高噴灌漿技術在金元水電站圍堰工程中的應用

鄧少遠

(廣東水電二局股份有限公司,廣東增城,511340)

1 工程概況

金元水電站位于四川省甘孜藏族自治州的康定縣境內、大渡河左岸支流金湯河干流中游,是金湯河干流梯級開發(fā)的第二級水電站,為引水式開發(fā)。電站以發(fā)電為主,兼顧生態(tài)環(huán)境用水。水庫正常蓄水位 2610.0m,死水位 2602.0m,總庫容13.3萬 m3,調節(jié)庫容 9.6萬 m3,具有日調節(jié)能力。電站裝機 2臺,總裝機容量 12.0萬 kW。

電站為Ⅲ等中型工程,樞紐建筑物由首部樞紐、左岸引水隧洞、左岸地面廠房、鐘鼓樓溝調水建筑物及公地溝調水建筑物等組成。首部樞紐建筑物由混凝土重力壩、泄洪沖沙閘、排污閘及引水系統(tǒng)進水口組成。

壩址處河谷橫斷面形態(tài)呈對稱“V”形橫向谷,河床常水位 2590.7m,水面寬 19.5m,河谷底寬 42.7m,正常蓄水位 2610m時,河谷寬 46.6m。壩基河床覆蓋層厚 50m～65m。兩岸及河床下伏基巖為泥盆系中統(tǒng)下段中上部灰白色 ～灰色厚層含生物骨屑細晶灰?guī)r、白云巖化細晶灰?guī)r,夾深灰色千枚巖。兩岸岸坡巖體崩塌現(xiàn)象突出,崩、坡積物遍布,局部發(fā)展為泥石流堆積物。

首部樞紐施工導流建筑物包括左岸導流隧洞和上、下游土石圍堰,上、下游圍堰處均為河床沖積砂卵(碎)石,含有較多漂石和塊石,最大粒徑達 1.2m～1.5m。其中,上游圍堰處覆蓋層厚40m～50m,下游圍堰處覆蓋層厚 40m～60m。圍堰體主要為砂卵(碎)石開挖料,夾少量黏土,顆粒大小分布極不均勻。上游圍堰頂高程為2608m,2604.5m以下采用高壓噴射灌漿防滲,噴射界線下至 2587m,為懸掛式高噴防滲墻。

2 施工工藝

2.1 施工布置

高噴灌漿孔中心線置于圍堰軸線,共布置 65個灌漿孔,孔距 1.0m,旋噴套接成墻,灌漿分兩序施工,施工采用三重管法。高噴灌漿上下界線為:上至 2604.5m,下至 2587.0m或深入基巖 1.0m。高噴灌漿孔平面布置如圖 1所示。

圖 1 首部樞紐上游圍堰高噴灌漿孔位布置

2.2 施工流程及施工參數(shù)

造孔采用2臺 XY-2BG沖擊式鉆機鉆孔,采用三重管法高噴灌漿設備 1臺進行高壓旋噴灌漿。在孔造好后下高噴管,高壓噴射以水、氣、漿為介質,高壓噴頭使用一對水平噴嘴噴出 35MPa～40MPa的高壓水射流切割破壞被灌地層,出漿口垂直于高壓水嘴,在高噴管的底部灌入比重大于 1.5g/cm3以上的水泥漿充填被高壓水切開的空間,并使地層中的泥、砂等細小顆粒排出地表,從而形成高噴板墻。主要施工流程為:場地平整→孔位放樣→鉆機就位→造孔→高噴平車就位→下入噴具→起拔導管→靜灌→高壓噴射灌漿及提升→孔口回灌→下一孔位鉆進。

高壓噴射灌漿施工參數(shù)見表 1。

表 1 高噴灌漿施工參數(shù)

2.3 灌漿鉆孔施工

鉆機安放平穩(wěn),孔位偏差小于 5cm,均用水平尺校正機臺水平和鉆機立軸垂直度。鉆進過程中,使用測斜儀對鉆孔測斜,當發(fā)現(xiàn)鉆孔傾斜時,及時采取補救措施,以確保成孔傾斜度小于 1%,鉆孔深度達到設計有效深度。鉆進過程中詳細記錄鉆孔遇到的各種現(xiàn)象,并根據(jù)返渣情況、鉆進深度、鉆機及沖擊器運行情況,判斷覆蓋層分層深度、地下水位、漂、卵石分布、埋深及架空、漏失、動水等情況。鉆孔結束后,檢查孔深是否達到設計孔深,并妥善保護好孔口。

2.4 高壓旋噴施工

高壓旋噴灌漿采用三重管雙噴嘴自下而上連續(xù)噴灌。為保證先期形成的板墻與后期形成的板墻有效連結,采用間隔性Ⅰ序孔、Ⅱ序孔施工方法,即先施工完Ⅰ序孔,然后再施工Ⅱ序孔。漿液材料采用四川峨勝水泥股份有限公司生產的“峨勝牌”P.C32.5R高性能復合水泥,漿液水灰比為1∶1～0.6∶1。旋噴程序如下:

(1)下噴具。將組裝好的噴具進行試噴,保證漿、水、氣暢通,達到噴漿要求,保護好噴嘴,再將噴具下入護壁導管的孔內,并確保噴具下入到設計深度。

(2)靜灌。下入噴具后將護壁導管拔出,進行孔底靜灌,同時對旋噴角度和提升速度加以調試。

(3)高噴灌漿。待靜灌 3min～5min或孔口返漿量較大時,送入符合要求的風、水、漿,邊旋轉邊提升,直至設計終噴高程停噴。在噴射灌漿過程中,隨時監(jiān)測進漿比重,回漿比重、流量,風、水、漿的壓力、流量及旋轉提升速度等參數(shù),并詳細記錄。

(4)孔口回灌。為解決噴孔頂部因漿液析水和滲漏而出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象,在高噴結束后,用相鄰孔噴漿冒出漿液自流進行孔口靜壓回填灌漿,直到液面不再析水下降為止。

2.5 特殊情況的處理

2.5.1 孔口返漿量過大或過小,視具體情況調整水、氣、漿壓力與流量等參數(shù);對于孔口不返漿情況,采取降低壓力、增大漿液濃度、加砂子及速凝劑等進行噴灌。

2.5.2 孔深且含砂過重造成機械負荷過大時,視孔深情況分幾次拔護壁套管,從而減少噴桿與砂礫石、砂卵石、漂石之間的摩擦,使機械正常運行,保證噴灌質量。

2.5.3 高噴因故中斷,應停止提升,記錄中斷深度,并盡快恢復。若短時間不能恢復的,應提出噴具用水沖洗干凈,待故障處理后,將噴具下入原中斷位置以下 1.0m左右繼續(xù)進行噴射灌漿。

2.5.4 下噴具過程中如下不到孔底,采用通風、水、漿并旋轉噴具的方法處理,使噴具達到設計深度。噴具不能下到設計深度時應重新造孔。

2.5.5 在漂卵石(塊石)架空地層噴灌,適當調整施工參數(shù),降低噴射水壓和風壓,增大供漿量,加大漿液濃度,孔口摻砂等,直到孔口返漿符合要求為止。

2.5.6 在厚度 50cm以上大塊石的孔段進行高噴灌漿時,為確保漿液對大塊石的裹袱效果,在大塊石上、下 20cm～30cm降低提升速度、風壓和水壓,加大供漿量并下放噴具進行復噴。同時加入砂子,以便在靠近大塊石處形成更大的成樁直徑。

3 高噴效果檢查及評價

上游圍堰完成高噴灌漿孔 65個,最大孔深17.5m,完成高噴灌漿 1078m,共灌入水泥526.5t,平均水泥單耗 488.4kg/m。高噴灌漿結束后,在高噴軸線下游側布置一個四邊形圍井進行開挖直觀檢查,圍井底部澆筑 30cm厚素混凝土封閉,圍井內進行注水試驗。

從圍井開挖直觀檢查的結果來看,高噴板墻施工質量很好,主要表現(xiàn)在以下兩方面:①砂卵石層大多數(shù)被噴射擴散的水泥粘結,比較堅硬,人工用鎬開挖十分困難。從板墻上可以看到,粒徑達150mm～250mm的大卵石也被水泥結石包裹,膠結很好;②圍井的封閉性相當好,圍井板墻連接很好,板墻的防滲性強,開挖至上游河床水位以下3m左右未見水滲入。通過圍井注水試驗,測得高噴板墻的滲透系數(shù) k=6.26×106cm/s,滿足設計要求(k＜1×105cm/s)。可見,圍堰總體防滲效果良好,基坑抽水取得了一次成功,滿足開挖施工要求。

4 結論與體會

4.1 綜合圍井開挖直觀檢查、圍井注水試驗結果和基坑抽水效果,說明金元水電站首部樞紐上游圍堰采用高壓旋噴灌漿防滲效果良好,所取施工參數(shù)可行。

4.2 高壓噴射灌漿與普通灌漿的作用原理有著根本區(qū)別。普通灌漿借助壓力,使?jié){液沿孔隙或裂隙進入被灌地層,在含泥的砂層、砂礫卵石層中具有不可控、不可灌等特點。高壓噴射灌漿則是借助于 35MPa～40MPa的高壓射流沖擊破壞被灌地層結構,切削攪動地層,使水泥漿液與被灌地層顆粒摻混,形成水泥凝結體。同時,水、氣、漿與地層中的細顆粒摻混,形成夾氣混合液,沿孔壁與噴管之間間隙排出地表,具有升揚置換作用。因此,高壓噴射灌漿在含泥的砂層、砂卵石層中具有較好的可控性及可灌性。

4.3 高壓噴射灌漿系隱蔽工程施工,對施工參數(shù)必須嚴格控制才能保證施工質量。其中,高噴管的提升速度、高壓水的壓力、水泥漿液的比重、回漿量等是高噴施工控制的關鍵。

4.4 控制好高噴管的提升速度及充分利用回漿是節(jié)約水泥消耗量的關鍵,在砂層、粉土層、粘土層中可以提升快些,為 0.1m/s～0.15m/s;而在礫石層、卵石層中,由于地層的滲透性強,高噴管的提升速度不能太快,一般為 0.05m/s～0.1m/s,在沒有回漿的地段要停止提升直到有回漿出現(xiàn)。高噴過程中產生大量的回漿,含有較多的水泥成分,可以抽回攪漿機中加入適量的水泥后重新利用,以降低水泥的消耗量。

4.5 實踐證明,高壓噴射灌漿是處理砂卵石地層滲漏的有效方法,施工速度較快,具有較好的可灌性、可控性,施工質量可靠,比較經濟,值得在砂卵石地層防滲工程中大力推廣。