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高压旋喷灌浆技术在杨家园水电站上游围堰中的应用
吕理军 谷琦琦
摘 要 杨家园水电站上游围堰建在河床砂砾石覆盖层上, 填筑材料为坝基开挖的石碴料, 透水性大, 采用了高压旋喷灌浆技术对围堰进行防渗处理。施工完成后, 经过汛期运行, 证明防渗效果满足工程需要, 并为同类地层的高压旋喷灌浆设计与施工积累了经验。
关键词 围堰工程; 结构型式; 工程地质; 防渗处理; 高喷灌浆; 杨家园水电站
1 概述
杨家园水电站位于贵州省习水县二郎乡, 地处赤水河一级支流桐梓河下游河段, 属桐梓河水电梯级开发规划的第七级, 是一座以发电为主、 兼顾库区零星农田灌溉和农村人畜饮水、 并向二郎电厂供水的综合水利工程。水库正常蓄水位450.00m, 死水位440.00m, 水库总库容0.78亿m3, 调节库容为0.28亿m3, 多年平均径流量为14.63亿m3, 具有不完全年调节能力, 电站装机容量40MW, 多年平均发电量1.389亿kW.h。
高压旋喷灌浆技术, 开始阶段只用于粉细砂地层, 随着理论水平的提高、 设备的改进和施工工艺的不断完善, 这项技术已拓宽至含大颗粒不均匀砾卵漂石地层的防渗工程。由于其具有施工简便、 工期短、 造价低和较好的防渗效果等特点, 特别适用于水电站土石围堰的防渗处理, 因此在水电站的施工围堰的防渗中应用也越来越普遍。
2 上游围堰工程地质特征及其结构型式
2.1 工程地质特征
堰基处于楠本台背斜与二郞坝向斜的过渡地带。区内无大的构造发育, 但受区域构造影响, 岩体较破碎, 小断层、 小褶皱(挤压带)及节理裂隙等结构面较为发育, 且分布较不均一, 坝区岩体结构以互层状—中厚层状结构为主。堰基上部岩体为中等透水性。
堰体部位河床覆盖层厚3.5～8m, 以冲积砂砾层为主, 夹较多的卵石、 漂石, 大粒径( 直径 7～20cm) 含量超过30%, 为强透水层。
2.2 结构型式
上游围堰位于坝轴线上游50m左右, 河谷宽约80m, 枯水期水深一般3～6m, 河床覆盖层高程391.5～393.9m, 基岩高程388.0～385.5m。上游土石围堰为过水围堰, 堰顶高程410.5m, 挡水时段为10月～次年4月。
根据上游围堰挡水要求和地质特征, 防渗设计高程405m以下采用高压旋喷灌浆防渗墙, 上接粘土心墙防渗至过水保护顶面高程406.5m, 过水保护顶面以上再接子堰防渗体。
高压旋喷灌浆防渗墙顶高程405m, 墙体高度约17.0m, 包括堰基原河床覆盖层和堰体。
审稿: 王开义 刘祥吾

灌浆区围堰填筑料为坝基开挖的石碴料, 碎石含量占90%, 大部份颗粒粒径为8～20cm, 空隙率较大。
3 技术参数
高压旋喷灌浆是利用能量较大的水、 气同轴喷射切割搅拌地层, 同时将凝结材料, 如水泥浆, 灌注掺搅地层, 形成要求形状的凝结体。
围堰防渗体只要求具有临时防渗功能, 无承重、 抗滑及抗剪等稳定性要求。因而选用高压旋喷防渗墙作为围堰基础防渗结构。
高压旋喷灌浆孔布置: 单排孔, 孔距0.8m, 孔底伸入基岩 0.5m, 分两序施工。灌浆方法采用三管法。主要技术参数见表1。
表1 高压旋喷灌浆技术参数表
施工参数
参数名称
基岩层
砂卵石层
回填层
高压水
压力( MPa)
40
40
38～40
流量( L/min)
75
75
75
浆嘴( mm)
2×1.7
2×1.7
2×1.7
气
压力( MPa)
0.8
0.8
0.8
流量( m3/min)
1.5
1.5
1.5
浆
浆压( MPa)
0.2
0.2
0.2
进浆密度( kg/cm3)
1.7
1.7
1.7
回浆密度( kg/cm3)
1.25～1.3
1.25～1.3
1.25～1.3
流量( L/min)
75
75
75
提升速度( cm/min)
6
6
8
旋转速度( r/min)
6
6
8
4 主要施工方法及技术措施
高压旋喷灌浆施工主要采用的设备有履带式多功能潜孔钻机、 钻孔测斜仪、 高喷台车、 高压水泵、 空压机、 灌浆泵等。
高压旋喷防渗墙钻孔注浆分两序施工, 先施工I序孔, 后施工II序孔, 相邻孔施工间隔时间不少于24小时。
单孔施工流程为: 场地平整压实→造孔( 套管跟进) →下PVC管护壁→拔套管→高压台车就位→试喷→下喷具→喷灌→封孔→高压台车移位。
4.1 钻孔
河床砂砾石层造孔是本工程施工的难点, 怎样保证孔壁稳定和提高单位时间内造孔进尺是保证围堰能否按期闭气的关键。
根据相关工程的施工经验, 结合本工程特点, 施工中我们采用QLCN-120履带式多功能潜孔钻机跟管钻进。钻孔直径均为Φ140mm, 造孔效率可达6.0m/h。钻机就位后, 用水平尺校正机身, 使钻杆轴线垂直对准钻孔中心位置, 孔位偏差不大于5cm。
护壁: 造孔结束, 将钻杆提出, 下设底端用透水无纺布包扎的Φ120PVC护壁管, 进行成孔护壁, 护壁套管接头用塑料密封带连接。护壁套管下至孔底后, 采用YGB液压拔管机将套管分节拔出。
4.2 高喷灌浆
高压旋喷灌浆采用三管法高压喷射灌浆技术, 分两序施工。
( 1) 下喷射管 下放喷射管之前, 必须在地面上进行试喷, 以检查管道的畅通性及各项指标是否达到设计要求。下管时, 为防止喷嘴堵塞, 采用边低压送水、 气、 浆, 边下管的方法。当喷管下至设计孔底深度时, 通知质检人员到场检查, 确认具备灌浆条件后方可开喷。
( 2) 水泥浆液 使用的水泥浆液采用32.5级的普通硅酸盐水泥, 高速制浆机制浆。浆液水灰比为1:1～0.8:1, 浆液比重大于或等于1.6。浆液制成后, 存放时间不宜超过4h。
在施工过程中, 对含泥量较少的回浆进行回收利用。回收浆液先沉淀过滤后, 再掺拌适量水泥, 经检测达到设计进浆比重及水泥比时方可使用。从而使成本得到有效的降低。
( 3) 喷射灌浆 设备选用GTP-5 型高喷台车。喷射灌浆必须在机长的统一指挥下进行, 依次低压送水、 送浆、 送气, 而后再提高至设计值, 在孔底静喷1～3min, 等孔口回浆比重达到设计值后, 再按设计要求进行由下而上的喷浆作业。
灌浆作业时, 经常检测水泥浆液的进浆和回浆比重, 当与设计水灰比的浆液比重误差超过 0.1时, 应停止作业, 重新调整浆液水灰比。
若因供风、 水、 电中断或拆卸注浆管不能连续喷灌时, 重新进行高喷灌浆的搭接长度不应小于0.5m, 若中断超过30min时, 恢复作业时搭接长度应大于1m。
高压旋喷灌浆分两序施工, 相邻孔的作业间隔时间应控制在12～72 小时的范围内。
( 4) 静压充填 喷射作业结束后, 随即在喷射孔内进行静压充填灌浆。孔内回填灌浆完成后, 若孔口浆面下沉, 则可利用相邻孔喷射时的孔口冒浆进行重复回灌( 在粘土层中或淤积层中喷射时的冒浆不能用于回灌) , 直至孔口浆液面不再下沉为止。
5 施工质量控制
高喷施工前, 做好如下准备工作: ①根据孔深计算三重管长度, 检查管路畅通情况、 密封是否良好; ②每孔注浆前应对注浆管路进行试喷, 观察水、 气、 浆的喷射情况。
钻孔施工时要求开孔位置与设计位置偏差不大于5cm。钻孔施工时在下入套管前对钻孔进行测斜, 钻孔偏斜角满足要求后再下套管, 确保开孔符合设计要求; 钻进过程中发现偏斜及时纠斜。即在发现偏斜超过设计值时, 采用加超径管、 跳级换径、 孔底埋管等方法进行纠斜处理。经处理重测偏斜合格后, 方可续钻。
高喷灌浆过程中三重管下入孔底的深度与实际钻孔深度差值不得大于0.1m。
按技术参数确定的速度提升和旋转喷射。处理事故或换管路重新喷射时, 将喷射装置下放至原位置以下0.5m重复喷射, 确保搭接长度不小于0.5m。
施工中如实记录高喷注浆过程中的各项技术参数、 浆液材料的用量、 异常情况及处理情况等。
6 质量问题及处理
6.1 钻孔施工
采用潜孔钻机, 使用偏心钻头跟管钻进时, 回填层、 覆盖层砂卵石钻进进尺比较快, 每小时进尺6m左右。在遇到大块石、 鹅卵石和基岩则进尺较慢, 更换偏心钻头, 使用80型冲击钻头钻进, 钻穿大块石、 鹅卵石后, 再使用偏心钻头进行跟管。
6.2 高压喷射注浆施工
( 1) 在高喷灌浆过程中, 出现过压力突降或突升、 孔口回浆浓度或回浆量异常等情况, 及时查明原因并进行了处理。孔内出现严重漏浆时, 根据地层情况分别采取了以下措施: 降低喷射管提升速度或停止提升; 降低压力、 流量, 进行原地灌浆; 在浆液中掺加适当的水玻璃( 速凝剂) 。
个别孔高喷时不回浆, 先进行了注浆, 待凝固后再扫孔进行旋喷灌浆。钻进无回水时向孔内投入粘土进行了泥浆固壁。在施工时有20多个孔无回浆, 采用向孔内掺入粘土和水玻璃, 既保证了质量, 又确保了工期。
( 2) 在喷射过程中发生串浆时, 填堵被串孔, 在灌浆孔高喷灌浆结束后, 应尽快进行被串孔扫孔、 灌浆或继续钻进。
河床及回填层回浆量减少, 有少量浆液漏失, 回填层填筑的开挖料存在很大不均匀性, 河床覆盖层结构松散, 空隙较大, 很多孔段高喷施工开喷时孔口无回浆, 向孔内填入粘土, 在浆液中掺入水玻璃, 加量为水泥重量的3%, 孔口回浆量恢复正常。
7 防渗效果总体评价
7.1 开挖检查
高喷防渗墙于 1月29日全部完工。 2月3日, 在上游围堰桩号0+22～0+24内侧进行开挖检测, 坑长3m,深2m。从开挖情况来看, 水泥含量均匀, 单孔影响半径最大可达1.5m; 墙体连续性好, 强度较高, 在开挖深度内未见墙体开叉或墙体存在孔洞等情况。
7.2 基坑开挖渗水情况
2月5日开始基坑抽水, 2月7日开始基坑开挖。在开挖初期, 由于砂卵石层中含水量呈饱和状态, 渗水量较大, 但随着开挖深度的增加, 渗水量逐渐减少, 最终总渗水量约为80m3/h, 渗水主要来自于上游围堰裹头处和导流洞渗水, 少量来自其它部位, 总体防渗效果较好。
8 结语
近几年, 随着中国水电站工程的大量建设, 特别是在几个大型水电站( 如三峡) 围堰防渗中的应用, 高喷灌浆作为水电站围堰防渗技术已日趋成熟。但要达到预期的防渗效果, 为基坑开挖创造良好的施工环境, 必须认真对待高喷灌浆的设计与施工, 根据地层正确选择施工设备和施工技术参数是保证工程质量的关键。