高喷灌浆技术在金元水电站围堰工程中的应用

邓少远

(广东水电二局股份有限公司,广东增城,511340)

1 工程概况

金元水电站位于四川省甘孜藏族自治州的康定县境内、大渡河左岸支流金汤河干流中游,是金汤河干流梯级开发的第二级水电站,为引水式开发。电站以发电为主,兼顾生态环境用水。水库正常蓄水位 2610.0m,死水位 2602.0m,总库容13.3万 m3,调节库容 9.6万 m3,具有日调节能力。电站装机 2台,总装机容量 12.0万 kW。

电站为Ⅲ等中型工程,枢纽建筑物由首部枢纽、左岸引水隧洞、左岸地面厂房、钟鼓楼沟调水建筑物及公地沟调水建筑物等组成。首部枢纽建筑物由混凝土重力坝、泄洪冲沙闸、排污闸及引水系统进水口组成。

坝址处河谷横断面形态呈对称“V”形横向谷,河床常水位 2590.7m,水面宽 19.5m,河谷底宽 42.7m,正常蓄水位 2610m时,河谷宽 46.6m。坝基河床覆盖层厚 50m～65m。两岸及河床下伏基岩为泥盆系中统下段中上部灰白色 ～灰色厚层含生物骨屑细晶灰岩、白云岩化细晶灰岩,夹深灰色千枚岩。两岸岸坡岩体崩塌现象突出,崩、坡积物遍布,局部发展为泥石流堆积物。

首部枢纽施工导流建筑物包括左岸导流隧洞和上、下游土石围堰,上、下游围堰处均为河床冲积砂卵(碎)石,含有较多漂石和块石,最大粒径达 1.2m～1.5m。其中,上游围堰处覆盖层厚40m～50m,下游围堰处覆盖层厚 40m～60m。围堰体主要为砂卵(碎)石开挖料,夹少量黏土,颗粒大小分布极不均匀。上游围堰顶高程为2608m,2604.5m以下采用高压喷射灌浆防渗,喷射界线下至 2587m,为悬挂式高喷防渗墙。

2 施工工艺

2.1 施工布置

高喷灌浆孔中心线置于围堰轴线,共布置 65个灌浆孔,孔距 1.0m,旋喷套接成墙,灌浆分两序施工,施工采用三重管法。高喷灌浆上下界线为:上至 2604.5m,下至 2587.0m或深入基岩 1.0m。高喷灌浆孔平面布置如图 1所示。

图 1 首部枢纽上游围堰高喷灌浆孔位布置

2.2 施工流程及施工参数

造孔采用2台 XY-2BG冲击式钻机钻孔,采用三重管法高喷灌浆设备 1台进行高压旋喷灌浆。在孔造好后下高喷管,高压喷射以水、气、浆为介质,高压喷头使用一对水平喷嘴喷出 35MPa～40MPa的高压水射流切割破坏被灌地层,出浆口垂直于高压水嘴,在高喷管的底部灌入比重大于 1.5g/cm3以上的水泥浆充填被高压水切开的空间,并使地层中的泥、砂等细小颗粒排出地表,从而形成高喷板墙。主要施工流程为:场地平整→孔位放样→钻机就位→造孔→高喷平车就位→下入喷具→起拔导管→静灌→高压喷射灌浆及提升→孔口回灌→下一孔位钻进。

高压喷射灌浆施工参数见表 1。

表 1 高喷灌浆施工参数

2.3 灌浆钻孔施工

钻机安放平稳,孔位偏差小于 5cm,均用水平尺校正机台水平和钻机立轴垂直度。钻进过程中,使用测斜仪对钻孔测斜,当发现钻孔倾斜时,及时采取补救措施,以确保成孔倾斜度小于 1%,钻孔深度达到设计有效深度。钻进过程中详细记录钻孔遇到的各种现象,并根据返渣情况、钻进深度、钻机及冲击器运行情况,判断覆盖层分层深度、地下水位、漂、卵石分布、埋深及架空、漏失、动水等情况。钻孔结束后,检查孔深是否达到设计孔深,并妥善保护好孔口。

2.4 高压旋喷施工

高压旋喷灌浆采用三重管双喷嘴自下而上连续喷灌。为保证先期形成的板墙与后期形成的板墙有效连结,采用间隔性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。浆液材料采用四川峨胜水泥股份有限公司生产的“峨胜牌”P.C32.5R高性能复合水泥,浆液水灰比为1∶1～0.6∶1。旋喷程序如下:

(1)下喷具。将组装好的喷具进行试喷,保证浆、水、气畅通,达到喷浆要求,保护好喷嘴,再将喷具下入护壁导管的孔内,并确保喷具下入到设计深度。

(2)静灌。下入喷具后将护壁导管拔出,进行孔底静灌,同时对旋喷角度和提升速度加以调试。

(3)高喷灌浆。待静灌 3min～5min或孔口返浆量较大时,送入符合要求的风、水、浆,边旋转边提升,直至设计终喷高程停喷。在喷射灌浆过程中,随时监测进浆比重,回浆比重、流量,风、水、浆的压力、流量及旋转提升速度等参数,并详细记录。

(4)孔口回灌。为解决喷孔顶部因浆液析水和渗漏而出现凹陷现象,在高喷结束后,用相邻孔喷浆冒出浆液自流进行孔口静压回填灌浆,直到液面不再析水下降为止。

2.5 特殊情况的处理

2.5.1 孔口返浆量过大或过小,视具体情况调整水、气、浆压力与流量等参数;对于孔口不返浆情况,采取降低压力、增大浆液浓度、加砂子及速凝剂等进行喷灌。

2.5.2 孔深且含砂过重造成机械负荷过大时,视孔深情况分几次拔护壁套管,从而减少喷杆与砂砾石、砂卵石、漂石之间的摩擦,使机械正常运行,保证喷灌质量。

2.5.3 高喷因故中断,应停止提升,记录中断深度,并尽快恢复。若短时间不能恢复的,应提出喷具用水冲洗干净,待故障处理后,将喷具下入原中断位置以下 1.0m左右继续进行喷射灌浆。

2.5.4 下喷具过程中如下不到孔底,采用通风、水、浆并旋转喷具的方法处理,使喷具达到设计深度。喷具不能下到设计深度时应重新造孔。

2.5.5 在漂卵石(块石)架空地层喷灌,适当调整施工参数,降低喷射水压和风压,增大供浆量,加大浆液浓度,孔口掺砂等,直到孔口返浆符合要求为止。

2.5.6 在厚度 50cm以上大块石的孔段进行高喷灌浆时,为确保浆液对大块石的裹袱效果,在大块石上、下 20cm～30cm降低提升速度、风压和水压,加大供浆量并下放喷具进行复喷。同时加入砂子,以便在靠近大块石处形成更大的成桩直径。

3 高喷效果检查及评价

上游围堰完成高喷灌浆孔 65个,最大孔深17.5m,完成高喷灌浆 1078m,共灌入水泥526.5t,平均水泥单耗 488.4kg/m。高喷灌浆结束后,在高喷轴线下游侧布置一个四边形围井进行开挖直观检查,围井底部浇筑 30cm厚素混凝土封闭,围井内进行注水试验。

从围井开挖直观检查的结果来看,高喷板墙施工质量很好,主要表现在以下两方面:①砂卵石层大多数被喷射扩散的水泥粘结,比较坚硬,人工用镐开挖十分困难。从板墙上可以看到,粒径达150mm～250mm的大卵石也被水泥结石包裹,胶结很好;②围井的封闭性相当好,围井板墙连接很好,板墙的防渗性强,开挖至上游河床水位以下3m左右未见水渗入。通过围井注水试验,测得高喷板墙的渗透系数 k=6.26×106cm/s,满足设计要求(k＜1×105cm/s)。可见,围堰总体防渗效果良好,基坑抽水取得了一次成功,满足开挖施工要求。

4 结论与体会

4.1 综合围井开挖直观检查、围井注水试验结果和基坑抽水效果,说明金元水电站首部枢纽上游围堰采用高压旋喷灌浆防渗效果良好,所取施工参数可行。

4.2 高压喷射灌浆与普通灌浆的作用原理有着根本区别。普通灌浆借助压力,使浆液沿孔隙或裂隙进入被灌地层,在含泥的砂层、砂砾卵石层中具有不可控、不可灌等特点。高压喷射灌浆则是借助于 35MPa～40MPa的高压射流冲击破坏被灌地层结构,切削搅动地层,使水泥浆液与被灌地层颗粒掺混,形成水泥凝结体。同时,水、气、浆与地层中的细颗粒掺混,形成夹气混合液,沿孔壁与喷管之间间隙排出地表,具有升扬置换作用。因此,高压喷射灌浆在含泥的砂层、砂卵石层中具有较好的可控性及可灌性。

4.3 高压喷射灌浆系隐蔽工程施工,对施工参数必须严格控制才能保证施工质量。其中,高喷管的提升速度、高压水的压力、水泥浆液的比重、回浆量等是高喷施工控制的关键。

4.4 控制好高喷管的提升速度及充分利用回浆是节约水泥消耗量的关键,在砂层、粉土层、粘土层中可以提升快些,为 0.1m/s～0.15m/s;而在砾石层、卵石层中,由于地层的渗透性强,高喷管的提升速度不能太快,一般为 0.05m/s～0.1m/s,在没有回浆的地段要停止提升直到有回浆出现。高喷过程中产生大量的回浆,含有较多的水泥成分,可以抽回搅浆机中加入适量的水泥后重新利用,以降低水泥的消耗量。

4.5 实践证明,高压喷射灌浆是处理砂卵石地层渗漏的有效方法,施工速度较快,具有较好的可灌性、可控性,施工质量可靠,比较经济,值得在砂卵石地层防渗工程中大力推广。