某水电站1号堆积体锚索砂浆固壁成孔试验与研究

邱顺兵，韦 猛 ，刘 俊 ，舒振杰

(成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059)

某水电站1号堆积体锚索砂浆固壁成孔试验与研究

邱顺兵，韦 猛 ，刘 俊 ，舒振杰

(成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059)

在松散破碎、严重架空地层中钻进成孔及快速施工技术是一直困扰着工程技术人员的难题之一。为解决水电站坝区堆积体中锚索钻孔中成孔率极低问题，经过固壁灌浆试验研究，向普通硅酸盐水泥中加入一定量的速凝剂和硫酸钙，改善浆液的凝结时间和抗压强度，起到很好的固壁灌浆效果，提高了锚索孔施工的成孔功效。

架空地层;固壁灌浆;边坡治理;锚索钻孔

1 工程概况

某水电站1号堆积体位于其坝肩下游侧，为一覆盖层内部早期蠕滑形成。堆积体底部高程位于大渡河河床水边线以下3～4.5 m，顶部高程为740 m。堆积体内无冲沟发育，地形坡度较陡，从河床至后缘平均坡度38°，在过坝公路以上坡度一般为44°～48°，上游侧650 m高程以上坡度达55°，并在后缘形成以高1～2 m的覆盖层陡坎(滑坡壁)，后缘以上为河流阶地形成的缓坡。堆积体在平面上成不规则扇形，上部窄、下部宽，堆积体前缘沿过坝公路线长约240 m，垂直河流方向最大宽度约180 m，蠕滑区面积约1.9万m2，总方量约65万m3。水电站库区过坝公路通过该堆积体，根据1号堆积体覆盖层边坡的地质条件，1号堆积体过坝公路采用抗滑桩、承台板、混凝土挡墙及预应力锚索等措施进行处理。挡墙锚索共布置139束，锚索长度45～65 m，锚固段长度均为11 m，覆盖层张拉段采用跟管钻进成孔。其中，坝纵向K0+107.5～242.5 m沿墙身垂直方向布置3排，坝纵向K0+242.5～392.5 m沿墙身垂直方向布置2排，锚索孔间距为5 m。锚索布置在过坝公路C15混凝土挡墙上，墙高为20 m(高程为606～626 m)，墙厚6～11 m，墙背与堆积体边坡间采用石渣回填，厚度为3～16 m，形成过坝公路路基，锚索穿越混凝土挡墙和回填区后进入堆积体岩层。

2 锚索成孔技术难题

通过已开孔的锚索孔钻进情况，均在穿过挡墙、路基石渣回填区及进入堆积体表层时，频繁出现掉块卡钻、塌孔埋钻、套管靴拉断等现象。锚索开工1个多月，现场仅成功下索4根，钻进机具损失严重，投入过大且无产值，成孔效率极低。经过综合分析，锚索成孔困难主要是由以下原因造成的。

2.1 钻孔技术指标要求高

锚索孔设计深度45～65 m，锚固段长度达11 m，孔径170 mm。要求钻孔开孔偏差≤10 cm，钻孔轴线方位角偏差≤3°，终孔孔轴偏差不得大于孔深的2%，终孔孔深应大于设计孔深50 cm，终孔孔径不小于设计孔径10 mm。

2.2 地质条件复杂

根据锚索孔施工钻进情况及ZK02钻孔摄像资料显示，1号堆积体结构极为复杂:堆积体覆盖层主要由大孤石、大块石、部分夹粘土及粗砂组成;堆积体表层0～8 m为大孤石堆积体，架空现象严重，呈现出较大空腔;8～24 m多为块石、卵砾石夹砂、粘土物质结构，极为松散;24 m以深多为块石夹粘土，基岩为破碎～较破碎，地层软硬不均。

2.3 工艺技术要求高

为满足设计锚索孔径要求，必须选择壁厚8 mm、孔径178 mm的高刚度钢套管。在跟管钻进时，由于套管设计管径较大，套管与孔壁间的摩擦阻力很高;在回填区时，回填石渣受套管钻进冲击影响，致使周围石渣对套管的摩擦力增大，导致套管无法向前跟进;地层架空现象严重，当通过架空层后，孔壁上方不稳定的石块在重力及钻具振动的影响下，掉入已成孔段，导致钻具卡死，造成套管靴被拉断，套管无法跟管钻进。

3 锚索砂浆固壁成孔试验

3.1 试验目的

为了确定合理的堆积体锚索砂浆固壁成孔施工措施，参照相关工程实例，结合前期已施工的锚索成孔施工技术，采用多种砂浆固壁措施进行试验，从中选定较优的砂浆固壁灌注控制参数，如砂浆浓度配比、外加剂掺量、注浆过程控制及成孔效率等，从而达到以下目的:(1)解决在1号松散堆积体中锚索成孔困难、钻进效率低的难题;(2)提出在1号松散堆积体中经济合理的固壁灌浆成孔工艺;(3)在满足锚索成孔的前提下，选择合理的砂浆固壁措施指导后续锚索施工，加快整个工程的建设进度，缩短工期，节约成本。

3.2 试验孔选择

根据已开孔的4个锚索孔钻进情况，结合堆积体覆盖层结构和锚索布置区域，由四方(业主、设计、监理、施工方)现场勘查选择具有代表性的地质区域，桩号为0+175～200 m区间的ZK25、ZK26、ZK34及ZK35号孔作为试验孔。

3.3 试验过程

根据试验要求，灌浆材料要有以下特点:(1)良好的流动性，利于泵送灌注;(2)凝结时间适当，初终凝时间间隔短，利于提高效率;(3)早期强度好，且持续增长。因此对普通硅酸盐水泥(P.O42.5)净浆的主要灌浆性能进行试验研究，获得在不同水灰比条件下普通硅酸盐水泥净浆的灌浆特性见表1。不同水灰比的普通硅酸盐水泥的凝结时间及强度如图1、图2所示。

由表1和图1、图2可知，在不同水灰比条件下，其凝结时间存在差异，水灰比越高，其凝结时间越长。在高水灰比的条件下，强度较低，增长缓慢。而水灰比小于1时强度增长快，水灰比在0.5时14 d强度可达21.03 MPa。为保证砂浆有较高的早期强度，根据试验施工时选择固定水灰比为0.5。

表1 普通硅酸盐水泥灌浆成果表

图1 凝结时间与水灰比关系图

图2 强度与养护时间关系图

采用普通水泥浆液进行锚索钻孔固壁灌浆，待凝时间较长，成孔效率低，施工进度慢。因此，为满足快速固壁成孔，减少待凝时间，向普通硅酸盐水泥中加入一定量的TF－85高效速凝剂。根据该工程实际并结合既有施工技术经验，初步确定速凝剂的3种不同加量，其试验所得结果见表2。

表2 水泥净浆+速凝剂试验成果表

根据试验结果可得，随着速凝剂掺量的提高，其浆液凝结时间并不是简单的线性关系。根据施工可行性，为减少固壁待凝时间，施工时现场速凝剂掺量按0.6%选用。

在现场实际应用中，结合孔内摄像结果，ZK25号试验孔在0～8.1 m时为砼挡墙，钻进顺利;8.1～18.2 m为石渣回填层，钻进漏风、卡钻，采用套管跟进，钻至18.3 m时，无法跟管钻进，改为直钎钻进; 18.3～24.2 m直钎钻进，钻遇大孤石及块石，结构松散，发生掉块卡钻，无法钻进，经孔内摄像，在21.2～22.9 m间发现一空腔，采取速凝剂加0.6%的固壁措施，待凝后扫孔钻进，扫孔后钻进无改善，复灌1次，继续钻进;24.8～27.9 m跟管钻进，块石夹粘土，结构松散，严重漏风，大量水泥砂浆结块返出，发生掉块卡钻，套管靴被拉断，复灌4次，返出砂浆结块中有微小空洞，且经孔内摄像，之前固壁段结石孔壁不规则，且有裂纹和剥落掉块。

经过分析，水泥浆+速凝剂固壁灌浆存在以下不足:(1)硅酸盐水泥中硅酸三钙、硅酸二钙和铝酸三钙等水化不充分，结石率低;(2)普通硅酸盐水泥早期强度低，强度增长缓慢，早期抗压和抗冲击强度低，在钻进通过固壁灌浆段后，结石容易在钻进的各种扰动载荷下产生裂纹或剥落掉块现象。针对此情况，为确保顺利钻进，向试验配比中加入适量的硫酸钙(化学组成CaSO4·2H2O)，改善其早期强度，其试验结果见表3、图3和图4。

表3 水泥浆+硫酸钙试验成果表

图3 硫酸钙掺量与凝结时间关系图

图4 不同养护时间下强度与硫酸钙掺量关系图

根据表2和图3可知，随着硫酸钙掺量的增加，水泥浆的凝结时间逐渐变短，其掺量从2.5%～3.5%时，其凝结时间变短较明显，而4.0%～4.5%时，凝结时间变化不明显。由图4可知，加入硫酸钙后，结石抗压强度有明显的提高，而在硫酸钙掺量为2.5%～3.5%时，其强度变化较小，增长缓慢，在硫酸钙掺量为4.0%左右时，其强度有明显的上升阶段，强度增长较快。而在硫酸钙掺量为4.5%时，其28天抗压强度反而比14天抗压强度低，这可能是由于硫酸钙水化后，生成钙矾石，由于钙矾石的膨胀机理会使得结石体的后期强度变低。

基于试验研究结果，根据砂浆固壁掺外加剂的主要目的，在施工时采用砂浆固壁配合比为水∶水泥∶硫酸钙∶速凝剂=0.5∶1∶0.006∶0.04。在现场施工过程中，结合现场需要及实际情况可对掺量逐步调整。

3.4 现场施工

根据现场施工环境，采用集中拌制纯水泥浆，泵送至工作面掺砂拌制成砂浆进行灌注。纯水泥制浆站设置在挡墙外原便道内侧坝纵向K0+205 m处，采用ZJ－600L型高速搅拌机制浆，采用200 L×2储浆搅拌机储浆，3SNS输送泵输送纯浆至工作面。利用EL626过坝公路作为材料运输通道，排架顶端EL624工作平台布置2台350型砂浆搅拌机拌制浆液，2台卧式螺杆砂浆泵(6～8 m3h)灌送砂浆，送浆管路为32 mm高压塑料管，注浆量采用灌浆自动记录仪自动记录。

［1］陈祖煜.土质边坡稳定分析——原理·方法·程序［M］.北京:中国水利水电出版社，2003.

［2］陈祖煜，汪小刚，杨健，等.岩质边坡稳定分析——原理·方法·程序［M］.北京:中国水利水电出版社，2005.

［3］GB 50330－2002，建筑边坡工程技术规范［S］.

［4］GB 50021－2001，岩土工程勘察规范［S］.

［5］林宗元.岩土工程试验监测手册［M］.辽宁沈阳:辽宁科学技术出版社，1991.

Test and Research of Anchor Cable Mortar Wall Consolidation on the 1st Accumulation Body of a Hydroelectric Station

QIU Shun-bing，WEI Meng，LIU Jun，SHU Zhen-jie(Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China)

Engineering and technical personnel are always been plagued by drilling the hole and the rapid construction of technology In loose broken，serious overhead formation.In order to solve low rate of drilling anchor hole in the dam accumulation body，carrying on the solid wall grouting test，adding a certain amount of accelerating and calcium sulfate to Ordinary Portland cement，Improving the slurry setting time and compressive strength.As a result，It plays a good solid wall grouting effect，Improves the efficacy of the construction of anchor cable hole，and get a good use in the slope control.

aerial strata;solid wall grouting;experimental study;slope control

TV698.2+32

A

1672－7428(2012)08－0075－04

2012－03－20;

2012－06－07

邱顺兵(1986－)，男(汉族)，四川隆昌人，成都理工大学硕士研究生在读，地质工程专业，从事岩土钻掘工程方面的研究工作，四川省成都市成华区二仙桥东三段一号，474984942@qq.com。