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摘要:反循环回转钻造砼防渗墙因其采用合金钻头旋转式入岩,钻进力度大,钻进速度快,对强、弱风化基岩有较强的穿透力,其入岩效果较好。因其可满足不同地层的钻进要求,故在基础施工中已被广泛采用。本文以潭口水库大坝除除加固工程为实例,介绍了反循环回转钻造砼防渗墙在土坝加固中的应用。
关键词:反循环回转钻;防渗墙;塑性砼
在江西省的土坝除险加固工程范例中,对处理深度较深的工程,多采用抓斗结合帷幕灌浆及抓斗结合冲击钻造砼防渗墙,但两种工艺均存在不同程度的弊端,且工程造价相对较高。本文以潭口水库大坝除险加固工程为实例,介绍了反循环回转钻造砼防渗墙在土坝加固中的应用。
1 工程概况
潭口水库座落在江西省万载县仙源乡清溪村,距万载县城34km,位于锦江支流仙源河中游。坝址以上控制流域面积53.6km2,水库总库容1245万m3,电站总装机2850kw,灌溉面积6800亩,是一座以发电、灌溉为主,兼顾养殖等综合利用的水力枢纽工程。
水库建于1971年,1974年建成受益。1977年为抗御河南型暴雨对大坝进行了加固处理。现状大坝最大坝高42.8m,坝长180m。由于大坝分次续建而成,大坝填土采用分块填筑,碾压不实,施工质量差。大坝下游坝脚附近有多处渗漏,坝后有一集中漏水点,渗漏量达到185.76m3/d,常年不断。严重威胁着大坝安全。另据地质资料显示,大坝坝体填土主要为粘土质砂,其次为低液限粘土,粘粒含量少,土质差,土层碾压不密实,均匀性差,透水性相差较大。大坝右岸岩体风化较强,在全风化与强风化交界处岩层透水性较大,且右坝肩存在绕坝渗漏问题。潭口水库被江西省水利厅鉴定为Ⅲ类病险水库,需尽快对水库进行全面的除险加固。
针对潭口水库大坝现状情况,设计推荐垂直防渗措施,由于射水法造砼防渗墙工艺处理深度有限,且受砂卵石粒径的要求较严(本工程局部地段夹有少量花岗岩块石,粒径大于10cm),本着经济、实用、等效的原则,以及国内现有防渗处理措施、使用机械设备的范围等,本工程经多种方案比较,最终采用反循环回转钻造砼防渗墙对大坝坝体坝基进行全面处理。
2 防渗墙的工程布置
反循环冲击钻造塑性砼防渗墙布置在坝顶,防渗墙轴线位于坝轴线上游2.0m,桩号自0-11.2～0 180.3,全长191.5m。由于采用钻机进行造孔,故墙体可直接深入相对不透水层(q≤10Lu)以下3.0m。
2.1 墙体厚度
防渗墙厚度是根据破坏时的水力梯度来确定的。
其公式为:B=H/J允
式中:B为防渗墙厚度;H为作用在墙体上的水头,J允为防渗墙的允许坡降。防渗墙在渗流作用下的耐久性,取决于机械力侵蚀和化学侵蚀作用,试验表明塑性混凝土抗机械破坏和抗化学溶蚀破坏的水力梯度都很大,设计采用J允=80。
根据墙体承受的水头并结合施工机具,墙体厚度定为40cm。
2.2 墙体伸入基岩的深度
墙体伸入基岩的深度是根据坝基地质条件,渗透稳定及结构要求确定,坝基表层为节理裂隙发育的强风化岩层,渗透性较强,若墙底伸入基岩的深度不当,则渗透比降很大,风化基岩被强渗流冲刷,仍有发生渗透破坏之虑,因此,要求墙体伸入相对不透水层以下0.5m。
2.3 塑性砼防渗墙设计指标
塑性砼是一种水泥用量比较少的粘土类砼。由于加入粘土、膨润土后,降低了水泥胶结构的粘结力,使砼的强度大大降低,并且具有较大的塑性,与普通砼相比,它具有初始弹模低,极限应变大,能适应较大的变形,有利于改善防渗墙体的应力状态,能节省水泥,降低工程造价,同时也具有一定的强度和良好的抗渗性能。
根据福建省水利水电科学研究所对塑性砼在堤基防渗墙工程中的应用研究成果,同时类比国内已建工程经验,防渗墙的设计指标为:渗透系数K≤1×10-6cm/s,抗压强度R28≥3.0Mpa,渗透破坏比降大于80。
根据上述要求的指标,砼中掺入的粘土,膨润土性能指标见表1、表2,塑性砼参考配合比见表3。
2.4 反循环回转钻施工方法
如图1所示,钻机采用直径为40cm的钻头,单位槽段长3.2m,分一、二期槽段,采用分段跳跃式施工。每一槽段共15个孔,先用三叶钻头进行造孔,完成8个单序钻孔后,再用圆型钻头进行7个双序(即回头孔)钻孔,最后采用矩形钻头冲击成槽,矩形钻头宽40cm,长1.8m,重约2.2t,以自重切割由圆型钻头成槽后留下的槽段重凸出部分土体、岩体,以满足40cm墙后的设计要求。
3 反循环回转钻造砼防渗墙的施工
3.1 施工程序
反循环回转钻造塑性砼防渗墙的施工过程为:施工准备、反循环回转钻造孔成槽、清孔换浆、混凝土浇筑等工序。具体工艺流程见图2。www.tmgc8.com
3.2 施工方法
按照施工要求完成砼导墙施工后进行防渗墙轴线放样,完成放样后采用GPS-18型钻机进行成槽施工,泵吸式反循环出渣,泥浆固壁。
3.2.1 导向槽布置及导墙结构。导向槽沿防渗墙轴线布置,槽宽0.65～0.7m,槽深1.2m,内外两侧的导墙为0.25m厚的少筋现浇C15“长方形”砼结构。
3.2.2 槽孔划分:根据类似工程经验,单位槽段长3.2m,分一、二期槽段,采用分段跳跃式施工。
3.2.3成槽施工:采用GPS-18型钻机进行钻孔,钻机采用直径为40cm的钻头,单位槽段长3.2m,分一、二期槽段,采用分段跳跃式施工。每一槽段共15个孔,先用三叶钻头进行造孔,完成8个单序钻孔后,再用圆型钻头进行7个双序(即回头孔)钻孔,最后采用矩形钻头冲击成槽,矩形钻头宽40cm,长1.8m,重约2.2t,以自重切割由圆型钻头成槽后留下的槽段重凸出部分土体、岩体,以满足40cm墙厚的设计要求。
3.2.4固壁泥浆。冲击钻造先导孔时固壁泥浆采用孔口直接抛投粘土自身造浆,抓斗成槽固壁泥采用0.4m3立式高速搅拌机制浆,浆液性能指标达到设计要求。
3.2.5清孔换浆。当抓斗及冲击钻机成槽至设计深度后,先进行清淤处理直至符合槽孔验收标准,然后下设导管进行清孔换浆,即将导管下至孔底,用泵把性能良好的泥浆经导管送至孔内,由浆液以反循环流动携带钻渣出槽孔,达到清孔换浆之目的。
3.2.6混凝土浇注。 混凝土采用泥浆下直升导管法浇注,导管内径φ215mm,混凝土拌和采用配料机配合一台0.5m3强制式搅拌机集中拌和,混凝土浇筑采用HBT-40型混凝土泵输送。
3.3特殊情况处理措施
3.3.1 导墙严重变形或底部坍塌,宜采用以下处理方法:破坡部位应重新修筑导墙或采用其他安全施工措施;改善地基条件和槽内泥浆性能。
3.3.2 地层严重漏浆,应迅速填入堵漏材料,同时孔口备足粘土,必要时可回填槽孔。
3.3.3 混凝土浇筑过程中导管堵塞、拔脱或漏浆需重新下设时,必须采用下列办法:
将导管全部拔出、冲洗,并重新下设,抽净导管内泥浆继续浇筑;继续浇筑前必须核对混凝土面高程及导管长度,确认导管的安全插入深度;在混凝土浇筑过程中发生质量事故,可选取以下办法进行处理;凿除已浇入孔内的混凝土,补贴一段新墙。地层可灌性较好时,宜在需要处理的墙段上游而进行灌浆或高压喷射灌浆处理。
3.4 塑性砼防渗墙施工过程及质量控制要求
3.4.1 混凝土导墙。导向墙应平行于防渗墙中心线,其允许偏差为±1cm;导向墙顶平面高程(整体)允许偏差±1cm;导向墙顶面高程(单幅)允许偏差0.5cm;导向墙间净距允许偏差0.5cm。
3.4.2施工平台。施工平台应碾压密实,以防止钻机下沉;钻机侧铺设的卧木,要求前高后低,有2%的坡度,为使卧木连成整体,横向纵向都用扒钉连接;倒渣平台在削成里高外低,有1/10的坡度。在倒渣平台下沿线开挖排水沟,内底坡应尽量加大,沟内缘衬以浆砌块石。
3.4.3 槽孔建造。应设置地表水排水系统,防止地表水渗入槽内,以免影响泥浆性能和破坏孔壁稳定。造孔中,孔内泥浆面应保持在导墙顶面以下30cm～50cm。应保证槽孔平整垂直,孔位中心允许偏差不大于3cm、孔斜率不大于0.2%;遇有含孤石、漂石的地层及基岩面倾斜度较大等特殊情况时,其孔斜率应控制在0.6%以内。槽孔嵌入基岩的深度必须达到0.5m。造孔结束后,应对造孔质量进行全面检查。经检查合格后方可进行清孔换浆。同一孔钻进使用的抓斗规格必须一致。坝基岩石钻进时,应为防止产生孔斜和溜坡现象。
3.4.4 清孔换浆。造孔结束并经检查合格后方可进行清孔换浆工作。接头槽孔清孔换浆结束前,应使用带刷子的钻头,分段刷洗混凝上孔壁上的泥皮。刷洗合格标准为刷子钻头上基本不带泥屑,孔底淤泥不再增加。清孔换浆结束1小时后,应达到下列清孔标准,孔底淤积厚度≤10cm;当使用粘土泥浆时,孔内泥浆密度≤1.3g/cm3,粘度≤30s,含砂量≤10%。
3.4.5 泥浆。泥浆材料应符合下列要求:粘土料宜选择粘粒含量大于50%、塑性指数大于20、含砂量小于5%、二氧化硅与三氧二铝含量的比值为3～4的粘土。膨润土成品料的品质应符合SY5060-35规定。新制膨润土泥浆或粘土泥浆性能指标,应分别符合SL174-96表4.0.6和表4.0.7的规定。循环使用的泥浆应经常检测其性能,当泥浆超过规定的指标时,作废浆处理,废浆应集中排放在监理人指定的地点。配制泥浆的水质应符合JGJ63-89第3.0.4条的规定。应按试验选定的配合比配制泥浆,粘土和水的加料量应称量计量,加料量误差应小于5%,拌制泥浆所采用的外加剂及其掺量应通过试验确定。储浆池内的泥浆采用空压机定时冲风搅动,以免结块和沉淀。www.tmgc8.com
3.5 垂直度控制措施
由于该项技术主要针对坝高较高,且岩层相对不透水层埋藏较深的情况,所以钻孔深度相对较深,为确保孔斜率满足设计要求,施工过程中垂直度的控制就非常主要。下面主要介绍几种控制垂直度的措施。
场地平整及测量定位
由于施工作业面为人工填筑土坝,作业面土层强度达不到施工要求,为此须修筑砼导墙,为设备施工提供足够的操作平台。砼导墙应基本平直,且有足够的强度。测量实地放样一定要准确,确保各钻孔之间距,避免因为测量放样定位偏差造成垂直度超标。
施工钻具的选用。钻杆与钻杆之间的连接采用刚性连接,即使用法兰盘接口和定位销的型式,确保钻杆与钻杆之间连接的刚度和垂直度,从而减少了钻机晃动而影响钻孔的垂直度。采用平底钻头可避免由于遇到孤石或基岩面倾斜而产生的孔斜。在施工过程中应及时更换新钻头,确保合金钻头完好性,避免因局部地层软硬而造成斜孔。
设备固定基座。反循环回转钻成槽采用轨道式基座,使得成槽控制在同一直线上,避免了防渗墙在左右方向的偏差,使得各钻孔真正的形成一堵“墙”。同时在同一直线上的控制,采用在轨道上记号和前后控制的方式,保证了孔位施工的准确性,减少了施工机械的前后晃动。钻机定位安装时,应使用水平仪进行基座水平校核,确保基座在同一水平面上,钻杆的垂直度校核应采用经纬仪进行,以保证设备安装的垂直度要求。
减少机具晃动。在钻进过程中,通过卷扬机收紧钢丝绳,减少钻机在钻进过程中的机具晃动。选择具有丰富经验的操作工,确保分层钻进的垂直度。由于本工艺施工质量控制主要以预防为主,因此必须选用具有丰富操作经验的老技术工人担任各班组的操作班长,针对工程地质勘察报告,熟练地运用钻进及技术参数,严格按照设计的垂直度做好分层钻进工作,精心造好每一个孔。
加强现场的检查校核。施工过程中,随着钻进逐渐加深,钻机荷载不断增加,钻机的基座水平及钻杆的垂直也可能发生变化,所以在施工过程中应经常采用水平仪及经纬仪进行基座水平校核及钻杆垂直度校核,一旦发现偏差超标,要及时进行纠正。进入硬层时,通过减压、减速来避免孔斜,若发现孔斜要及时采用上提钻具复钻法进行纠正,或者将钻杆上下反复活动的形式进行孔壁修正。
