塑性混凝土防渗墙在程潮铁矿拦洪坝治理中的应用

吴艳梅,张建军

(武钢矿业公司程潮铁矿,湖北鄂州 436051)

塑性混凝土防渗墙在程潮铁矿拦洪坝治理中的应用

吴艳梅,张建军

(武钢矿业公司程潮铁矿,湖北鄂州 436051)

针对程潮铁矿拦洪坝的变形原因和状况,较详细地阐述了在不影响矿山水库正常使用的情况下,采用弹性模量低、抗渗性能好的塑性混凝土防渗墙,对不断变形的病患坝体进行防渗加固治理,通过治理过程和效果分析,以期为类似地质环境灾害治理提供有益启示。

拦洪坝;塑性混凝土;防渗墙;治理

0 引言

地下连续墙施工技术是20世纪60年代兴起的一种基础工程施工方法[1],主要用于挡土、防水、构筑物承重等方面。近年来,中国有许多用塑性混凝土防渗墙对病患水库大坝基础防渗处理的工程实例,但在不影响水库正常使用的情况下,对处于持续变形条件的坝体进行防渗加固处理,在国内还没有工程实例。程潮铁矿拦洪坝受井下采矿、地表塌陷变形的影响,坝体出现了不同程度的水平、沉降位移和渗漏,通过采用塑性混凝土防渗墙进行防渗加固处理,取得了极佳的治理效果,为处于持续变形状况的病患水库治理提供了工程先例。

1 工程概况

1.1 拦洪坝的基本情况

程潮铁矿拦洪坝位于东采塌陷区北部,主要用于矿山井下涌水排水量的存储及汇水面积内地表水的拦截,同时为井下生产循环用水和选矿生产用水提供水源,是矿山正常、安全生产的基础设施。

拦洪坝是一个“U”字型土坝,最大坝高15.28 m,坝轴线长120 m,于1959年在原塘堰的基础上加高而成。坝基坐落在强风化的斑状花岗岩上,筑成后下游就有渗漏现象,1962年在坝体上游临水面建立了一垂直刚性混凝土挡墙,且在下游坡作片石压坝处理,但渗漏现象并没有完全消失。

1.2 地质条件

程潮铁矿拦洪坝水库出露的地层主要为燕山晚期第四次侵入斑状花岗岩以及第四纪的残坡积物和人工堆积物。坝体主要为人工堆填的粘土及碎石土。坝体及坝基的岩土结构从上到下为:①粉质粘土,黄褐色—灰褐色,稍密状态,稍湿,平均厚1.94 m;②碎石土,浅肉红色—灰褐色,粒径一般0.5～3 cm,最大厚度13.4 m,平均厚度9.66 m;③粉质粘土,浅黄褐色—灰褐色,可塑,稍湿,顶部含淤泥质粘土,平均厚度4.06 m;④强风化花岗岩,黄褐色、肉红色,大部分风化呈砂土状,平均厚度6.51 m。下伏中风化花岗岩,水库及坝体下覆基岩在完整的情况下为相对隔水岩体。

1.3 坝体变形状况

程潮铁矿建矿以来一直采用无底柱分段崩落法采矿,随着矿体的开采,矿体上覆岩土体松动,产生地面错动、塌陷变形。采矿塌陷区大小不等的地面塌陷坑10多个,坑坑相连。拦洪坝位于塌陷区北侧、地面移动界线内,离塌陷坑最近距离约为110 m,受地基变形的影响,拦洪坝出现了不同程度的水平位移和垂直沉降,2008年7月～2009年2月三维变形速率达到0.40 mm/d,渗漏量比往年同期增加一倍多,对坝体的稳定造成严重的影响,并使位于水库南侧的东采区矿坑涌水量大幅增加,严重威胁坝体和井下生产安全。

2 防渗加固设计

2.1 设计原则

根据矿区生产安排,短期内拦洪坝水库的功能不能缺失,随着矿体的开采,采矿引起的地面变形对拦洪坝的影响还将持续存在,拦洪坝治理刻不容缓。治理工程设计必须以经济合理、见效快、安全运行为原则。

2.2 设计方案

由于塑性混凝土是用优质的膨润土、粘土等材料按一定比例与混凝土混合而得到的一种新型防渗材料,具有变形模量低、能适应地基变形[2]、防渗性能有保证等良好特性,因此设计选用施工速度快、防渗效果好的地下连续墙施工技术方案。

通过对拦洪坝的变形特征、地质条件分析,设计在坝体及坝基岩体强风化部位采用塑性混凝土防渗墙作为防渗加固的主体(见图1),在墙与岩体的接触部位及坝体两肩中采用接缝注浆进行进一步的防渗处理。防渗墙的施工采用液压抓斗成墙,接缝注浆采用循环式注浆工艺。

图1 塑性混凝土防渗墙横剖面图Fig.1 Cross section of plastic concrete

2.3 设计工程量

拦洪坝防渗墙设计长度130 m,设计墙体厚度0.6 m,采用薄壁液压抓斗法施工技术开挖成槽。根据设备及地质条件确定每6 m为一个槽段,所有槽段按奇偶数分二个槽序,先施工Ⅰ号槽段,一个槽段挖成后,立即用塑性混凝土进行浇灌。每一槽段深度由其下的岩性决定,设计抓槽深入花岗岩中风化层0.5 m。沿防渗墙轴线布置接缝注浆钻孔一排,墙体两侧与岩体结合部位布置注浆孔2排,孔间距为2 m,一共布置钻孔104个。注浆钻孔设计进入中风化花岗岩内10 m。

2.4 设计技术指标

塑性混凝土防渗墙设计物理力学指标为:防渗墙成墙厚度600 mm;墙体强度设计为7.5MPa;抗渗标号为S6;弹性模量ES≤2.2×104N/mm2;接缝注浆要求岩体压水试验透水率<3 lu。

3 防渗墙施工

3.1 修筑导槽

导槽是在地层表面沿地下连接防渗墙轴线方向设置的临时构筑物。导槽起着标定防渗墙位置、成槽导向、锁固槽口,保持泥浆液面,槽孔上部孔壁保护、外部荷载支撑的作用。导槽的稳定是混凝土防渗墙安全施工的关键,为了使导槽具有足够的刚度和良好的整体性,本工程导槽两侧现浇C20混凝土导墙(断面规格见图2),槽内净宽70 cm,顶面高于施工场地10 cm,以阻止地表水流入。导墙施工完成达到50%强度要求后,在导墙上放样标识槽段位置,防渗墙槽段施工在导槽中间进行。

图2 导槽横断面图Fig.2 Cross-section of guidance

3.2 抓斗成槽

防渗墙各槽段进行抓斗成槽前,先将抓斗正对某一槽段位置再垂直向下进行造孔。液压抓斗机每抓一次的宽度为2.8 m,根据设备性能制定“三抓法”的施工方案,即采用先抓取槽段的两端岩土再抓取中间剩余部分,成槽的质量标准根据相关规范的要求,孔位偏差≤3 cm;槽孔孔壁应平整垂直,孔斜率≤8‰,最终施工槽段成槽深度由现场技术负责、监理鉴定岩层岩性确定。

在造孔成槽过程中,要使用泥浆起固壁、悬浮、携渣、冷却钻具和润滑的作用,成墙后还可增加墙体的抗渗性能。本工程泥浆采用膨润土拌制,1 m3泥浆投料量配合比为:水950 kg、膨润土130 kg、纯碱4 kg,CMC 1 kg。槽段终孔验收合格后进行清孔,清孔采用抓斗抓取淤泥,并及时用新鲜泥浆补充。清孔换浆结束1 h后,若孔底淤积厚度≤10 cm,槽内泥浆比重≤1.2 g/cm3,粘度≤30 s,含砂量≤6%,槽段成槽工作完成,准备槽段混凝土浇灌工作,混凝土防渗墙是在泥浆下灌筑混凝土。

3.3 防渗墙体灌筑

一个槽段抓成后,垂直下入三根Φ108 mm的地质钢管,作为下一步的注浆钻孔预埋管,预埋管立于墙体轴线上,管间距离为2 m,长度大于槽深0.5 m。

墙体灌筑采用刚性导管法进行,在预埋地质管的同时,在槽段中部垂直下入一根直径Φ300 mm的灌浆导管,导管离槽底15～25 cm,用管道将预先制好的塑性混凝土浆液送入灌浆导管,混凝土竖向顺导管下落,利用导管隔离泥浆,导管内混凝土依靠自重压挤下部管口的混凝土,并在已灌入的混凝土体内流动、扩散上升,最终置换出泥浆,保证混凝土的整体性。按材料规格要求,经材料配比试验,拦洪坝防渗墙采用的灌浆液材料重量比为:水泥 ∶水 ∶砂 ∶石 ∶膨润土=1∶2∶6.47∶2.76∶1。

灌注过程中每30 min测量一次混凝土面,每2 h测量一次导管内混凝土面,根据混凝土面上升情况,决定导管的提升长度。导管在混凝土内的埋深最小须≥1.0 m,最大须≤6.0 m,在保证埋深的前提下,随着混凝土面的上升,用吊车提升导管,并将顶部的部分导管拆除。槽孔内混凝土面上升至槽口时,采用泥浆泵抽出浓浆,并提升导管,减小埋深,增加混凝土的冲击力,直至混凝土顶面超出设计墙顶标高0.5 m,即可停止浇筑,拔出导管,完成灌浆程序。

3.4 槽段接头处理

相邻槽段的衔接部分即为接头,本工程采用切削法进行接头连接,即一期槽段浇筑完毕12 h后,视混凝土强度进行二期槽段造孔时,用抓斗将一期槽段混凝土切削成锯齿型,二期槽段灌注的同时将锯齿包裹起来使一、二期槽段成为整体,以保证接头质量。

4 接缝注浆

4.1 注浆孔施工

注浆钻孔选用能力较大的XY-1岩心钻机施工,在墙体上施工时,钻机立轴正对预埋孔口管,偏差≤5 mm,以免施工时打动预埋管而影响墙体质量。防渗墙两端注浆孔用Φ110 mm口径开孔,Φ91 mm钻进到终孔。钻孔终孔严格按设计要求,必须满足下述要求之一:①进入完整岩层2 m以上;②压水试验透水率<3 lu。

4.2 灌浆施工

为了保证防渗堵水的质量,灌浆采用孔口封闭,全孔循环的注浆方式。钻孔要求清水钻进,灌浆前洗孔,孔内沉渣不得超过10 cm。注浆管下入孔内距孔底20 cm。一般情况下全孔一次灌注,如孔内漏水严重,可先注浆,待凝后钻进到设计孔深,则注浆结束。

4.3 灌浆材料及配比

灌浆材料以水泥为主,考虑浆液的稳定性、可灌性,最主要考虑坝体在不断变形的地质环境中,为增加防渗可靠性,浆液中要求加入一定比例的膨润土,参考比例为:水泥∶膨润土=1∶1,施工前先做配比试验,检测浆液结石体的抗渗性能及强度。浆液的水固比根据岩石渗透性的大小选用,初始浆液的水固比取3∶1;注浆过程中再根据灌浆压力及灌浆量从3∶1,2∶1,1∶1,0.8∶1,0.6∶1到0.5∶1,按由稀到浓的原则逐级改变浆液浓度。如注浆量过大,单次注浆超过20 m3,则应等待4 h后再扫孔注浆。

4.4 灌浆压力

灌浆压力与地质条件密切相关,在施工中根据岩层的吸浆情况以及有无冒浆或抬动变形等情况对灌浆压力及时进行调整。拦洪坝注浆孔孔深0～20 m时,灌浆压力为0.2～0.4 MPa;孔深20～40 m时,灌浆压力为0.3～0.6 MPa。

灌浆与压水都用自动灌浆记录仪全过程记录各项参数,在设计压力下,注入率≤1 L/min时,延续灌注时间≥30 min。灌浆结束后,用水灰比为0.5∶1的浓浆封孔并保持终灌压力30 min。接缝注浆的质量检查采用压水试验。钻孔注浆结束后抽取10%的钻孔扫孔到底,进行压水试验检查,试验压力取终孔灌浆压力。

5 施工过程中出现的主要问题及处理措施

5.1 坍塌

由于拦洪坝堆积体以松散碎石土层为主,槽段在成槽过程中会出现局部坍塌和大面积坍塌。当出现局部坍塌时加大泥浆密度,待沉积密实后再进行施工,同时在相应地段减小槽段开挖长度,将1个槽段分成2个小段施工。

在注浆钻孔施工过程中,风化岩体较破碎,容易塌孔、卡钻。主要的解决办法是在松散地层中用跟管钻进,在破碎地段用泥浆护壁。

5.2 漏浆、串浆

槽段成槽开挖过程中,有时出现漏浆,漏浆严重时能在库内和坝体下游渗漏处见到泥浆浑水,此时在泥浆中增大水泥量,加大泥浆比重;及时补充泥浆量;对漏失严重的地层用速凝水泥、水玻璃等特殊材料处理。

漏浆钻孔灌浆压力达不到设计要求,有时浆液会串到邻孔内,此时,需要待灌浆孔浆液凝固后,扫孔重新注浆。被串浆的钻孔也需要按照设计要求重新钻进、注浆处理。

6 防渗墙工程治理效果

拦洪坝下游是采矿塌陷区,原有7个出水点,水库渗漏水全部通过塌陷区涌入矿坑,需要人力、物力、财力从500多米深的井下矿坑重新抽出。同时渗漏水对塌陷区、采区岩矿体进行侵蚀、淋滤、浸泡,降低了井下巷道矿岩强度,增大巷道冒顶垮塌的危险以及巷道垮冒造成的矿石资源损失。拦洪坝治理后,所有出水点全部干枯(见坝体下游渗漏水流监测点照片1、照片2);大大减弱了地下水对坝体的侵蚀以及对塌陷区的冲刷作用,更有利于坝体的稳定;延长了矿山水库使用寿命;减小了水对巷道的不利影响,增强了巷道的稳定性,采矿生产可以按照设计回收矿石资源;降低了井下安全生产风险,有利于资源节约型、环境友好型矿山建设。

照片1 工程施工前渗漏水流Photo 1 Leakage flow before project construction

[1] 胡茂焱,刘大军,郑秀华.地质灾害与治理技术[M].武汉:中国地质大学出版社,2005:50.

[2] 郑守仁,杨文俊.河道截流与流水筑坝技术[M].武汉:湖北科学技术出版社,2009:488.

(责任编辑:胡立智)

Application of Plastic Concrete Cut-off Wall for Retaining Dam Treatment in Chengchao Iron Mine

WU Yanmei,ZHANG Jianjun
(Chengchao Iron Refinery,Wuhan Iron and Steel Com pany,Ezhou,Hubei436051)

In view of defor mation cause of retaining dam in Chengchao iron mine,it adopts low elastic modulus,good imper meability disposal of plastic concrete cutoff wall construction without affecting nor mal operation of reservoirs.It expounds anti-seepage reinforcement and regulation effect of continuous deformation of dam.

continuous deformation of dam;plastic;cut-offwall;governance

TV543+.82;TV64

A

1671-1211(2010)03-0271-04

2009-11-25;改回日期:2009-01-18

吴艳梅(1965-),女,高级工程师,水文地质工程地质专业,从事矿山水文地质、工程地质工作。E-mail:chchwym@sina.com