钙基膨润土帷幕灌浆技术在土石围堰闭气中的应用与探讨

简介： 湖南省大源渡船运枢纽工程二期上游围堰（以下简称二期工程上游围堰）在施工过程中，由于工期紧、施工工人人数不够，加之现有高喷灌浆机械仅有两台套，无法满足施工强度及工期要求。为确保围堰的闭气效果，减少堰体渗流量，同时缩短围堰闭气时间，根据工程实际情况将原设计的高喷灌浆闭气方案改为“钙基膨润土帷幕灌浆”施工方案。实践证明“钙基膨润土帷幕灌浆”技术对改善堰体的抗渗、抗滑、抗倾覆以及堰体的土体性质、形成防渗幕墙、闭气效果等方面效果显著。同时，不仅能保证围堰的闭气效果、降低施工成本，而且还大大地缩短了施工工期，达到预期目的，为其它工程采用类似方法提供了一个良好的施工经验。
关键字：钙基膨润土 帷幕灌浆 围堰闭气 施工

1．工程概况

1.1地理位置及工程状况

大源渡航运枢纽工程位于湘江下游、湖南省衡山县上游12km处，水路距衡阳市62km，下游距湖南省长沙市204km，坝址左岸属衡山县沙头镇永和村，右岸为衡东县霞流荆花港村，坝址下游2km处为湘江干流与支流洣河交汇处。

大源渡二期工程由上游围堰、下游围堰及河中混凝土纵向挡水围堰三部分组成。河床建基面高程在38.0～39.0m之间。其中上游围堰距河中混凝土纵向挡水围堰135m。河中水流方向的深槽，贯穿整个上游围堰，深度约1.5～2.0m。上游围堰堰顶高程49.9m。其中，在靠近河中混凝土纵向围堰50m范围内堰顶高程达50.0～51.5m左右。下游围堰堰顶高程48.0m。上游围堰堰体防渗中， 44.0m马道以下采用“钙基膨润土帷幕灌浆”技术进行施工闭气，▽44.0m马道以上采用土工布置进行防渗处理。围堰平面布置及堰体结构断面型式如下：

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2围堰的形成过程

二期工程围堰堰体主要采用一期工程上、下游围堰以及厂房混凝土纵向挡水围堰爆破拆除的土石方和混凝土块体进行堆筑而成，料源天然抗渗性较差。由于堰体在堆筑时采用自卸汽车自51.0～48.0m之间直接往下卸料，大部分地方未按要求进行分层碾压，导致堰体密实性和土料间胶结力较差，加之堰体下部因填筑时自然筛分而形成的大颗粒石块、混凝土块体较多，致使堰体底部架空现象普遍、严重，堰体抗渗能力较差。二期上游围堰堰体截流施工程序如下图所示。

1.3 地质情况

大源渡航运枢纽程二期基坑河床覆盖层为砂砾石层，覆盖厚度为1～2m。渗透系数达3×12-1×10-1cm/scc。基础岩石为前震五强溪级上段变质砂岩及砂质板岩，岩石风化现象严重，节理、裂隙极其发育。

2．防渗方案的选择及施工布置

2.1防渗方案的选择

在二期上游围堰防渗方案的选择过程中，由于现有的高喷浆机械仅2台套、工人人数仅45人（含管理人员）。如采用高喷灌浆，则一方面所需工期较长，另一方面施工机械均无法满足要求。故结合其它工程中的施工经验，以及考虑到施工工期、施工质量、施工成本等方面的要求，经取得业主及监理工程师的同意之后，决定将二上游围堰的施工闭气由原设计的高喷灌浆改为“钙基膨润土帷幕灌浆”。

根据二期上游围堰的形成过程及特点，帷幕灌浆防渗处理的重点和难点为： 44.0m马道以下堰体部分及砂砾石覆盖层部分。针对二期上游围堰的这种情况，决定将灌浆过程分成如下两个施工阶段加以进行，即：第一施工阶段：可称为“堵漏”阶段，主要是对漏失现象特别严重或较为严重的部位采用水泥水玻璃砂浆进行封堵；第二施工阶段：可称为“帷幕”阶段，主要是对堰体进行钻孔、灌注水泥膨胀润土浆液等构筑防渗幕墙1000。

2.2施工布置

二期工程上游围堰总长约360m，从河中混凝土纵向挡水围堰到左岸约340m范围内需要进行灌浆闭气。根据工程进度的需要，自河中混凝土纵向挡水围堰向左将围堰分成三个施工工段进行，每段长约为120m。三个机组人员均实行两班工作制，每机组8人。每台班工作12小时，48小时不间断施工，并对每施工实行“各个击破”的施工策略。在靠近河中混凝土纵向挡水围堰一段的中部约50m平台布置水泥库和集中制浆站，灌浆泵及立式搅槽则摆放在44.0m马道上。在施工用水、用电等分别沿工作面全线铺通。

2.3主要施工机械材料

2.3.1主要施工机械及数量

钻  机：采用SGZ—LIIA型回转钻机5台

灌浆机：采用BW200/40型泥浆机3台

制浆机：采用J100*2型高速搅拌机3台

储浆槽：采用0.2立方米立式搅拌机3台。

2.3.2主要使用施工材料

水泥              采用合格、新鲜的425#普通硅酸盐水泥

钙基膨润土        采用225目的钙基膨润土

纯碱              采用工业用纯碱

水玻璃            采用40°be′水玻璃，模数3.0～3.3

3．施工技术及要求

3.1布孔及施工顺序

针对二期上游围堰的结构特点，决定在龙口段30m范围内及二期上游围堰与河中混凝土纵向挡水围堰接头部位20m范围内按2×0.5m孔间排距呈梅花型布置三排孔，其余部位按2×0.5m孔间排距进行布置两排孔。孔深深入基岩1.0m。

3.2施工顺序及施工工艺流程

施工顺序：下游排孔（—序孔）→上游排孔（二序孔）→中间排孔（三序孔）。

施工工艺：采用金刚石钻头、合金钻头进钻，孔口封闭、自上而下分段灌浆。

工艺流程：φ76mm开孔（铸φ2.5″孔口管，长1.5m）→φ56mm钻头钻孔→堵漏→灌浆→封孔。

3.3造孔技术要求

造孔采用SGZ—IIIA型回转钻机及φ76mm、φ56mm合金或金刚石钻头进钻，开孔直径φ76mm、终孔直径φ56mm；

孔位偏差≤10mm，孔斜率≤1%；

钻孔施工采用低泵量、慢速、低压进钻、防止烧、埋钻等事故的发生；

钻孔时对孔内情况进行详细记录，如：地质情况、各孔段水流漏失情况、空洞等以备有针对性地进行集中处理；

采用φ76mm钻头进钻结束后，首先安装φ2.5″孔口管，然后进行自流式灌浆，并在浆液中加入水泥重量3%的水玻璃以加速浆液的凝固，待凝12小时后方可进行下一施工工序。同时保证孔口管的深度、垂直度及牢固性。

3.4灌浆技术要求

3.4.1 孔口段灌注方法

孔口段采用自流式灌浆，浆液采用水玻璃水泥砂浆。

3.4.2 孔口段以下部分灌注方法

孔口段以下采用孔口封闭、自上而下分段灌浆，每段长2.0～3.0m。当漏失严重时，首先采用水玻璃水泥砂浆进行自流式灌注，待凝12小时后改用钙基膨润土水泥砂浆进行孔口封闭式灌浆，反之，则直接采用钙基膨润土水泥砂浆进行孔口封闭式灌浆。灌浆结束24小时后方可进行下一步施工作业。

3.4.3浆液配比

水泥水玻璃砂浆的浆液配比采用：水泥+3～5%水泥重量的40°be′水玻璃；

水泥钙基膨润土砂浆的浆液配比采用：水泥+10%水泥重量的225目钙基膨润土+5%钙基膨润土重量的工业用纯碱。

3.4.4钙基膨润土浆液水灰比

采用：2.15：1、2.4：1、1.49：1、1.04：1、0.67：1、0.58：1共六个比级。

3.4.5制浆工艺

水泥钙基膨润土浆液的配制方法：钙基膨润土加水→搅拌3min→加工业须知纯碱→搅拌2min→加水泥→搅拌2min→使用；

水泥水玻璃砂浆的配制方法：水泥加水→搅拌3min→加水玻璃→搅拌30s～1min→使用。

3.4.6灌浆压力

采用0.1～0.5Mpa。在地表不冒浆、不抬动等现象的正常情况下，将灌浆压力尽量升高到0.2Mpa。

3.4.7浆液变换要求

开灌时浆液水灰比采用5.12：1，然后逐级由稀变浓。变换标准为：当注入量达450公升而压力和吸浆量均无改变时，可以变浓一级；当吸浆量大于30公升/min时可以越浓一级。

3.4.8灌浆结束标准

一序孔当最浓级浆液注入量达600公升时，可结束灌浆；二序孔，当最浓级浆液注入量达150公升时可以结束灌浆；三序孔当最浓级浆液吸浆量达1升/min时，再持续灌浆10min后可以结束灌浆。

3.4.9封孔要求

封孔采用0.5：1浓浆及人工结合将孔口封堵密实。

3.5特殊情况的处理

若遇塌孔、埋钻、空洞等现象时，必须停止进钻，然后进行灌浆、扫孔等工作，待复杂孔段灌浆完并待凝12小时后，方可进行下一步施工作业。

若钻孔过程中遇冲洗液大量漏失时，可以在孔口加细砂、豆石、锯沫或水玻璃等物质进行堵漏，待凝24小时后方可进行下一施工作业（加水玻璃时待凝12小时即可）。

在灌浆过程中，若遇漏浆、冒浆、串浆、地表严重抬动等现象时，可以采取降压、限流、间歇灌浆、待凝或改用水玻璃水泥砂浆灌浆并待凝等方法进行处理。

3.6质量检查

灌浆质量根据注水试验进行检测，k值可根据下列经验公式进行计算。

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

其中：k—渗透系数；

L—段长(m)；

H—注水造成水头高度(m)

Q—吸水量（吨/昼夜）

D—钻孔直径(m)。

4成果分析

4.1灌浆成果分析

经过对各《灌浆孔段施工记录》的统计分析，得出二期上游围堰钙基膨润土帷幕灌浆“填筑层厚度—单位耗量关系折线图”如下所示：

通过上述《填筑层厚度—单位耗灰量关系折线图》，可以更进一步认识围堰堰体的内在质量，为堰体在今后的运行过程中有针对性地处理相关问题提供了一个强有力的证据。

4.2成本分析

二期上游围堰在施工闭气过程中，共计施工帷幕孔279个，累计钻孔2377m，灌浆2377m，平均单位耗灰量177kg/m，总耗灰量538.42T。由于采用“钙基膨润土帷幕灌浆”技术后，不仅在工程质量方面达到预期效果，同时也大大地降低了施工成本。经与普通帷幕灌浆相比，其经济指标如下表一所示。

钙基帷幕实际成本与普通帷幕预算成本相比主要经济参数对照表         附表一

(注：人工单价按大源渡工程调整后的结算单价，机械台时费及取费标准均按《电水规[1997]031号》文取定，材料价格均为市场价)

经与原设计高喷灌浆相比（注：原设计高喷灌浆为孔距1m、孔深7.0m、累计灌浆总长2415m），其经济指标如下表二所示。

 

钙基帷幕实际成本与高喷预算成本相比主要经济参数对照表         附表二

(注：取费方法同“附表一”)

5结束语

二期工程上游围堰自1998年11月1日进场施工，11月20日灌浆结束，实际施工天数21天，较原计划提前25天完工，不仅大大地缩短了围堰的闭气时间，为大源渡二期工程上游围堰的加高、加胖任务的提前完成创造了客观条件、也为大源渡工程实现“99年3月底以前基坑全面覆盖完毕”的防洪、渡汛要求赢得了一个月的宝贵时间。实践证明：采用该施工技术不仅能缩短施工工期、确保围堰的防渗效果，而且，在成本方面，经济效益也为之大大提高。与普通帷幕相比，可降低施工成本234.2万元、单位经济造价可降低992.9元/m；与高喷灌浆相比，可降低施工成本88.1万元、单位经济造价可降低355.7元m。特别是在投标单价较低、施工单位资金短缺的这种情况下，它不仅能为施工单位节省大量资金，使施工单位的其它工作能得以顺利进行如：开挖、浇筑等，同时、也为其它工程采用类似方法提供了一个良好的施工经验。

由于一般围堰闭气均直接采用普通水泥砂浆或水泥水玻璃砂浆灌注，致使防渗体呈“刚性”结构，对抵抗堰体沉降及洪水等破坏作用的能力较差，但如在灌浆浆液中加入适量的钙基膨润土及工业苏打后，将极大地增大围堰防渗幕体的塑性，增加堰体抵抗自然沉降及洪水等破坏作用的能力。至发稿日期为止，二期上游围堰长期在48m高程水位下作业，特别是在经受99年5月25日51.85m高程特大洪水（湘江五十年一遇洪水）的考验后，帷幕灌浆部分堰体仍无渗水、拉裂等现象。实践证明“钙基膨润土帷幕灌浆”技术对改善堰体的抗渗、抗滑、抗倾覆以及堰体的土体性质、形成防渗幕墙、闭气效果等方面效果显著，在今后施工中值得借鉴。

收稿日期:2001-03-23

作者简介:王治荣(1971-),男,工程师,贵州省麻江县人,从事水利水电工程施工技术工作.