南水北调穿漳工程围堰深厚砂卵石层防渗施工

2011-04-14金良智刘其森

水力发电 2011年7期

金良智，刘其森

（中国人民武装警察部队水电第一总队第一支队，河北唐山 063004）

1 南水北调穿漳工程概况

1.1 工程概况

南水北调中线穿漳工程位于河南省安阳市施家河村东北、河北邯郸市讲武城以南，工程主要建筑物包括南北两岸渠道连接段和过河建筑物，总长1 081.81 m，由南向北分别由南岸连接渠道、进口渐变段、进口检修闸段、倒虹吸管身段、出口节制闸段、出口渐变段、北岸连接渠道7段组成，在南岸连接渠道右侧设有退水排冰闸。倒虹吸管身段长619.18 m（水平投影），为钢筋混凝土箱形结构，3孔一联，单孔尺寸6.9 m×6.9 m（高×宽），水平段管顶面高程71.30～71.50 m，管底建基面高程61.80～62.00 m，顶板、底板、中隔墙及边墙厚均为1.3 m。进口斜管段长66.91 m（水平投影），沿轴向分为5节；进口斜管段后接15.41 m长进口加强段，进口加强段之后接平管段，平管段长451.58 m，纵向分为25节；出口加强段长17.01 m（水平投影）；出口斜管段长68.27 m（水平投影），沿轴向分为5节。工程采用分期导流方案，一期围右岸，二期围左岸，均为明渠过流，待一期围堰内建筑物施工完成后再进行二期围堰防渗施工。

1.2 地质水文条件

工程区内主要由上第三系（N）及第四系（Q）地层组成，其中第三系（N）上部为砾岩，多无胶结，局部钙质胶结，厚4.0～20.0 m不等；下部为粘土岩，厚度大于3.0 m。第四系（Q）下部为卵石，厚18.0～40.0 m，顶部局部分布有灰黄、灰褐色粘土及砂壤土、粉细砂、中砂、砾砂薄层或透镜体。中部砂卵石层厚1.5～15.0 m，局部夹砾砂透镜体及薄层粉细砂、中砂。上部为粉质壤土、砂壤土、粉细砂、中砂，总厚度3.0～12.0 m，分布于漫滩及河床。

地下水类型为潜水，砂层、砾岩及卵石层为透水层，总厚度约70.0 m，其中砂层具中等透水性，砾岩、砂卵石及卵石具强透水性，渗透系数为7×10-2～1×10-1cm/s，隔水粘土层位于 58.0～72.0 m 高程之间。地下水埋深浅，水位在76.0 m左右，并随季节变化而变化，变幅一般为1.0～2.0 m，受大气降水及洪水期河水补给，向下游排泄及补给下部含水层。地下水流速为0.56 m/d，流向SE45°，与漳河主流向一致。

南水北调穿漳围堰为临时性工程，所处位置砂卵石层深厚，对于其防渗施工咨询基础处理专家提出了多种方案，主要有以抽排为主的群井强降水方案、强封堵的地下连续墙方案、以防为主防排结合的帷幕灌浆方案，综合电力、工期、环境影响、效果与投资考虑，最终选择了以防为主防排结合的帷幕灌浆施工方案。

2 帷幕灌浆施工工艺

（1）施工次序。灌浆遵照分排分序逐渐加密的原则进行，每排分两个次序，先钻灌Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，设计三排孔，孔排距为2.0 m，梅花形布置。为尽快在围堰上形成一道封闭的、单排防渗灌浆帷幕，先对各单元下游排孔进行施工（纵向围堰施工靠近开挖面的排孔），再对上游排孔进行施工（纵向围堰施工远离开挖面的排孔），中间排孔作为检查补充灌浆孔，检查不合格时继续灌浆。

（2）钻孔深度。所有钻孔须钻穿砾岩，深入粘土岩0.5～1.0 m，一般孔深约为45.0～72.0 m，孔深超过55.0 m的孔先使用潜孔锤套管跟进钻至砾岩，然后换岩芯钻机钻至粘土岩成孔，孔深小于55.0 m孔使用潜孔锤直接成孔。

（3）灌浆顺序。采用自下而上分段、管口封闭、孔内循环的方式进行灌浆。当埋设的灌浆工作管底部为花管（花管长度一般为3.0 m）时，射浆管距离花管顶0.5 m，灌浆结束后再起拔灌浆工作管；当埋设的灌浆工作管底部不是花管时，先起拔灌浆工作管3.0 m，并保证射浆管下入到距孔底不超过0.5 m的位置。

（4）灌浆材料。选用水泥强度等级为32.5 MPa的普通硅酸盐水泥，水泥细度要求通过80 μm方孔筛的筛余量不大于5%；粘土就近取材，粒径小于0.005 mm粘粒含量不宜低于25%，含砂量不宜大于5%。

（5）浆液配比。采用水泥粘土浆灌注，浆液配合比为：水固比采用 3∶1、 2∶1、 1∶1、 0.6∶1 四种，干料比（水泥∶粘土）为1∶2.5。根据孔内注入率大小，逐级或越级变换浆液浓度，一般可先灌水固比为3∶1的稀浆，当注入量超过300 L时，可变浓一级；当注入率超过30 L/min，视实际情况，可越级甚至采用水固比为0.6∶1的浓浆灌注。

（6）灌浆压力。孔深大于30.0 m段Ⅰ序孔为0.8 MPa，Ⅱ序孔为1.0 MPa。孔深小于30.0 m段：当该段尚未灌注0.6∶1浆液或仅灌注了0.6∶1浆液，30.0～20 m孔段不足3 000.0 L，孔深小于20 m孔段不足2 000.0 L，且注入率小于10 L/min时，Ⅰ序孔灌浆压力按0.5→0.8→1.0 MPa，Ⅱ序孔按0.8→1.2→1.5 MPa逐级升压控制。

（7）灌浆结束标准。灌浆结束标准为注入率不大于5 L/min，持续20 min。当孔深小于30 m段可灌性较差时，灌浆结束标准为：压力每升一级，注入率大于10 L/min时，在此压力下灌至注入率小于10 L/min后再升压，直至达到Ⅰ序孔灌浆压力为1.0 MPa或Ⅱ序孔为1.5 MPa，且注入率小于3.0 L/min、持续10 min后结束。

3 施工方法及技术要求

3.1 潜孔锤与岩芯钻联合钻孔的灌浆方法

潜孔锤开孔时，采用φ146 mm或φ168 mm套管跟进，钻至砾岩层（孔深一般45.0～55.0 m）停止，待埋入φ89 mm或φ108 mm灌浆工作管后，立即拔出跟进套管，在灌浆工作管与孔壁之间回填细砂并尽量充填密实。

在φ89 mm或φ108 mm灌浆工作管内，采用岩芯钻对砾岩和粘土岩钻进，孔径一般控制在φ60 mm或φ75 mm。根据砾岩厚度，可一次钻入粘土岩1.0 m左右，也可以分段钻进。

采用管口封闭、射浆管加长到距孔底0.5 m的孔内循环式灌浆方法。岩芯钻钻孔部位采用自上而下分段钻灌法，特殊情况可一次灌注；潜孔锤钻孔部位采用自下而上分段（段长3.0 m）灌浆法，灌完一段后立即起拔一节灌浆工作管。

3.2 潜孔锤钻入粘土岩的灌浆方法

3.2.1 分序施工，边钻边灌法

（1）施工程序。潜孔锤钻孔、φ146 mm或φ168 mm套管跟进至终孔→下入φ89 mm或φ108 mm灌浆工作管→拔跟进套管→填细砂或粘土浆封闭→在灌浆工作管内下入φ25 mm射浆管→起拔灌浆工作管3.0 m→安装孔口装置→第一段灌浆→起拔灌浆工作管3.0 m→安装孔口装置→第二段灌浆。以此类推，直至最顶段灌浆。

（2）技术要求。①每排孔分两序施工，正在灌浆的孔周6.0 m范围内不得进行潜孔锤钻孔作业；②先灌下游排孔，再灌上游排孔，后灌中间排孔；③采用管口封闭、射浆管加长的孔内循环式灌浆；④若不采用下入射浆管孔内循环式灌浆，应将灌浆工作管底部3.0 m制成花管，待第一段灌浆结束后再上拔。

该灌浆方法减少了灌浆孔相互串浆的机会，有利于灌浆工作管的起拔，但潜孔锤对已灌浆部位反复钻孔，对浆液胶结有破坏作用，会影响防渗效果。

3.2.2 先钻后灌法

（1）施工程序。潜孔锤钻孔、套管跟进至终孔→下入φ50 mm钻杆或φ89 mm地质管（底部3.0 m为花管）作为灌浆工作管→拔跟进套管→填细砂或粘土浆封闭→安装孔口装置→第一段灌浆→起拔灌浆工作管3.0 m→安装孔口装置→第二段灌浆。以此类推，直至最顶段灌浆。

（2）技术要求。①一个单元工程内，相邻的两排同序孔全部钻出后埋入灌浆工作管；②潜孔锤钻孔位置距灌浆孔距离不得少于8.0 m；③采取无塞上提纯压式灌浆方法；④每排孔灌浆分两个次序进行，若发现相互串浆时，可同时灌注。

该方法避免了潜孔锤对已灌浆区域的破坏，提高了灌浆防渗效果；但一次钻出的灌浆孔多，灌浆工作管的用量大，同时增加了串浆机会，可能造成拔管困难，加大灌浆工作管的损耗，增加灌浆成本。

4 特殊情况处理

（1）岩芯钻钻孔塌孔处理。钻孔过程中如果发现塌孔，不得盲目钻进，否则极易发生孔内事故，量测孔深时往往与钻孔深度误差很大，费时费力又没有效果，主要采取稀粘土浆固壁、起钻进行灌浆处理后再钻进的措施。

（2）潜孔锤钻孔对灌浆的影响。钻孔采用中高风压，对地层破坏严重，尤其是对灌浆结束时间不长尚未达到强度要求的部位，钻孔会造成新的通道，故应尽量将空压机风压调到最低，并保证灌浆结束7 d后再进行周围孔的钻孔，采取不分序、一端向另一端推进、钻孔和灌浆保持一定安全距离的施工方法。

（3）漏浆处理。灌浆过程中，如果发现浆液大量流失或长时间没有灌浆压力，采取以下措施：①缩短灌浆段长；②灌注水泥砂浆；③掺加水玻璃等速凝剂。

（4）最顶段灌浆管周围冒浆处理。最顶段地层为粉细砂和砂壤土，上部又无混凝土盖重，如灌浆工作管与钻孔孔壁之间回填不够密实，反复起拔，会造成管壁与周围有空隙，灌浆过程中浆液就会沿灌浆工作管外壁或地表渗漏，主要采取以下措施预防和处理：①充填过程中边填边用水冲，尽量使灌浆工作管与钻孔孔壁充填密实；②每次拔管后将灌浆工作管四周重新夯实；③对渗漏部位人工挖坑回填粘土并夯实；④采用浓浆、低压循环、间歇灌注，延长灌浆时间；⑤对孔段待凝，进行复灌处理。

（5）灌浆工作管起拔困难处理。灌浆工作管一般选用φ50 mm或φ108 mm地质管，在起拔跟进套管前埋入，灌完一段3.0 m后起拔一次，人工起拔难已完成时，采取以下几种措施：①采购专用拔管机拔管；②用岩芯钻机和吊锤打松灌浆工作管后，再用钻机起拔；③灌浆工作管在下入前管外壁刷机油，与孔壁间回填粘土浆；④按设计配合比灌注水泥粘土浆，尽量不灌注纯水泥浆。