部分漿液重復(fù)利用。當(dāng)噴射完成后應(yīng)及時將各管路沖洗干凈,不得留有殘渣,以防管路堵塞。(6)表面樹下表面活性劑的鋪設(shè)噴射灌漿后漿液逐漸凝固,通常會因表面析水沉淀而出現(xiàn)不同程度的下陷,形成凹穴,可向凹穴內(nèi)注入漿液2～3次,待漿液凝結(jié)后用壤土夯填。(7)次噴射,搭接深度若在第一次噴射灌漿中遇到異常情況,可進(jìn)行二次噴射,二次搭接深度不小于50cm。在破碎過程中,若孔口不冒漿或冒漿量過大,可采取堵漏或提高灌漿壓力的方法進(jìn)行處理。3采土地的動性該施工區(qū)地表水水力坡度較大,水流速度較快,地層滲透系數(shù)大,地下水流動性大,而且水面下約10.0m原為采沙場,后經(jīng)塊石、漂石回填而成。綜合兩方面的原因和施工規(guī)范的要求,在正式施工之前,通過高壓擺噴試驗確定是否可以達(dá)到成墻要求,驗證施工方案的合理性,優(yōu)化并最終確定施工技術(shù)參數(shù)。3.1試驗計劃(1)跟管支護(hù)試驗圍堰擺噴試驗孔布置在下橫圍堰中心線,選5個鉆孔(3個一序,2個二序),孔間距為1m,采用ZWC-500型鉆機(jī)跟管鉆至基巖內(nèi)1m,在跟管內(nèi)下設(shè)脆性PVC管護(hù)壁,進(jìn)行擺噴試驗。(2)擺噴方式試驗造孔采用ZWC-500型鉆機(jī),偏心錘沖擊跟管鉆進(jìn),孔徑為146mm,鉆孔偏斜率<1%。擺噴方法和擺噴方式采用自下向上3管擺噴,擺角為30°。為保證防滲墻的搭接質(zhì)量,在防滲軸線拐點(diǎn)處擬采用旋、擺結(jié)合的方法進(jìn)行施工。(3)壓力停在上面高壓水壓力為35～38MPa,氣壓為0.6～0.8MPa,漿液壓力為0.2～1.0MPa。(4)配置泥漿灌漿漿液水灰比采用1.5︰1～0.6︰1,開擺水灰比采用1︰1或0.8︰1。3.2試驗結(jié)果3.2.1地層顆粒級配差試驗結(jié)果表明,圍堰內(nèi)水位與河道水位一樣高,且含水豐富。圍堰0～5m為回填層,圍堰填筑料碾壓不密實;河床地層顆粒級配差,在鉆孔過程中存在嚴(yán)重漏風(fēng)現(xiàn)象,河面有大量氣泡;6～18m有大量漂石,進(jìn)尺緩慢,塌孔現(xiàn)象嚴(yán)重。地層顆粒級配差,卵石粒徑大、漂石多,鉆孔及灌漿過程中,在壩體外河道邊緣均有大量氣泡冒出,并有少量水泥流出,水泥整體消耗量較大。通過對所取巖芯判斷,河床基巖0.3～0.5m屬于強(qiáng)風(fēng)化層,結(jié)構(gòu)較為松散,建議防滲墻深入基巖不小于1.0m。3.2.2開灌水灰比及單孔高噴射試驗在下橫選取5個鉆孔進(jìn)行高噴試驗,通過鉆孔得知該施工區(qū)地層顆粒級配差,以塊石、漂石為主,地表水水力坡度較大,水流速度較快,地層滲透系數(shù)大,地下水流動性強(qiáng)。較濃的漿液可以保證成墻質(zhì)量,故開灌水灰比采用1︰1或0.8︰1,總計噴射長度為93.3m,水泥用量為76134.43kg,平均水泥用量為816kg/m。單孔高噴試驗水壓均為35MPa,流量為72L/min;氣壓均為0.6MPa,流量為1.0L/min,其他數(shù)據(jù)見表1。3.2.3靜水頭壓水試驗高噴試驗孔質(zhì)量檢驗采用對下橫1孔與2孔高噴凝結(jié)體的搭接處鉆孔取芯并進(jìn)行靜水頭壓水試驗,下橫3～5孔開挖觀察成墻效果。經(jīng)檢驗,成墻質(zhì)量較好,搭接處明顯,墻體厚度最大70cm、最小60cm,結(jié)構(gòu)較為密實,滿足施工質(zhì)量要求。3.2.4高噴參數(shù)指示(1)拉伸法和繃帶法采用自下向上擺噴的方法,擺角為30°,擺速為8次/min,擺噴提升速度為6～10cm/min,隨返漿密度變換。(2)壓力和流量計算高噴灌漿高壓水壓力為35～38MPa,流量為70～75L/min;水泥漿液壓力為0.7～1.0MPa,流量為60～70L/min;氣壓為0.6MPa,流量為1m3/min。(3)配置泥漿灌漿漿液開灌水灰比視返漿情況采用1︰1或0.8︰1,進(jìn)漿密度為1.57～1.7g/cm3,返漿密度≥1.2g/cm3。4位置開挖檢驗2009年4月28日對下橫3～5孔位置處進(jìn)行了開挖檢驗,2009年5月23日對上橫47～51孔、縱向121～125孔位置處進(jìn)行了開挖檢驗。4.1墻體質(zhì)量變化上橫47～51孔開挖檢驗結(jié)果表明,成墻質(zhì)量較好,搭接效果良好,墻體厚度最大57cm、最小33cm,平均成墻厚度為45cm,結(jié)構(gòu)較為密實。下橫3～5孔成墻質(zhì)量較好,搭接處不明顯,墻體最大厚度為70cm,最小厚度為60cm,平均成墻厚度為65cm,結(jié)構(gòu)較為密實。對縱向121～125孔進(jìn)行開挖檢驗,現(xiàn)場觀測表明成墻質(zhì)量較好,但是基坑內(nèi)有少量滲水。對河水水位、廠房基坑水位以及開挖檢驗坑內(nèi)的滲水情況進(jìn)行測量,河床水位為2012.079m,基坑水位為2011.199m,開挖檢驗坑底高程為2010.024m。開挖約36h后,開挖檢驗坑內(nèi)滲水面高程為2010.924m,檢驗坑內(nèi)的水位低于廠房基坑水位27.5cm,低于河床水位115.5cm,經(jīng)驗證檢驗坑內(nèi)滲水是廠房基坑內(nèi)的滲透水,高噴墻體有效地攔截了河床滲水。4.2透水率與滲透系數(shù)k的關(guān)系2009年5月16日對下橫2～3孔位置處進(jìn)行了注水試驗?？卓诟叱虨?018.30m,孔內(nèi)水位為2011.92m,相應(yīng)河水位為2014.30m,基坑內(nèi)水位為2012.583m,鉆孔深為19m,鉆孔直徑為110mm。注水試驗數(shù)據(jù)(注水量和注水速度綜合衡量指標(biāo)):第一次174mm/10min,第二次335mm/20min,第三次316mm/20min,平均1.665mm/min。試驗段透水率計算采用單點(diǎn)法注水試驗公式:q=Q/PLq=Q/ΡL式中:q為透水率;Q為壓入流量;P為作用于試驗段內(nèi)全壓力;L為試驗段長度。透水率q與滲透系數(shù)k之間的關(guān)系:地層透水率q為1Lu時,約相當(dāng)于滲透系數(shù)k為1.3×10-5cm/s。若要求k=i×10-5cm/s(i為整數(shù)),則q=1～5Lu。經(jīng)計算試驗段q=2.6Lu,透水率滿足要求。滲透系數(shù)計算公式為k=2QtL(H+h0)(H?h0)k=2QtL(Η+h0)(Η-h0)式中:k為滲透系數(shù);Q為穩(wěn)定流量;t為高噴墻平均厚度;L為圍堰周邊高噴墻軸線長度;H為井內(nèi)注水面至井底