降水与回填联合方法在某水电站厂房基础高喷灌浆中的应用

周延国, 吴祖国, 闫长斌

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州　450003)

0　引言

高压喷射灌浆法是将带有特殊喷嘴的注浆管置于土层预定深度,以高压喷射流使水泥浆液与土体混合,凝固硬化加固地基的方法。主要适用于淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、砂土和碎石土等地基。但地下水流速过大和已涌水的地基工程,地下水具有侵蚀性,应慎重使用。

1　工程概况

某水电站位于四川省雅砻江支流上,电站采用低闸引水式发电,电站装机4台,单机容量60 MW,总装机容量240 MW。主要由首部枢纽、引水系统、地面厂房系统等建筑物组成。

1.1　厂区地质条件

水电站厂房布置于Ⅰ级阶地上游侧及后缘缓坡地带,长约100 m,宽约80 m,高出河水面11～20 m。据前期钻孔揭露,厂房覆盖层的厚度为37～43 m,自下而上可分为四层。

第Ⅲ层冲积含砂卵(碎)砾石层(Q4al):顶板埋深6.10～11.45 m,厚约3.15～10.05 m,该层一般在靠近河床部位厚度较大。密实度一般为稍密—中密,该层承载力为0.20～0.65 MPa,渗透系数K=6.34×10-2cm/s,具强透水性。

基岩为全、强风化的三叠系下统领麦沟组(T1l)的薄层状板岩、千枚岩,其承载能力与覆盖层第Ⅰ层差异不大,属于弱透水层。厂房覆盖层的分层地质剖面示意图见图1。

图1　厂基工程地质剖面示意图

厂基处地下水水位为2 313.5～2 316.0 m,埋深一般9.99～21.2 m,枯水期略高于木里河河水位(枯水期的河水位在2 312.5～2 314.5 m)。

鉴于第Ⅱ层粉土的承载力及抗变形能力均较差,且可能存在砂土液化问题,需采取相应的工程处理措施。设计方案为高压旋喷灌浆结合换填级配碎石的处理方式,其中旋喷桩直径1.2 m,间排距2.5 m,梅花型布置,设计压缩模量≥30 MPa;地基承载力设计值≥0.5 MPa。

1.2　高喷灌浆施工过程中遇到的问题

2007年5月、10月,分别完成临河侧、上游侧、下游侧的高喷防渗墙施工和厂房后边坡的支护工作后,2007年11月开始进行尾水渠和厂基的基坑开挖及基础处理施工。基础处理方式采用设计的高喷灌浆,首先对下游一区尾水挡墙基础进行施工,高喷造孔平台高程为2 308.5 m,孔号分别为8-2、8-4、8-6、2-2、2-6,当高喷孔钻至14.5～15 m时,各孔口相继出现大量涌水,间断性的水柱喷出孔外,水柱喷射最高高度可高出施工平台7 m左右,经过约一天的喷射,水柱基本稳定在5 m左右(照片1)。根据有关地基与基础规范的一般规定[1],高喷灌浆在地下水流速过大和已涌水的工程中应慎重使用,为保证成桩质量需进行降水以使基础面以下为静水的灌浆环境。

照片1　承压水喷出场景

2　技术方案比选

2.1　水源分析及水量计算

从孔口喷出的水为承压水。根据厂区施工情况,当钻孔钻至14.5～15 m时,出现了涌水现象,从基本地质条件和钻孔返渣情况判断,此深度刚刚穿透具有弱透水性的粉土(砂)层而进入了中等透水—强透水冰水堆积的砂卵砾石层,而砂卵砾石层的下卧层为具有弱透水性的全、强风化板岩、千枚岩。所以,可视上面的堰塞粉土层和下面的全、强风化板岩、千枚岩为相对隔水层,故砂卵砾石层所赋存的地下水具有一定的承压性。

基坑开挖、基础处理之前,在厂房的临河侧、上游侧和下游侧均作了高压旋喷围堰防渗墙,围堰防渗基本达到了设计要求的渗透系数在10-4～10-5量级间的微—弱透水,防渗效果比较理想,渗水量较小,厂区的水源补给主要来自后坡侧向径流补给(由于正值旱季,所以基本无雨水补给)。后坡侧向径流的补给量可用如下公式[2-3]进行计算:

Q=KIBC

(1)

式中:Q为径流补给水量;K为含水层渗透系数;I为水力坡度;B为过水断面宽度;C为含水层的厚度。

水力坡度I=S/R

(2)

式中:I为水力坡度;S为水位降深;R为含水层影响半径。

(3)

式中:R为含水层影响半径;S为水位降深;K为含水层渗透系数。

将渗透系数K=9.331 2 m/d(取第Ⅰ层渗透系数大值)、断面宽度B=100 m、含水层平均厚度C=15.13 m、水位降深S=5 m等参数代入上述三个公式，计算得：影响半径R=152.74 m;水力坡度I=0.112;后缘侧向补给量Q后侧=1 314.97 m3/d。

实测从基坑的涌水量Q=1 600 m3/d。以此推断临河侧、上游侧和下游侧有一定的渗透量,但是补给量很小。所以,水源主要来自后缘山体的侧向径流补给,防渗墙的补给量为285.03 m3/d。

2.2　联合作业技术方案

为保证高喷平台以下为静水,提出以下三种方案：①方案一。回填土方、抬高施工平台高程的回填方案;②方案二。基坑内或坑外打抽水孔(井)的降水方案;③方案三。基坑内集水明排的降水措施与回填土方、抬高施工平台高程联合作业方案。

采取回填方案,回填高度至少要5 m高,施工完成后还要开挖,工程造价相对要高一些,施工难度较大。

采取降水方案,降水深度S至少为5 m,同时涉及到工期、材料以及降水方案的设计问题,工期受到一定限制。

通过工程造价、工期以及施工难度等方面的综合考虑,最终采取了方案三打排水降压孔和回填土方联合作业的方式。经过施工,完成10排水降压孔后,水位已经降落3～2 310.5 m高程,排水降压效果比较明显,从施工场地、材料等方面考虑,最终决定回填2 m高土方抬高高喷平台高程。

3　联合技术方案实施

(1)降水在一区施工平台范围5 m外上游侧,方向是尾水渠的顺流方向,用挖机开挖出一个宽7 m、长15 m低于施工平台2.5 m深的集水槽(设计施工平台高程2 308.5 m,水槽底部高程2 306 m),集水槽靠近主厂房位置高程2 306 m钻6个降压排水孔,8- 7孔外侧高程2 306 m钻4个降排水孔,每个降排水孔深22.5 m,成孔后孔内放置PVC管把水引到孔外。且在尾水挡墙及主机间旋喷施工平台原设计高程2 308.5基础上垫高施工平台2 m,来降低水的压力。布置图见图2。

图2　降排水施工平面布置图

(2)排水靠尾水齿槽处设集水坑,用相配套大功率的水泵把集水坑的水排至河中。此工程的施工平台是砂层,在排水过程中经常出现集水坑中水泵被砂淤满的现象。为了解决此问题,结合实际情况,用钢管做水泵架子,架子四周固定四个浮筒把水泵悬空于水坑中。

4　高压旋喷桩效果分析评价

4.1　高压旋喷桩桩身完整性检测

采用低应变反射波法对高压旋喷桩完整性进行检测,反射波法可用于无损检测桩身的完整性,判断缺陷类型及缺陷在桩身的位置和校对桩长,从场地9根高压旋喷桩的低应变检测结果看,桩身完整的6根,其桩类别均为Ⅰ类桩,桩身存在缺陷的桩2根,其桩类别均为Ⅱ类桩。1根断裂,其桩类别均为Ⅳ类桩。从9根高压旋喷桩的低应变检测结果看,桩身完整的桩占检测总桩数的67%,存在缺陷与断桩占总检测桩数的33%。

4.2　地基变形模量(E0)、压缩模量(Es)及地基竖向承载力

由于场地地下水丰富,后将旋喷桩上部截去,开挖3.0 m,用级配碎石进行换填。从场地3个点的静载荷试验结果曲线上得出,该场地换填层的变形模量为34.7～37.9 MPa,压缩模量为46.7～51.0 MPa;该换填层单点的承载力特征值均为525(kPa),因而所作换填砂卵石层单点承载力特征值满足设计要求(设计压缩模量≥30 MPa;地基承载力设计值≥0.5 MPa)。

5　结论

总之,从经济技术及施工工期的角度,基坑内打排水降压孔与回填土方联合作业对保证高喷灌浆的静水环境是一行之有效的技术措施,成桩质量基本达到了设计要求。目前,该水电站厂房已经运行发电2年,运行状态良好,所以,该技术处理方案可在类似工程中借鉴应用。

参考文献：

[1]DL/T5200—2004，水电水利工程高压喷射灌浆技术规范[S].

[2]王大纯，等.水文地质学基础[M].北京：地质出版社，2000：37-40.

[3]彭土标，袁建新，王惠明.水利发电工程地质手册[M].北京：中国水利水电出版社，2011：40-49.