化学泥浆钻抓成槽施工技术在亚曼苏水电站防渗墙中的应用

高 强， 王 勇， 魏 玉 麟

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

化学泥浆钻抓成槽施工技术在亚曼苏水电站防渗墙中的应用

高 强， 王 勇， 魏 玉 麟

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

结合新疆亚曼苏水电站厂房防渗墙工程实例，采用实验室及现场试验的方式，对膨润土及化学泥浆在护壁机理、关键性能指标、使用方法等进行了深入的研究对比，提出了在砂卵砾石地层以化学泥浆护壁、液压抓斗配合旋挖钻机的“钻抓法”成槽的悬挂式防渗墙施工工艺。该工艺很好地解决了膨润土泥浆护壁存在的泥浆制备繁琐、稳定性差、回收率低且难度大、废浆多、处理成本高，孔底沉渣多、施工质量较难保证等难题，可为类似工程提供一定参考。

悬挂式防渗墙；砂卵砾石层；化学泥浆；钻抓法；亚曼苏水电站

1 工程概况

亚曼苏水电站工程位于托什干河流域，采用引水式开发，装机容量为24.4万kW。电站厂房以悬挂式混凝土防渗墙为防渗体系，兼做永久挡土墙结构。防渗墙施工轴线长度为495.65 m，设计墙深52 m，设计墙厚0.5 m，墙体材料采用C25W8F100混凝土。

该工程防渗墙地质条件主要以第四系堆积物砂岩及灰岩为主，自上而下分别为卵石和低液限粘土。地层结构密实，其中少量中密、细颗粒充填物以中粗砂及粉土为主，或含有少量漂砾。

卵石粒径为6～15 cm，约占地层的5%～10%。砾石粒径为3～5 cm，约占地层的65%～70%。卵、砾石层渗透系数为1.34×10-2～7.35×10-3cm/s。地下水丰富且为承压水，对护壁泥浆要求很高。因此，在施工过程中保证泥浆的比重、粘度、悬浮携渣等指标尤为重要。

2 技术方案的选择

2.1 施工工艺

根据设计地勘资料、当地施工环境及工期安排，结合我部已有的施工经验，防渗墙采用 “三钻两抓”法成槽，“接头管法”施工搭接部位，“直升导管法”浇筑混凝土等工艺。

2.2 施工难点

防渗墙施工深度为52 m，主要穿越砂卵砾石地层，由于施工现场复杂的水文地质条件，低液限粘土层存在含水量较低时就液化、导致地层强度降低甚至失稳的情况，成槽难度大，浇筑质量难以保证。

2.3 解决思路及技术路线

(1)根据设计地勘资料确定“最危险地层”；

(2)对“最危险地层”进行泥浆试验，确定最优泥浆配合比；

(3)在施工现场进行泥浆试验，检验并优化泥浆配合比，确定最合理、最经济的配合比。

2.3.1 确定施工“最危险地层”

防渗墙施工穿越的第四系上更新统冲洪积地层为二元结构，其中卵石层因结构疏松、卵石间空隙较大、地层稳定性较差，不能形成质量好的泥皮，容易导致泥浆漏失。另外，低液限粘土层在较低含水量时即液化，导致地层强度降低甚至失稳。因此，确定上更新统冲洪积地层为“最危险地层”。

2.3.2 确定最优泥浆配合比

为解决防渗墙施工过程中可能出现的塌孔、沉渣厚度大等问题，所确定的泥浆主要性能参数见表1。

2.3.2.1 试验材料的选择

泥浆试验的材料包括清水、化学泥浆、膨润土、纯碱(Na2CO3)以及羧甲基纤维素(CMC)。清水作为溶剂；膨润土作为主要的固相物质，是形成泥浆的主要材料，可以提高泥浆的造浆率和比重；纯碱主要是为泥浆提供Na+，可以提高泥浆的粘度，调整泥浆的pH值等；羧甲基纤维素(CMC)可以充分增加泥浆的粘度，降低滤失量，提高泥饼的质量，还具有较好的抗盐能力；化学泥浆是形成泥浆的主要材料。

表1 泥浆主要性能参数表

2.3.2.2 泥浆护壁的机理

(1)膨润土泥浆。

泥浆具有一定的比重，同时在槽壁形成一层透水性很低的泥皮，泥浆会对槽壁产生一定的静水压力，该压力有效地作用在槽壁上，能防止槽壁剥落。

(2)化学泥浆。

化学泥浆是一种高分子聚合物，其护壁的机理主要依靠特有的粘性和渗透性。它能把沙粒粘为一体，并向外渗透10～15 cm，形成类似“不凝固混凝土”状的渗透层，从而起到护壁作用。

2.3.2.3 膨润土试验

泥浆的主要性能指标包括比重、马氏漏斗粘度、六速旋转粘度、失水量、泥皮厚度、pH值以及含砂量等。本次试验采用正交试验法，试验结论为：

(1)根据泥浆基浆性能试验，基于纯碱(Na2CO3)是改变基浆粘度的主要因素，试验过程发现：无论膨润土加量为多少，基浆的粘度、泥皮厚度等性能均达不到要求，需加入羧甲基纤维素(CMC)改善泥浆性能。

(2)泥浆配浆材料在基浆的基础上加入羧甲基纤维素(CMC)，经过试验确定：泥浆最优配比为a2b2c3，即膨润土100 g，纯碱(Na2CO3)4.4 g，羧甲基纤维素(CMC)1.5 g。

2.3.2.4 化学泥浆试验

采用控制变量法进行化学泥浆对比试验，确定各种因素对泥浆性能的影响。

通过对比得知：使用NaOH调整pH可以明显减少化学泥浆粉的掺入量，且对化学泥浆粉的溶解有影响；化学泥浆拌制后45 min内粘度达到峰值且8 h内无明显变化，性能稳定；化学泥浆在2 h左右渣土沉淀完全，沉淀呈絮凝状，泥浆清净。

增加化学泥浆粉及NaOH用量可以提高泥浆粘度，同时在一定时间范围内泥浆粘度呈递增趋势。暂定化学泥浆配合比为化学泥浆粉∶水∶火碱=6∶10 000∶3。

2.3.3 现场试验

2.3.3.1 试验过程

膨润土泥浆在“钻抓法”成槽护壁施工中已经得到了大量的应用，工艺成熟，故本次现场试验仅采用化学泥浆进行。现场选择53#、54#两个槽段进行试验，单个槽段长6.2 m，由三个主孔、两个副孔组成。采取“三钻两抓”法成槽，即主孔用旋挖钻机钻取，副孔用液压抓斗抓取。槽段搭接部位采用“接头管”法处理，下设两趟φ250的导管浇筑混凝土。现场试验共完成成槽322.4 m2，理论浇筑方量为260.4 m3，实际浇筑方量为270.8 m3，扩孔系数为1.04。

2.3.3.2 试验结果分析

(1)通过对声波检测结果进行分析，试验槽段孔型、孔斜、孔深、孔底沉渣等完全符合设计指标。化学泥浆的絮凝作用使成槽后沉渣极少，浆液的含沙率几乎为零。试验过程中发现：在成槽及混凝土浇筑施工过程中，从槽孔内抽回泥浆沉淀池的化学泥浆成份洁净，渣土或细砂含量极少。

(2)化学泥浆造浆率高，制备工艺简单，设备及人员投入量少。根据现场实际耗量统计：1 kg化学泥浆粉平均可制浆约1.5～2.5 m3。本工程所用化学泥浆为粉末状、速溶型材料，在使用中只需1～2人便可轻松完成泥浆制备，5 min即可形成很好的护壁浆液，较传统的膨润土泥浆而言，不需要高速制浆机等制浆设备，也不需要长时间的膨化等待过程，化学泥浆施工效率更高。

(3)现场回收的化学泥浆只需简单加入极少量的化学泥浆粉和NaOH、调整pH后即可满足泥浆性能要求标准，不需要增加其它净化设备，回收利用率高。

(4)化学泥浆性能稳定，不易沉淀。试验槽段清孔验收后，紧接着下设接头管和浇筑导管，一期槽浇筑的准备时间通常需要3～4 h，二期槽浇筑的准备时间通常需要4.5～6 h。在此期间，泥浆中悬浮的渣土就会不断下沉，导致孔底沉渣偏大，增加清孔次数并耗时。采用化学泥浆护壁能很好地解决该问题，且等待过程无需持续注入新鲜泥浆或风动搅拌循环。

(5)化学泥浆无毒、无污染。施工完毕，剩余泥浆的处理简便。常使用5%的次氯酸钠溶液(家用漂白剂)或3%的过氧化氢(家庭使用浓度)溶液即可将其分解成无毒的化学分子和水。

综上所述：化学泥浆具有性能优异，稳定性佳，无毒、无污染，造浆率高，制备简便，回收、再使用率高等优点。

3 化学泥浆的实际应用

亚曼苏水电站厂房防渗墙施工最终采用化学泥浆配合“三钻两抓”法进行施工，目前该工程已完工，总计耗时95 d。累计完成槽段90幅，成墙20 000 m2，施工期间未出现质量缺陷。

4 所取得的社会经济效益

本工程采用化学泥浆作为成槽施工护壁材料，在砂卵砾石地层防渗墙施工中获得了成功，不仅体现在施工质量、工期方面，还体现在社会经济效益方面。

4.1 经济效益

(1)膨润土泥浆。

①膨润土泥浆材料成本。

a. 膨润土泥浆用量=轴线长×槽孔宽度×成槽深度×扩孔系数×(1-回收率)

即膨润土泥浆用量=495.65 m×0.5 m×52 m×1.1×(1-0.4)=8 505.4 m3。

b. 膨润土用量。

膨润土泥浆配合比为：100 kg/m3。

膨润土用量=膨润土泥浆配合比×泥浆用量=850.54(t)。

c. 膨润土材料成本=850.54×1 000元(单价)=85.05(万元)。

d.其它制浆材料成本：28.58万元。

②设备成本。

膨润土泥浆制备需投入高速制浆机两台，浆池用循环泵4台，泥浆净化设备1套，设备总价约20万元。

③人工成本。

泥浆制备每个班组需2人，人工成本为：200元/工作日×2人×2×100天=8(万元)。

膨润土泥浆成本=材料成本+人工成本+设备成本=85.05 +28.58 +20 +8=141.63(万元)。

(2)化学泥浆。

①化学泥浆材料成本。

化学泥浆用量=轴线长×槽孔宽度×成槽深度×扩孔系数×(1-回收率)

化学泥浆用量=495.65×0.5×52×1.05×(1-0.7)=4 059.37(m3)。

化学泥浆材料用量=化学泥浆用量÷造浆率=4 059.37÷1.5=2 706.25(kg)。

化学泥浆材料成本=2 706.25×18=4.87(万元)。

②设备成本：制浆无需投入设备。

③人工成本：

泥浆制备每个班组需1人，人工成本为：200元/工作日×1人×2×100天=4(万元)。

化学泥浆成本=材料成本+人工成本+设备成本=4.87 +0 +4=8.87(万元)。

(3)经济对比：膨润土泥浆成本-化学泥浆成本=141.63-8.87=132.76(万元)。

结论：本工程膨润土泥浆成本远高于化学泥浆成本，约为其16倍。

4.2 社会效益

采用膨润土泥浆成槽施工现场废弃泥浆量大，处理难度高，现场施工文明形象有待提高，同时需投入较多的制浆设备，且制浆材料耗量大，施工现场占地范围较化学泥浆多。采用化学泥浆克服了上述缺限。

5 结 语

(1)化学泥浆配合“钻抓法”工艺在新疆亚曼苏水电站厂房防渗墙工程取得了成功，较传统膨润土泥浆具有经济性佳、质量更可控的优点，在该项目施工中发挥了关键作用。

(2)化学泥浆作为新型成槽施工泥浆护壁材料，具有造浆率高、性能稳定、用量低、制浆简单、回收利用率高、经济环保等一系列优点，值得今后在类似工程中推广应用。

(3)化学泥浆用于钻劈法、铣削法、抓铣法等成槽工艺及其它地层中的效果有待于进一步研究。

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高 强(1985- )，男，重庆长寿人，工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作；

王 勇(1990- )，男，河南安阳人，助理工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作；

魏玉麟(1988- )，男，甘肃兰州人，助理工程师，从事水利水电工程施工技术与管理工作.

(责任编辑：李燕辉)

2017- 04- 10

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