石 峰，趙先鋒，羅慶松

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 武清，301700)

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設(shè)計與施工

長河壩水電站圍堰防滲墻復(fù)雜地層快速施工技術(shù)

石 峰，趙先鋒，羅慶松

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 武清，301700)

長河壩水電站上下游圍堰防滲墻最大孔深83.23m，為漂卵石強透水地層，孤石含量高、粒徑大、硬度高。原設(shè)計為二個枯水期施工的項目，考慮到工程投資與電站總工期要求，變更為一個枯水期完成，造成本工程的施工強度高、工期緊、難度大。施工中采取一系列快速造孔成槽技術(shù)，實現(xiàn)了在一個枯水期內(nèi)完成的目標(biāo)，為整個電站的整體工期貢獻(xiàn)6個月，保證了施工進度。

快速成槽 施工技術(shù) 復(fù)雜地層 圍堰防滲墻 長河壩水電站

1 工程概述

長河壩水電站是大渡河梯級開發(fā)中的第10級電站，位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，為一等大(1)型工程,由礫石土心墻壩、泄洪系統(tǒng)、引水發(fā)電系統(tǒng)組成，總裝機容量4×65萬kW。

圍堰防滲墻軸線長296m，劃分為53個單元槽段，最大深度83.23m，成墻面積16856.37m2。

上游圍堰基礎(chǔ)防滲墻坐落在河床深厚覆蓋層上，自下而上(由老至新)分為3層：第①層為漂(塊)卵(碎)礫石層，分布河床底部，厚度和頂面埋深變化較大，厚度18m～25m。漂(塊)石粒徑25cm～42cm，含量約30%～35%；卵石粒徑6cm～12cm，少量16cm～18cm，含量約20%～25%；礫石粒徑2cm～5cm，少量0.5cm～2cm，含量約20%～25%；中細(xì)砂含量約10%～15%。鉆孔揭示，該層中含有塊徑1m～8m不等的孤塊石且局部集中；第②層為含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層，厚度35m～42m，漂(塊)石粒徑20cm～32cm，含量約20%～25%。在該層的其它鉆孔中，局部揭示有塊徑1m～5m不等的孤塊石，卵石粒徑6cm～15cm，含量約30%～35%；礫石粒徑2cm～5cm，少量0.5cm～2cm，含量約20%～25%；中細(xì)砂含量約10%～15%。在該層中上部有厚約1.7m的②-C砂層，鉆孔揭示該層中隨機分布有塊徑1m～5m不等的孤塊石；第③層為漂(塊)卵礫石層厚度7m～20m，漂(塊)石粒徑20cm～25cm，含量約5%～10%；卵石粒徑6cm～12cm，少量15cm，含量約40%～45%；礫石粒徑2cm～5cm，少量0.5cm～2cm，含量約20%～25%；中細(xì)砂含量約10%～15%?，F(xiàn)場滲透試驗和鉆孔抽水試驗均表明基礎(chǔ)透水性較強。

下游圍堰河面寬約100m，河流偏左岸，堰頂高程1485.0m處河谷寬210m。據(jù)鉆孔資料，河床覆蓋層厚66.86m，層次結(jié)構(gòu)及各層的物理力學(xué)特性與上圍堰及壩基相似，漂(塊)卵礫石層具強透水性，砂層具中等透水性。實際施工過程中，在上下游圍堰防滲墻軸線部位發(fā)現(xiàn)部分槽段孤石直徑超過10m。

根據(jù)本工程地質(zhì)條件及工期等要求，擬定本工程混凝土防滲墻總體施工方案為：(1)成槽以“鉆劈法”為主，“鉆抓法”為輔。局部特殊地層輔以“平打法”；(2)采用優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿護壁，確保在漏漿塌孔地層的成槽穩(wěn)定；(3)采用YBJ1000型液壓拔管機進行“接頭管法”墻段連接，節(jié)約混凝土及接頭鉆鑿工時，并可以最大限度地保證接縫質(zhì)量；(4)防滲墻底以下的帷幕灌漿，采用在墻體內(nèi)預(yù)埋灌漿管，既能提高灌漿質(zhì)量，又節(jié)省了后續(xù)灌漿時間；(5)大孤石集中的部位，采用超前預(yù)爆及定向爆破，以提高鉆進工效。

2 防滲墻施工存在的難點

該工程項目原設(shè)計為懸掛式防滲墻，后經(jīng)過設(shè)計變更為嵌入基巖式全封閉防滲墻，孔深增加近一倍，設(shè)計工期為在兩個枯期內(nèi)完成,但是業(yè)主方考慮到整個電站總體工期規(guī)劃與圍堰過流保護費用等問題,要求圍堰防滲墻在一個枯期內(nèi)完成。根據(jù)長河壩前期勘探資料顯示，壩區(qū)孤漂石含量高，架空層嚴(yán)重，而且勘探孔遇到過直徑12m的大孤石。防滲墻在漂孤石含量極高、孤石直徑特大、硬度達(dá)到180MPa的地層中，施工難度非常大。

防滲墻按期快速完成，是本項目在一個枯水期內(nèi)完成圍堰封閉目標(biāo)的關(guān)鍵。由于特殊復(fù)雜的地質(zhì)條件，防滲墻施工存在以下難點：

(1)地層均一性差，架空層嚴(yán)重，漏漿、塌孔頻繁；

(2)地層中孤漂石含量高(30%～40%)、直徑大(最大直徑約12m)、硬度高(強度達(dá)180MPa)，并且存在特大孤石群，造孔困難，工效低；

(3)基巖面陡，先導(dǎo)孔取芯困難，基巖鑒定時間長；

(4)防滲墻軸線上探頭石多，孔斜控制難度大；

(5)孔深較深。要在此種復(fù)雜地層中施工到83.23m，屬全國首例；

(6)工期緊。要求在一個枯期完成，工期壓縮了近1倍以上。

3 快速成槽的主要施工技術(shù)

3.1 選擇與地層相適應(yīng)的造孔工藝及設(shè)備

本工程防滲墻造孔成槽采用“鉆劈法”施工，即采用特A、CZ-6D等沖擊鉆機造孔，抽桶出渣。處于圍堰工程關(guān)鍵工期的上游圍堰防滲墻，采用HS875抓斗掛特制重錘沖砸副孔與小墻的施工方法，上游圍堰防滲墻占關(guān)鍵工期線路的槽段布置3臺鉆機搶工。

槽段開孔時采用平底鉆頭對地層進行擠密，整個槽段不抽渣直接平打至8m。遇到砂層或者施工回填層換用空心鉆頭，遇到孤石層或者找小墻時換用平底鉆或者十字鉆頭。

為確保施工工期，對每一個孔深超過30m的I期槽段布置兩臺沖擊鉆機，上下游共布置44臺套沖擊鉆機(上游圍堰20臺、下游圍堰24臺)，并且上游圍堰布置一臺HS843鋼絲繩抓斗輔助鉆機進行搶工。

3.2 采用膨潤土泥漿護壁

固壁泥漿是防滲墻施工的重要組成部分，泥漿在造孔成槽過程中起固壁、封堵、懸浮、攜渣、冷卻鉆具和潤滑的作用，成墻后還可增加墻體的抗?jié)B性能。針對本工程覆蓋層松散、架空層嚴(yán)重、孤漂石含量極高的特點，常規(guī)膨潤土泥漿不能很好滿足固壁和懸浮鉆渣的要求，為此本工程確定采用MMH正電膠膨潤土泥漿。MMH正電膠泥漿的各項性能指標(biāo)均優(yōu)于常規(guī)分散型膨潤土泥漿，不僅造壁性能和封堵性能較好，而且生產(chǎn)成本較低。正電膠漿液性能指標(biāo)見表1。

表1 新制正電膠泥將性能指標(biāo)

3.3 采用墻段接頭管連接技術(shù)

本工程墻段連接采用接頭管法施工。Ⅰ期槽孔澆筑前在槽孔兩端下設(shè)接頭管，在墻體混凝土澆筑過程中，根據(jù)試驗確定的脫管齡期跟隨混凝土面上升逐節(jié)拔出接頭管。接頭管直徑1000mm，單節(jié)長5m，單銷連接；底節(jié)管裝有能自動啟閉的活門，以防止混凝土進入接頭管內(nèi)；為減少下管時吊車的荷載，在部分管節(jié)內(nèi)設(shè)置了浮箱。拔管設(shè)備采用YBJ-1000型卡鍵式大口徑液壓拔管機，最大起拔力3000kN。液壓站上裝有小油泵，可長時間保持接頭管微動。

接頭管技術(shù)的采用，與傳統(tǒng)的鉆鑿法相比，不僅節(jié)省了約1/6的混凝土(2600m3)，也減少了1/6約2600m的鉆孔工程量，提高了有效成槽速度。

3.4 墻內(nèi)預(yù)埋灌漿管

為保證墻體完好，使帷幕灌漿對墻體的損害減小至最低限度，上游兩岸坡段墻下帷幕灌漿采用墻體預(yù)埋灌漿管方案。灌漿管采用φ114mm鋼管，φ20mm螺紋鋼筋制作保持架，鋼管與鋼筋架焊接為一整體桁架。吊車起吊，孔口焊接，整體下設(shè)。

在墻體內(nèi)預(yù)埋灌漿管約8500m，與在墻體內(nèi)鉆孔相比，減少了墻體內(nèi)鉆孔8500m，提前了后續(xù)圍堰封閉的時間。

3.5 漏漿塌孔的預(yù)防及處理

3.5.1 漏漿塌孔的預(yù)防措施

鑒于本工程施工過程中漏漿、塌孔現(xiàn)象普遍存在，造孔過程采取了以下措施預(yù)防：

(1)縮小每個槽段的長度。通過對地質(zhì)資料的認(rèn)真分析，采取了3主2副的成槽方案，縮短成槽時間，確保槽段安全；

(2)槽段開孔時嚴(yán)禁使用空心鉆，要用平底鉆平打整個槽段至8m，其間不能抽渣，以便將地層擠壓密實，防止導(dǎo)向槽底部坍塌；

(3)抓斗掛重錘鉆鑿副孔與小墻時專門預(yù)備足量的粘土與鉆渣的混合料，抓斗施工槽段時間要不停加入粘土與鉆渣的混合料，并用重錘攪拌堵住已發(fā)生滲漿的滲漏通道，避免其在重錘沖砸擾動下繼續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致大規(guī)模漏漿；

(4)在造孔過程中，根據(jù)施工的實際情況適當(dāng)提高正電膠漿的各材料用量，提高泥漿粘度與其它性能指標(biāo)，必要時摻入單向壓力封堵劑。

3.5.2 漏漿的處理措施

孔底漏漿、基巖與覆蓋層接觸面漏漿處理相對容易。施工中經(jīng)過反復(fù)的實踐，一旦發(fā)現(xiàn)漿面下降立即停鉆，將鉆頭迅速拉起，向孔內(nèi)加入比例為1∶1的砂石料與粘土的混合料，效果較好，并且節(jié)約了施工成本，避免了因完全回填粘土導(dǎo)致的材料浪費。

孔壁漏漿和處理孤石漏漿、爆破孤石漏漿的處理較為復(fù)雜。由于漏漿位置大多處在槽孔中部，靠填入大密度混合堵漏材料直至堵塞滲漏通道的方法，無論是在材料用量還是堵漏時間上均不允許，故在堵漏時采取了小密度混合料堵漏的辦法。施工中經(jīng)過反復(fù)實踐，采取廢棄的鉆渣，混合鋸末、膨潤土粉和粘土，摻合均勻后投入槽內(nèi)。摻合時膨潤土粉和粘土的摻量要比較大，粘土以不含結(jié)塊的顆粒狀粘土為宜。投入槽孔前要摻合均勻，一次性大量投入槽內(nèi)一般可堵住滲漏通道。

針對施工中較嚴(yán)重的個別漏漿塌孔的特殊槽段，聯(lián)合采取多種堵漏措施。首先，正電膠漿液采取較高粘度的配比，并且摻加2%的單向壓力封堵劑，存在大的滲漏通道時加入較大粒徑的片石與粘土的混合料，效果不明顯的情況下回填低標(biāo)號混凝土進行堵漏。例如，上游的SY-21#槽段，經(jīng)過多次回填片石與粘土的混合料，并且整個槽段在12m孔深時澆筑混凝土78m2，最終成功堵漏。

3.6 鉆孔預(yù)爆及定向爆破處理技術(shù)

根據(jù)前期設(shè)計提供的地勘資料，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)直徑達(dá)12m的大孤石，且根據(jù)試驗表明抗壓強度高達(dá)180MPa。項目組織前期預(yù)料到了該工程的施工難度，針對特大孤石群制定了一系列的施工預(yù)案。

本工程共劃分為53個槽段，施工中上下游圍堰段共16個槽段遇到了直徑大于7m的大孤石，其中最大的孤石直徑達(dá)到13m。孤石部位沖擊鉆機造孔工效極低，平均0.5m/臺日。

針對該種地層較好的處理方案為，在防滲墻軸線上鉆孔預(yù)爆和預(yù)灌濃漿進行處理。但本工程原定二個枯期完成的上下游圍堰防滲墻更改為在一個枯期內(nèi)完成，并且實現(xiàn)圍堰擋水目標(biāo)，造成工期壓力極為緊張，沒有時間做預(yù)爆和預(yù)灌濃漿處理。因此，在鉆進過程中遇到大孤石時，采取如下四種處理措施。

3.6.1 定向聚能爆破處理大孤石

聚能爆破。在漂卵石、孤石表面下置聚能爆破筒進行爆破，爆破筒聚能穴錐角為55°～60°，根據(jù)孔深與槽段實際情況控制裝藥量，裝藥量一般小于8kg。在二期槽孔內(nèi)則采用減震爆破筒，即在爆破筒外面加設(shè)一個屏蔽筒，以減輕沖擊波對已澆筑墻體的作用。槽內(nèi)聚能爆破方法簡便易行，與防滲墻施工干擾很小，可用于修正孔斜處理故障等，應(yīng)用很多。

爆破前要對槽段內(nèi)摻加漿液，直至低于導(dǎo)向槽20cm位置，準(zhǔn)備好粘土、鋸末、膨潤土等堵漏材料后才引爆炸藥。本工程所用雷管為真空雷管，炸藥為乳化炸藥。在處理孤石及漂卵石的同時，加強固壁泥漿的檢測與控制，爆破時盡量提高泥漿比重、黏度，保證泥漿的固壁效果，避免塌孔事件的發(fā)生。

3.6.2 鉆孔爆破處理大孤石

在防滲墻造孔中遇漂卵石、孤石時，采用XY-Ⅱ地質(zhì)鉆機或SM-400全液壓鉆機在遇孤石槽孔部位下設(shè)套管鉆進，鉆到規(guī)定深度后，提出鉆具，在漂卵石、孤石部位下置爆破筒，提起套管，引爆。爆破后漂卵石、孤石被破碎，加快了鉆進速度。爆破筒內(nèi)裝藥量按巖石段長2kg/m～3kg/m控制。

本工程中SM-400鉆爆工效較高，遇到孤石下設(shè)127mm地質(zhì)套管，用90mm沖擊破碎鉆頭鉆進，通過大容量、高風(fēng)壓空壓機把鉆渣吹出孔口，鉆孔成功后下設(shè)爆破筒引爆。爆破筒采用70mm的薄壁鐵管，下面焊錐形加重塊以利于順利下設(shè)至孔內(nèi)。SM-400鉆爆工效要比地質(zhì)鉆機鉆爆工效高2～3倍。

施工前期深槽段爆破成功率較低，經(jīng)過借鑒其它工程經(jīng)驗并反復(fù)實踐，總結(jié)出由于受外部水壓影響，經(jīng)常發(fā)生雷管爆炸不能引爆炸藥的現(xiàn)象，尤其在水深大于70m的孔深下，很難爆破成功。水下爆破措施是孤石處理、卡鉆處理措施中最有效的方法之一。防滲墻施工過程中，泥漿密度在1.15～1.3之間，不同深度的水壓力會隨著深度變化而增大，傳統(tǒng)的爆破筒在下放到70m處時，即可發(fā)生雷管引爆不了炸藥的現(xiàn)象，該深度的泥漿壓力可達(dá)0.84MPa(按密度1.2計算)，若該壓力直接作用在炸藥和雷管上，導(dǎo)致雷管爆炸產(chǎn)生的沖擊力不足以引爆炸藥。為此，對傳統(tǒng)的爆破筒進行了改進，制作了密封型爆破筒，抵消了水壓對雷管炸藥的壓力，確保了深孔水下爆破的成功。

密封型爆破筒可以在工地自行加工制作，密封部位接口位置可以采取法蘭盤加膠墊密封的形式，也可以采用絲扣連接的方式(如圖1所示)。

圖1 鉆孔爆破結(jié)構(gòu)

通過采取了以上幾種爆破措施，沖擊鉆機在孤石層工效提高了2～4倍。

3.6.3 重型抓斗掛特制重錘沖砸大孤石

上游圍堰防滲墻為確保工期進度，投入一臺HS875抓斗，配備了3個重錘，最大重錘重量達(dá)到15t，施工期間主要用于沖砸副孔與小墻。為確保關(guān)鍵槽段的施工進度，當(dāng)鉆機施工副孔遇到大孤石時，采用抓斗掛特制重錘沖砸副孔部位孤石，以此加快施工進度。

為確保抓斗掛重錘能夠在副孔沖擊鉆機施工工效較低的地層中使用，槽段主孔的孔斜率必須嚴(yán)格控制。本工程抓斗施工槽段主孔的孔斜率按照小于0.3%控制。

3.6.4 平底鉆與十字鉆加焊耐磨塊處理孤石

一般沖擊鉆頭強度低、磨損快、純鉆工效低，補焊頻繁，輔助時間長，有時鉆頭供應(yīng)不上還造成停工。本工程在沖擊鉆頭上加焊耐磨耐沖擊高強合金刃塊，可克服上述缺陷，大約要提高工效15%左右。

3.7 陡坡段入巖處理技術(shù)

本工程為嵌巖式防滲墻，準(zhǔn)確判定基巖面非常重要。由于前期勘探過程中出現(xiàn)過12m直徑的大孤石，所以先導(dǎo)孔取完整基巖的深度定為15m?；鶐r鑒定程序為，首先使用沖擊鉆機造孔至疑似基巖面，然后對每個Ⅰ期槽段進行巖芯鉆取芯鑒定。巖芯鉆取芯過程中將至少影響到該槽段1臺沖擊鉆機的施工，因此先導(dǎo)孔取芯鑒定的時間直接關(guān)系到槽段施工的工期。

提高先導(dǎo)孔施工工效，重點采取了以下措施：

(1)選擇巖芯鉆取芯的專業(yè)隊伍；

(2)確定施工先導(dǎo)孔的槽孔，沖擊鉆機組必須將孔底清理干凈，對于孔底可能有鉆頭鐵屑的位置，要用電磁鐵進行二次清理，盡量為巖芯鉆機組取芯掃清障礙；

(3)為防止套管移位造成二次鉆孔現(xiàn)象，套管下設(shè)到位后要加黃土埋管，將其固定；

(4)取芯優(yōu)先選用雙套鉆具，開孔孔徑不小于90mm，以便在下部出現(xiàn)破碎巖層時變徑后能夠繼續(xù)施工。

3.8 鉆孔孔斜控制技術(shù)

本工程由于孤石含量高，因此軸線部位探頭石較多，應(yīng)采取以下措施：

(1)對于小于1m直徑的探頭石，采取孔內(nèi)回填堅硬的大塊石，沖擊鉆造孔不連續(xù)沖擊鉆進的方法保證孔斜率滿足要求；

(2)對于大于1m直徑的探頭石，并且在槽段內(nèi)不能進行鉆孔的情況下，使用鉆機直接在孤石部位的導(dǎo)向槽上鉆孔，鉆穿孤石后進行爆破；

(3)對于一些不能進行孤石爆破的特殊情況，采取用鋼板與型鋼加工成的修孔器修孔。

3.9 施工組織及經(jīng)濟措施

本工程防滲墻造孔要達(dá)到80多m，在國內(nèi)同等地層條件下沒有可以借鑒的經(jīng)驗，項目施工前進行了詳細(xì)的施工策劃工作，采取下列保證措施：

(1)深槽段選擇使用目前較大功率75kW的沖擊鉆機，配備4.5t以上重量的超重鉆頭，提高了施工工效；

(2)為保證搶工目標(biāo)的完成，采取設(shè)備資源飽和配置措施。上游關(guān)鍵槽段選擇實力強的機組負(fù)責(zé)造孔，配置了三臺鉆機施工。其中，兩臺鉆機主要負(fù)責(zé)打原始地層，一臺鉆機負(fù)責(zé)打回填層，緊密配合，避免鉆機窩停工等。并且專門配置一臺HS843鋼絲繩抓斗，配合上游圍堰沖擊鉆機施工；

(3)為提高管理效率,促進施工進度，每天在施工現(xiàn)場堅持日例會，及時解決現(xiàn)場施工存在的問題，促進施工速度；

(4)規(guī)范的管理制度能夠為項目快速施工保駕護航。本項目在安全、進度、質(zhì)量、合同、后勤輔助及保障等各個方面，均制定了完善的規(guī)章管理制度，通過建立平等、公平的約束機制與激勵競爭機制，保障了項目沿著預(yù)定軌道運行，提高了員工的積極性，促進了施工進度。

4 結(jié)語

本工程2010年10月18日開鉆，施工歷時175天，于2011年4年10日完工，平均成槽強度達(dá)96m2/d(高峰期成槽強度達(dá)150m2/d)，縮短工期6個月，為電站2011年圍堰擋水度汛目標(biāo)的實現(xiàn)贏得了寶貴的時間，節(jié)省了本年度的圍堰過流保護費用，取得了效益與工期的雙贏。

本工程孤石直徑大、含量高、硬度高，而且工期極為緊張，在此種限制條件下要提前完工，必然采取非常規(guī)的處理措施。本項目采取的快速施工技術(shù)，為今后相似地層的防滲墻施工積累了一定的經(jīng)驗。

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