对某水电站围堰防渗施工工艺研究

郭春明

摘要: 本文是作者结合某水电站围堰防渗施工案例，就该工程防渗施工中，针对不同性质的渗漏点对上下游围堰采用了静压灌浆工艺( 共5 种) 进行防渗处理, 防渗效果明显。

关键词: 水电站围堰防渗施工技术

0前言

该水电站是一个以发电为主、兼有航运、旅游及养殖等综合效益的水利枢纽工程。工程总投资为6.8亿元，总装机容量8万千瓦，装设2台单机容量为4万千瓦的轴流式水轮发电机组，年发电量为2.46亿千瓦时，水库的拦河坝为混凝土重力坝，最大坝高41米，正常蓄水位115米，总库容为0.98亿立方米，该工程建成后，可以有效缓解该市用电紧张局面，提高下游防洪能力，同时可以进行旅游、城镇供水等项目的开发。

在该水电站围堰防渗施工中, 因前期地质勘测资料不详细、基础地质条件不明, 是通过施工逐渐了解地质条件的。围堰防渗施工是在上游围堰填筑至高程95 m、下游围堰填筑至高程94 m 后开始进行高喷灌浆的, 由于覆盖层中粗粒卵石居多, 还夹杂大块石( 后经基坑取样卵石粒径较大, 含砂率只有5%) 为强透水层, 上游围堰高喷灌浆施工时, 大多数孔在采取常规措施处理后孔口仍不返浆, 每米单耗达1 t, 防渗效果较差。针对不同性质的渗漏点对上下游围堰采用了静压灌浆工艺( 共5 种) 进行防渗处理, 防渗效果明显。

1 围堰概况

1. 1地质条件

该水电站坝址区两岸地形基本对称, 坡度约35~ 40。,河床高程为84~ 88 m。左岸除河边有少量覆盖层外, 基岩大多裸露; 右岸分布有厚2~ 14 m 的崩积层。河床为冲洪积的砂砾石。基岩岩性从P31q到D32y 均有分布。岩溶一般发育。围堰堰基地质构造简单, 岩层产状为N20。 ~ 60。E.NW≤15。 ~ 30。, 岩石多呈弱风化状态。河床砂卵砾石层和右岸崩积层堆积松散, 块体架空, 为强透水层, 同时夹有飘石、孤石及架空现象, 堰基存在渗漏问题。此外, 堰基为碳酸盐岩, 岩溶发育, 亦存在沿岩溶通道的渗漏问题。

1. 2结构设计

上、下游围堰均为土石过水围堰, 堰体防渗采用粘土斜心墙。堰基防渗河床部位采用灌浆防渗墙、岸坡部位掏槽回填粘土相结合。围堰设计挡水流量1 800 m3/ s, 相应上游水位107. 3m, 相应下游水位94. 7 m, 围堰过水标准为全年10 a 一遇洪水,相应流量3 750 m3/ s。

2 防渗施工

2. 1 概况

在上游围堰填筑至高程95 m、下游围堰填筑至高程94 m 后开始进行高喷灌浆, 由于防渗覆盖层中粗粒卵石居多, 还夹杂大块石( 后经基坑取样卵石粒径较大, 含砂率只有5%) , 为强透水层, 上游围堰高喷灌浆施工时, 大多数孔在采取常规措施处理后孔口仍不返浆, 每米单耗达1 t, 防渗效果较差。针对不同性质的渗漏点对上下游围堰采用了静压灌浆工艺( 共5 种) 进行防渗处理, 防渗效果明显。

2. 2 静压灌浆工艺

2. 2. 1 孔口混合水玻璃灌浆法

采用一泵灌水玻璃、一泵灌浓水泥浆, 孔口混合灌浆工艺。管路见图1。

( 1) 钻孔。钻孔采用跟管钻机造孔, 孔径为130 mm, 孔深深入基岩不少于50 cm, 钻孔时要用水平尺调平钻机并随时校正,保证钻孔最大偏斜小于25 cm。钻孔过程中要准确判断基岩, 注意观察岩屑, 并对钻孔过程发现冒水、脱空等作好记录。钻孔结束后及时下PVC 管, PVC 管要打花眼, 花眼间距10~ 15 cm, 直径5 mm 左右, 但拔管时要严防把PVC 管带出。

( 2) 下灌浆管。射浆管距孔底小于50 cm, 灌浆管采用埋管, 孔口阻塞1 m。

( 3) 制浆。采用高速搅拌机制浆, 低速搅拌筒需适当延长搅拌时间确保浆液搅拌均匀。

( 4) 灌浆。a 灌浆方法: 考虑漏浆量较大, 孔口没有回浆,采用填压式全孔灌浆法。b 浆液水灰比及变换标准: 灌浆浆液以普通水泥浆液为主, 并根据漏量情况掺水玻璃、锯末等。c开灌水灰比为0. 8:1。c 灌浆过程中, 注入率持续减少, 或当注入率不变而压力持续升高时, 不得改变浆液水灰比。d 0. 8:1浆液的注入量达600 L 以上, 而注入率无明显改变时, 应改为0. 6~ 0. 5:1 浓浆灌注。( 当注入率大于40 L/ min 时, 或总注入量达1 000 L 以上、漏量无明显减少时掺锯末和水玻璃, 锯末掺量为浆液体积的10%~ 20%, 水玻璃的掺量为水泥浆体积的5%~ 15%( 水玻璃掺量必须记录每桶水泥浆的平均掺量) , 水泥浆的水灰比为0. 8:1, 掺水玻璃遵循由少到多的原则, 先掺5%, 漏量无明显减少则改为10% 直至掺至15%。水玻璃采用专用泵按掺量送至孔口与水泥浆液掺和。

( 5) 灌浆结束标准。当孔口已回浆, 灌浆压力达到0. 6MPa时, 灌浆注入率小于1. 0 L/ min, 延续灌注30 min, 可结束灌浆作业。

2. 2. 2 双液泵管路混合灌浆法

采用双液泵, 一缸进水玻璃、一缸进浓水泥浆, 管路混合静压灌浆法。孔内下钻杆, 孔口用高压管, 边灌边上拔灌浆管工艺。其他同孔口混合水玻璃静压灌浆法。

2. 2. 3 孔内混合水玻璃灌浆法

施工工艺参照孔口混合水玻璃灌浆法, 不同之处是水玻璃管插至孔底, 水玻璃和水泥浆液在孔内进行混合。

图1 静压灌浆管路

2. 2. 4 自上而下分段静压灌浆法

( 1) 钻孔。先用地质钻在围堰每隔8 m 施工一个先导孔,孔深入岩3 m, 要求有一个先导孔从原高喷墙顶部以下全部取芯, 观察芯样, 其他先导孔只需入岩后取芯, 校核跟管钻机判断的基岩高程。上游围堰全部采用跟管钻机造孔, 孔径为130mm; 下游围堰采用300 型或150 型地质钻造孔, 上部2 m 用91mm 三翼钻头造孔, 埋孔管口后粘土层用56 mm 三翼钻头造孔,进入覆盖层改用56 mm 人造金刚石钻头造孔, 孔深深入基岩不少于50 cm; 钻孔时要用水平尺或角度调平钻机并随时校正, 保证钻孔最大偏斜小于25 cm。钻孔过程中要准确判断基岩, 注意观察岩粉和取芯并对钻孔过程发现冒水、脱空、漏水、塌孔等作好记录。

( 2) 埋孔口管。下游围堰预埋2 m 孔口管, 为直径75 mm铁管, 钻孔达到埋管深度后, 向孔内注入0. 5:1 浓浆, 待孔口冒出浓浆时, 将孔口管铅直下到孔内, 把孔口管调整居中并固定待凝48 h。

( 3) 制浆。采用高速搅拌机制浆, 掺膨润土时需适当延长搅拌时间确保浆液搅拌均匀。

( 4) 灌浆。A. 灌浆分段: 粘土与覆盖层接触段为1. 5~ 2. 0m, 以下为2. 5~ 3. 0 m, 终孔段包括基岩不得超过2. 5 m。 B. 自上而下灌浆时钻孔一旦出现严重塌孔时, 则立即停钻进行灌浆,这时视情况可用钻孔钻具和钻杆灌浆, 灌浆时应间隔转动钻杆防止埋钻, 当灌到不漏时继续钻下一段, 当灌浆超过2 h 或注入量达到2 000 L 孔口仍不返浆, 则待凝24 h 后再扫孔到要求的段长灌浆。C. 灌浆方法: 采用孔内循环灌浆法, 掺水玻璃时为填压式灌浆。D. 浆液水灰比及变换标准: 灌浆浆液以普通水泥掺膨润土浆液为主, 膨润土掺量根据漏量情况为10%~ 30%, 必要时掺水泥量1%的高效减水剂, 并根据漏量情况掺水玻璃、锯末等。E. 灌浆压力, 第1 段为0. 30 MPa, 第2 段为0. 40 MPa, 第3段为0. 50MPa, 第4 段及以下各段为0. 6 MPa。( 灌浆结束标准。灌浆压力达到设计压力时,灌浆注入率小于1. 0 L/ min, 延续灌注30 min, 可结束灌浆作业。

2. 2. 5 控制静压灌浆法

( 1) 钻孔。钻孔采用跟管钻机造孔, 孔径为130 mm, 孔深深入基岩不少于50 cm, 钻孔时要用水平尺调平钻机并随时校正,保证钻孔最大偏斜小于25 cm。钻孔过程中要准确判断基岩, 注意观察岩屑, 并对钻孔过程发现了冒水、脱空等作好记录。钻孔结束后及时下PVC 管, PVC 管要打花眼, 花眼间距10~ 15 cm, 直径5 mm 左右, 但拔管时要严防把PVC 管带出。

( 2) 下灌浆管。根据孔深下2~ 3 根灌浆管, 第1 根灌浆管距孔底小于50 cm, 第2 根灌浆管底部距第1 根底部1. 5 cm, 第3根灌浆管底部距第2 根底部1. 5 cm, 灌浆管采用埋管, 堵塞部位为粘土层以下50 cm, 采用水泥浆液灌注土工布袋的方法进行堵塞, 堵塞24 h 后可开始灌浆。

( 3) 制浆。采用高速搅拌机制浆, 低速搅拌筒需适当延长搅拌时间确保浆液搅拌均匀。

( 4) 灌浆。A. 灌浆方法: 考虑漏浆量较大, 孔口没有回浆,采用填压式全孔灌浆法。b 浆液水灰比及变换标准: 灌浆浆液以普通水泥浆液为主, 并根据漏量情况掺水玻璃、锯末等。C.当注入率大于40 L/ min 时, 或总注入量达1 000 L 以上、漏量无明显减少时掺控制液。掺控制液遵循由少到多的原则, 控制液采用专用泵按掺量送至孔口与水泥浆液掺和。d. 灌浆顺序为第1、第2、第3 根。

( 5) 灌浆结束标准。当孔口已回浆, 灌浆压力达到0. 6MPa时, 灌浆注入率小于1. 0 L/ min, 延续灌注30 min, 可结束灌浆作业。

3 效果评价

3. 1总体防渗效果在第1 阶段实施高喷灌浆未能形成有效的防渗墙的情况下, 针对不同部位不同渗漏点采用有效的静压灌浆技术后, 上下游围堰都形成了有效的防渗系统。在上游围堰堰前水位高程95 m、下游水位高程91 m 时上下游围堰的渗漏量从灌浆防渗处理前的大于4 000 m3/ h 下降为防渗处理后的400~ 600 m3/ h。并在围堰防渗系统形成并在运行4 个月后, 在上游水位达到高程107 m 的情况下围堰渗水清澈, 渗漏量无明显变大, 因此可以认为, 静压灌浆对围堰防渗效果明显。

3. 2 灌浆技术评价

高喷灌浆共完成灌浆1 724. 74 m, 水泥单耗达1 t/ m, 未能有效形成防渗墙, 事实证明高喷灌浆不适用卵石粒径大、含砂量很少, 同时夹有飘石、孤石及架空等现象的地质条件。

( 1) 孔口混合水玻璃灌浆法: 共完成灌浆55 孔, 孔深累计1 134. 4 m, 耗灰447. 03 t。此技术使用人工控制水玻璃的掺量,要求操作人员有较丰富的施工经验。预埋灌浆管不能承受大的压力, 因此容易出现堵管现象。此技术对渗量较小的部位防渗效果明显, 但对集中渗漏的部位效果较差。

(2) 双液泵管路混合灌浆法: 共灌浆26 个孔, 累计孔深518. 2 m, 共用水泥409. 75 t、水玻璃27 793. 2 kg, 最大单孔水泥用量48. 1 t, 水玻璃用量3 572. 5 kg。此技术和第一阶段静压灌浆技术类似, 但灌浆管可以承受较大的压力, 因此能较好地解决堵管现象。由于此技术只能加大水玻璃的掺量, 但不能在浆液中大量使用砂, 另外双液泵的总排量只有30 L/ min。此技术对渗量较小的部位防渗效果明显, 但对集中渗漏的部位( 有5 m 左右的水头差) 效果较差。

( 3) 孔内混合水玻璃灌浆法: 共完成灌浆39 个孔, 累计孔深为654 m, 累计用水泥220. 8 t。最大单孔水泥用量15 t, 水玻璃用量350 kg , 砂6 880 kg, 膨润土915 kg。由于水泥浆液和水玻璃在孔底混合, 因此可以提高水玻璃和砂的用量, 可以很好地解决集中渗漏, 此技术在发现渗漏通道的情况下效果明显, 但扩散半径只有几十厘米。

自上而下分段静压灌浆法共完成灌浆69 个孔, 累计孔深916. 4 m, 共用水泥929. 2 t, 膨润土10 800 kg, 水玻璃7 088 kg, 锯末18 050 kg, 砂148 740 kg, 海带59 kg, 黄豆581 kg。单孔最大水泥用量为46. 75 t, 水玻璃820 kg, 膨润土2 140 kg, 用砂127 060kg, 黄豆303 kg, 锯末790 kg。此技术能采用多种灌浆材料, 可针对不同的渗漏部位采用不同的灌浆方法, 且采用自上而下的灌浆方法能较好控制孔底的灌浆压力。不足之处为灌浆周期较长, 进度较慢。

( 5) 控制静压灌浆法共完成灌浆13 个孔, 累计孔深155. 9 m, 共用水泥132. 45 t, 控制液3 837 kg, 水玻璃470 kg, 单孔最大水泥用量45. 5 t, 控制液1 154 kg。此技术采用的控制液为国家专利技术, 可以通过掺量精确地控制水泥浆液的初凝时间,可以在较短时间内明显堵塞渗漏通道, 防渗效果明显。