鈣基膨潤土帷幕灌漿技術在土石圍堰閉氣中的應用與探討

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1．工程概況

1.1地理位置及工程狀況

大源渡航運樞紐工程位于湘江下游、湖南省衡山縣上游12km處，水路距衡陽市62km，下游距湖南省長沙市204km，壩址左岸屬衡山縣沙頭鎮(zhèn)永和村，右岸為衡東縣霞流荊花港村，壩址下游2km處為湘江干流與支流洣河交匯處。

大源渡二期工程由上游圍堰、下游圍堰及河中混凝土縱向擋水圍堰三部分組成。河床建基面高程在38.0～39.0m之間。其中上游圍堰距河中混凝土縱向擋水圍堰135m。河中水流方向的深槽，貫穿整個上游圍堰，深度約1.5～2.0m。上游圍堰堰頂高程49.9m。其中，在靠近河中混凝土縱向圍堰50m范圍內(nèi)堰頂高程達50.0～51.5m左右。下游圍堰堰頂高程48.0m。上游圍堰堰體防滲中， 44.0m馬道以下采用“鈣基膨潤土帷幕灌漿”技術進行施工閉氣，▽44.0m馬道以上采用土工布置進行防滲處理。圍堰平面布置及堰體結(jié)構斷面型式如下：

1.2圍堰的形成過程

二期工程圍堰堰體主要采用一期工程上、下游圍堰以及廠房混凝土縱向擋水圍堰爆破拆除的土石方和混凝土塊體進行堆筑而成，料源天然抗?jié)B性較差。由于堰體在堆筑時采用自卸汽車自51.0～48.0m之間直接往下卸料，大部分地方未按要求進行分層碾壓，導致堰體密實性和土料間膠結(jié)力較差，加之堰體下部因填筑時自然篩分而形成的大顆粒石塊、混凝土塊體較多，致使堰體底部架空現(xiàn)象普遍、嚴重，堰體抗?jié)B能力較差。二期上游圍堰堰體截流施工程序如下圖所示。

1.3 地質(zhì)情況

大源渡航運樞紐程二期基坑河床覆蓋層為砂礫石層，覆蓋厚度為1～2m。滲透系數(shù)達3×12-1×10-1cm/scc。基礎巖石為前震五強溪級上段變質(zhì)砂巖及砂質(zhì)板巖，巖石風化現(xiàn)象嚴重，節(jié)理、裂隙極其發(fā)育。

2．防滲方案的選擇及施工布置

2.1防滲方案的選擇

在二期上游圍堰防滲方案的選擇過程中，由于現(xiàn)有的高噴漿機械僅2臺套、工人人數(shù)僅45人（含管理人員）。如采用高噴灌漿，則一方面所需工期較長，另一方面施工機械均無法滿足要求。故結(jié)合其它工程中的施工經(jīng)驗，以及考慮到施工工期、施工質(zhì)量、施工成本等方面的要求，經(jīng)取得業(yè)主及監(jiān)理工程師的同意之后，決定將二上游圍堰的施工閉氣由原設計的高噴灌漿改為“鈣基膨潤土帷幕灌漿”。

根據(jù)二期上游圍堰的形成過程及特點，帷幕灌漿防滲處理的重點和難點為： 44.0m馬道以下堰體部分及砂礫石覆蓋層部分。針對二期上游圍堰的這種情況，決定將灌漿過程分成如下兩個施工階段加以進行，即：第一施工階段：可稱為“堵漏”階段，主要是對漏失現(xiàn)象特別嚴重或較為嚴重的部位采用水泥水玻璃砂漿進行封堵；第二施工階段：可稱為“帷幕”階段，主要是對堰體進行鉆孔、灌注水泥膨脹潤土漿液等構筑防滲幕墻。

2.2施工布置

二期工程上游圍堰總長約360m，從河中混凝土縱向擋水圍堰到左岸約340m范圍內(nèi)需要進行灌漿閉氣。根據(jù)工程進度的需要，自河中混凝土縱向擋水圍堰向左將圍堰分成三個施工工段進行，每段長約為120m。三個機組人員均實行兩班工作制，每機組8人。每臺班工作12小時，48小時不間斷施工，并對每施工實行“各個擊破”的施工策略。在靠近河中混凝土縱向擋水圍堰一段的中部約50m平臺布置水泥庫和集中制漿站，灌漿泵及立式攪槽則擺放在44.0m馬道上。在施工用水、用電等分別沿工作面全線鋪通。

2.3主要施工機械材料

2.3.1主要施工機械及數(shù)量

鉆  機：采用SGZ—LIIA型回轉(zhuǎn)鉆機5臺

灌漿機：采用BW200/40型泥漿機3臺

制漿機：采用J100*2型高速攪拌機3臺

儲漿槽：采用0.2立方米立式攪拌機3臺。

2.3.2主要使用施工材料

水泥              采用合格、新鮮的425#普通硅酸鹽水泥

鈣基膨潤土        采用225目的鈣基膨潤土

純堿              采用工業(yè)用純堿

水玻璃            采用40°be′水玻璃，模數(shù)3.0～3.3

3．施工技術及要求

3.1布孔及施工順序

針對二期上游圍堰的結(jié)構特點，決定在龍口段30m范圍內(nèi)及二期上游圍堰與河中混凝土縱向擋水圍堰接頭部位20m范圍內(nèi)按2×0.5m孔間排距呈梅花型布置三排孔，其余部位按2×0.5m孔間排距進行布置兩排孔?？咨钌钊牖鶐r1.0m。

3.2施工順序及施工工藝流程

施工順序：下游排孔（—序孔）→上游排孔（二序孔）→中間排孔（三序孔）。

施工工藝：采用金剛石鉆頭、合金鉆頭進鉆，孔口封閉、自上而下分段灌漿。

工藝流程：φ76mm開孔（鑄φ2.5″孔口管，長1.5m）→φ56mm鉆頭鉆孔→堵漏→灌漿→封孔。

3.3造孔技術要求

造孔采用SGZ—IIIA型回轉(zhuǎn)鉆機及φ76mm、φ56mm合金或金剛石鉆頭進鉆，開孔直徑φ76mm、終孔直徑φ56mm；

孔位偏差≤10mm，孔斜率≤1%；

鉆孔施工采用低泵量、慢速、低壓進鉆、防止燒、埋鉆等事故的發(fā)生；

鉆孔時對孔內(nèi)情況進行詳細記錄，如：地質(zhì)情況、各孔段水流漏失情況、空洞等以備有針對性地進行集中處理；

采用φ76mm鉆頭進鉆結(jié)束后，首先安裝φ2.5″孔口管，然后進行自流式灌漿，并在漿液中加入水泥重量3%的水玻璃以加速漿液的凝固，待凝12小時后方可進行下一施工工序。同時保證孔口管的深度、垂直度及牢固性。

3.4灌漿技術要求

3.4.1 孔口段灌注方法

孔口段采用自流式灌漿，漿液采用水玻璃水泥砂漿。

3.4.2 孔口段以下部分灌注方法

孔口段以下采用孔口封閉、自上而下分段灌漿，每段長2.0～3.0m。當漏失嚴重時，首先采用水玻璃水泥砂漿進行自流式灌注，待凝12小時后改用鈣基膨潤土水泥砂漿進行孔口封閉式灌漿，反之，則直接采用鈣基膨潤土水泥砂漿進行孔口封閉式灌漿。灌漿結(jié)束24小時后方可進行下一步施工作業(yè)。

3.4.3漿液配比

水泥水玻璃砂漿的漿液配比采用：水泥+3～5%水泥重量的40°be′水玻璃；

水泥鈣基膨潤土砂漿的漿液配比采用：水泥+10%水泥重量的225目鈣基膨潤土+5%鈣基膨潤土重量的工業(yè)用純堿。

3.4.4鈣基膨潤土漿液水灰比

采用：2.15：1、2.4：1、1.49：1、1.04：1、0.67：1、0.58：1共六個比級。

3.4.5制漿工藝

水泥鈣基膨潤土漿液的配制方法：鈣基膨潤土加水→攪拌3min→加工業(yè)須知純堿→攪拌2min→加水泥→攪拌2min→使用；

水泥水玻璃砂漿的配制方法：水泥加水→攪拌3min→加水玻璃→攪拌30s～1min→使用。

3.4.6灌漿壓力

采用0.1～0.5Mpa。在地表不冒漿、不抬動等現(xiàn)象的正常情況下，將灌漿壓力盡量升高到0.2Mpa。

3.4.7漿液變換要求

開灌時漿液水灰比采用5.12：1，然后逐級由稀變濃。變換標準為：當注入量達450公升而壓力和吸漿量均無改變時，可以變濃一級；當吸漿量大于30公升/min時可以越濃一級。

3.4.8灌漿結(jié)束標準

一序孔當最濃級漿液注入量達600公升時，可結(jié)束灌漿；二序孔，當最濃級漿液注入量達150公升時可以結(jié)束灌漿；三序孔當最濃級漿液吸漿量達1升/min時，再持續(xù)灌漿10min后可以結(jié)束灌漿。

3.4.9封孔要求

封孔采用0.5：1濃漿及人工結(jié)合將孔口封堵密實。

3.5特殊情況的處理

若遇塌孔、埋鉆、空洞等現(xiàn)象時，必須停止進鉆，然后進行灌漿、掃孔等工作，待復雜孔段灌漿完并待凝12小時后，方可進行下一步施工作業(yè)。

若鉆孔過程中遇沖洗液大量漏失時，可以在孔口加細砂、豆石、鋸沫或水玻璃等物質(zhì)進行堵漏，待凝24小時后方可進行下一施工作業(yè)（加水玻璃時待凝12小時即可）。

在灌漿過程中，若遇漏漿、冒漿、串漿、地表嚴重抬動等現(xiàn)象時，可以采取降壓、限流、間歇灌漿、待凝或改用水玻璃水泥砂漿灌漿并待凝等方法進行處理。

3.6質(zhì)量檢查

灌漿質(zhì)量根據(jù)注水試驗進行檢測，k值可根據(jù)下列經(jīng)驗公式進行計算。

K=0.336Q/LH(4L/D)

其中：k—滲透系數(shù)；

L—段長(m)；

H—注水造成水頭高度(m)

Q—吸水量（噸/晝夜）

D—鉆孔直徑(m)。

4成果分析

4.1灌漿成果分析

經(jīng)過對各《灌漿孔段施工記錄》的統(tǒng)計分析，得出二期上游圍堰鈣基膨潤土帷幕灌漿“填筑層厚度—單位耗量關系折線圖”如下所示：

通過上述《填筑層厚度—單位耗灰量關系折線圖》，可以更進一步認識圍堰堰體的內(nèi)在質(zhì)量，為堰體在今后的運行過程中有針對性地處理相關問題提供了一個強有力的證據(jù)。

4.2成本分析

二期上游圍堰在施工閉氣過程中，共計施工帷幕孔279個，累計鉆孔2377m，灌漿2377m，平均單位耗灰量177kg/m，總耗灰量538.42T。由于采用“鈣基膨潤土帷幕灌漿”技術后，不僅在工程質(zhì)量方面達到預期效果，同時也大大地降低了施工成本。經(jīng)與普通帷幕灌漿相比，其經(jīng)濟指標如下表一所示。

鈣基帷幕實際成本與普通帷幕預算成本相比主要經(jīng)濟參數(shù)對照表         附表一

參數(shù)名稱

單位

鈣基帷幕

普通帷幕

指標差（鈣基帷幕-普通帷幕）

人工費

萬元

4.4

8.5

-4.1

材料費

萬元

38.5

56.7

-18.2

機械費

萬元

60.4

217.0

-156.7

工程預算總造價

萬元

131.7

365.9

234.2

經(jīng)濟預算指標

元/m

554.5

1547.3

992.9

(注：人工單價按大源渡工程調(diào)整后的結(jié)算單價，機械臺時費及取費標準均按《電水規(guī)[1997]031號》文取定，材料價格均為市場價)

經(jīng)與原設計高噴灌漿相比（注：原設計高噴灌漿為孔距1m、孔深7.0m、累計灌漿總長2415m），其經(jīng)濟指標如下表二所示。

鈣基帷幕實際成本與高噴預算成本相比主要經(jīng)濟參數(shù)對照表         附表二

參數(shù)名稱

單位

鈣基帷幕

高噴灌漿

指標差（帷幕-高噴）

人工費

萬元

4.4

14.5

10.1

材料費

萬元

38.5

52.06

13.6

機械費

萬元

60.4

104.2

43.9

工程預算總造價

萬元

131.7

219.8

88.1

經(jīng)濟預算指標

元/m

554.5

910.2

355.7

(注：取費方法同“附表一”)

5結(jié)束語

二期工程上游圍堰自1998年11月1日進場施工，11月20日灌漿結(jié)束，實際施工天數(shù)21天，較原計劃提前25天完工，不僅大大地縮短了圍堰的閉氣時間，為大源渡二期工程上游圍堰的加高、加胖任務的提前完成創(chuàng)造了客觀條件、也為大源渡工程實現(xiàn)“99年3月底以前基坑全面覆蓋完畢”的防洪、渡汛要求贏得了一個月的寶貴時間。實踐證明：采用該施工技術不僅能縮短施工工期、確保圍堰的防滲效果，而且，在成本方面，經(jīng)濟效益也為之大大提高。與普通帷幕相比，可降低施工成本234.2萬元、單位經(jīng)濟造價可降低992.9元/m；與高噴灌漿相比，可降低施工成本88.1萬元、單位經(jīng)濟造價可降低355.7元m。特別是在投標單價較低、施工單位資金短缺的這種情況下，它不僅能為施工單位節(jié)省大量資金，使施工單位的其它工作能得以順利進行如：開挖、澆筑等，同時、也為其它工程采用類似方法提供了一個良好的施工經(jīng)驗。

由于一般圍堰閉氣均直接采用普通水泥砂漿或水泥水玻璃砂漿灌注，致使防滲體呈“剛性”結(jié)構，對抵抗堰體沉降及洪水等破壞作用的能力較差，但如在灌漿漿液中加入適量的鈣基膨潤土及工業(yè)蘇打后，將極大地增大圍堰防滲幕體的塑性，增加堰體抵抗自然沉降及洪水等破壞作用的能力。至發(fā)稿日期為止，二期上游圍堰長期在48m高程水位下作業(yè)，特別是在經(jīng)受99年5月25日51.85m高程特大洪水（湘江五十年一遇洪水）的考驗后，帷幕灌漿部分堰體仍無滲水、拉裂等現(xiàn)象。實踐證明“鈣基膨潤土帷幕灌漿”技術對改善堰體的抗?jié)B、抗滑、抗傾覆以及堰體的土體性質(zhì)、形成防滲幕墻、閉氣效果等方面效果顯著，在今后施工中值得借鑒。

收稿日期:2001-03-23

作者簡介:王治榮(1971-),男,工程師,貴州省麻江縣人,從事水利水電工程施工技術工作.