块碎石架空地层深孔防渗墙施工塌孔预防措施

张太波

(贵州省水利投资(集团)有限责任公司,贵州 贵阳 550081)

1 工程概况

民治水电站位于四川省雅安市宝兴县境内的东河上,为宝兴河梯级开发的第二级,采用引水式发电方式,装机105MW。 坝址位于宝兴县盐井乡上游约7km石门坎附近,闸坝轴线长156.0m,最大坝高17.0m,坝顶高程1589.00m。 大坝基础及两岸覆盖层采用混凝土防渗墙防渗,两岸山体内采用帷幕灌浆防渗。 防渗墙最大深度54m,平均深度32m。 防渗墙长度162m,厚度80cm,采用C20 混凝土浇筑。

2 工程地质条件

根据地质勘测资料,坝址处河床覆盖层较厚,一般厚度65 ~75m,最大为85.50m。 成层结构复杂,按其结构层次自下而上由老到新分为五层,依次为第Ⅰ层砂砾石层(Q3fgl)、第Ⅱ层泥块碎(卵)石夹含砾砂质粉土层(Q4pl+al)、第Ⅲ层漂(块)卵(碎)石层(Q4col+al)、第Ⅳ层含砾石粉土层(Q4l)、第Ⅴ层砂砾石层(Q4al)。 其中第Ⅲ层含有中细—粉细砂层透镜体,厚度1 ~3m;第Ⅴ层含有砂层透镜体,厚度1 ~3m,最大厚度5.35m。

河床左侧为崩坡积体块碎石层,块石粒径一般30 ~60cm,大者达1 ~3m,碎石一般8 ~15cm,块碎石空隙间充填黄色砂壤土,架空处见有木屑分布。 颗粒含量变化大,但总体由上向下有变粗趋势;其中块石占15% ~40%,碎石占30% ~50%,土夹砾石占10% ~55%。 粒径大小悬殊,结构松散,极为不均;架空现象明显,渗透系数达0.105 ~0.237cm/s,透水性强;承载力和变形模量变化大,差异悬殊。

3 防渗墙施工遇到的问题

根据施工组织设计,混凝土防渗墙槽孔使用CZ-8D 冲击钻机,采用“钻劈法”施工,泥浆固壁。 槽孔分为两期施工,先施工一期槽孔,再施工二期槽孔。 一、二期槽孔采用“钻凿法”搭接,搭接长度不小于设计墙厚的1/3,以保证槽孔连接质量。

在防渗墙槽孔施工时,经常发生槽壁坍塌、卡钻、掉钻事件,对防渗墙施工进度、安全、质量均造成较大影响。 由于崩坡积体块碎石地层具有强烈的嵌锁稳定效应,越到槽孔的底部,岩石的块度越大,嵌锁效应也越强,槽孔越容易发生大面积坍塌,现场的施工机械设备、人员等跟随陷落,安全隐患突出。 坍塌后处理难度大,成本高,对施工进度造成影响较大。 如一期施工的13 号槽段,发生大面积槽壁坍塌事故后,处理工期就达2 个月之久。

4 塌孔原因分析

4.1 外力作用

外水压力指槽壁外的积水向内作用于槽壁的侧压力,其压力大小取决于地下水位和深度,水位越高,侧压力越大。 当槽内泥浆向外作用的侧压力小于外水压力时,槽壁就会坍塌。 因此,应采取措施降低外水压力,提高槽内泥浆压力,保持内压大于外压。

震动主要是由振冲机械、运输设备等产生。 震动具有波的特性,其力度由震源向周边传播并逐步减弱。因此,加大运输设备与槽段之间的距离,减少振冲机械对槽壁的直接震动,是减小震动作用的有效措施之一。

外部荷载主要指直接施加在槽壁上的静荷载,包括机械设备自重、导墙及施工平台自重,以及含水量变化导致的槽壁自重变化等。 在槽壁基础承载力确定的条件下,外部荷载越小槽壁就越稳定。

4.2 内力重分布作用

崩坡积体的整体稳定主要靠块碎石间的嵌锁力来保持,而不像冲积物、洪积物等那样主要靠重力保持稳定,在受到外部扰动时,堆积体内部会发生内力重分布,趋向于重力稳定。 这个过程会导致堆积体发生形变,进而造成槽壁坍塌。

4.3 地基承载能力低

在河道形成过程中,由于长期的地质构造作用和侵蚀作用,在崩坡积体块碎石层中,夹杂有不同时期洪积或冲积形成的粉细砂、粉土质透镜体,其结构承载能力低,埋藏位置深浅不一。 在防渗墙施工过程中,遇到类似透镜体时,需要对其进行加固处理,提高槽壁基础的承载能力。

通过上述分析,结合现场情况,可知造成槽壁坍塌的主要原因有槽段划分过长、泥浆固壁效果差、施工震动过大、基础软弱夹层承载力低、泥浆漏失速度过快、副孔的劈打方式选择不当、外水压力过大、槽壁顶部荷载较大、造孔偏斜过大等。

5 预防措施

5.1 减少槽段划分长度

为保证槽壁的稳定,降低混凝土的生产浇筑强度,合理配置机械设备,在混凝土防渗墙造孔时,需要将防渗墙划分成若干段分期施工。 由于一期、二期槽孔之间的接头处理占用时间较长,也是防渗墙施工易发生质量隐患的部位,因此,在实际施工中,只要地质条件稳定,混凝土生产能力满足需求,尽量增大槽段划分的长度,减少接头数量,提高施工效率。 根据施工经验,一般地质条件下每段槽孔划分长度为8 ~10m。 但在崩坡积体块碎石架空地层下,超过8m 的槽段容易塌孔,反而影响了施工效率,现场将槽段划分长度减小至6 ~7m 后,塌孔次数明显减少。

5.2 保持泥浆性能稳定

采用冲击钻机造孔时,槽孔内的泥浆具有固壁、冷却钻头、悬浮钻渣、平衡压力的作用。 若泥浆浓度过大,会增加钻头下落的阻力和浮力,减少冲击力,从而降低钻进效率。 若泥浆浓度过小,则会导致固壁效果不好,引起泥浆漏失,槽内外压力不平衡,造成槽壁坍塌,同时也会降低钻渣悬浮能力。 因此,合理确定泥浆参数、保持泥浆性能稳定非常重要。 泥浆参数可通过试验确定,当采用重型钻头时,适当提高泥浆浓度。

5.3 减小施工震动

施工震动也是造成槽壁坍塌的原因之一。 为加快施工进度,现场通常是每隔一个槽段布置一台甚至几台机械同时施工,这样会导致施工震动过大,加之块碎石地层具有嵌锁稳定的特性,震动的传递效应强。 施工震动过大时,会导致同时施工的相邻槽段槽孔坍塌。因此,施工过程中应对震动效应进行监测,根据震动强度合理布置施工机械,避免相邻槽段最近的孔位同时施工。

5.4 加固基础软弱地层

针对槽壁地基中夹杂的粉细砂层透镜体,以及堆积体本身结构松散的特点,根据各自的施工条件,采取不同的措施对地层进行加固。

对于浅表层已开挖出露的粉细砂层透镜体,采用无引孔振冲碎石桩的方式对地基进行加固。 对于孔内中下部的粉细砂层透镜体,则向孔内倾倒碎石和黏土进行冲挤加固。 对于表层结构松散的块碎石层,不能采用无引孔振冲碎石桩的方式加固时,则采用强夯或振动碾压的方法,减少块碎石之间的嵌锁效应,提高自稳能力。

5.5 防止泥浆漏失过快

造孔过程中发现槽内泥浆液面高度下降过快时,应立即排查泥浆渗漏通道,一般都位于正在钻进的孔底附近。 此时,要加大泥浆注入量和泥浆浓度,维持液面高度,避免槽壁坍塌。 若采用高浓度泥浆仍无法封闭渗漏通道,则向槽内加入黏土草袋、袋装水泥等,对通道部位进行冲挤加密堵漏。

5.6 采用钻劈法劈打副孔

常规地质条件下,防渗墙副孔的劈打方式有钻劈法、钻抓法、抓取法等,其中工效最高的为抓取法,其次为钻抓法,钻劈法的工效最低。 由于崩坡积体块碎石架空地层具有强烈的嵌锁稳定效应,采用抓取法时,副孔壁未经振冲加密降低嵌锁效应,容易引起槽壁坍塌。采用钻抓法时,遇到块度较大时也会引起槽壁坍塌。因此,现场采用钻劈法劈打副孔,通过振冲钻进降低嵌锁效应并加密槽壁基础后,槽壁更加稳定。

5.7 漂石、孤石处理

在崩坡积体地层中进行防渗墙施工时,经常会遇到大块径的漂石、孤石。 采用钻头冲击漂石、孤石容易发生槽孔坍塌事故,且进度很慢,工效较低。 在遇到漂石、孤石时,一般采用水下爆破的方式进行处理。 水下爆破分为钻孔爆破和岩面聚能爆破两种。

5.7.1 钻孔爆破

当遇到大块径的漂石、孤石时,在孔内下设导向钢管,用XY-2 型岩芯钻机在导向管内钻孔,直至钻穿整块岩体。 钻孔完毕后,将药卷放置在小口径PVC 管内形成爆破筒,用细铅丝将其吊放到孔内爆破。 爆破筒内一般装填防水胶质炸药,按0.5 ~0.8kg/m 的线装药密度装填,装药长度比爆破岩体厚度短30 ~40cm,采用非电毫秒雷管起爆。 爆破筒放入前,应准确丈量筒身及铅丝总长度并清洗钻孔,保证爆破筒准确下到岩体内。 起爆前,搅动孔内泥浆,加大泥浆密度。

5.7.2 岩面聚能爆破

岩面聚能爆破,是指将特制的爆破筒下放到孔内孤石、漂石处,让爆破筒的聚能穴正对岩面,利用爆破聚能效果破坏岩体的方法。 采用岩面聚能爆破,能较很好地破坏岩石光滑面,改善钻头着力点,快速处理块径不太大的孤石、漂石。 采用岩面聚能爆破前,应摸清孔内情况,包括孔深、孔形、地层、孔内泥浆主要指标、岩石的岩性及硬度等,制定出切合实际的爆破方案。在下放爆破筒前,进行清孔换浆,确保爆破筒能置于块石表面。

由于岩石表面不完全是水平面,爆破筒很难准确定位,导致岩面聚能爆破效果不及钻孔爆破效果好,且爆破震动较大,如操作不当,会造成大范围的槽壁坍塌,反而得不偿失,需慎重采用。

5.8 提高施工平台稳定性

采用振冲碎石或振动碾压对施工平台的基础进行加密加固,对防渗墙施工平台进行硬化,采用钢筋混凝土浇筑导墙等,提高施工平台的稳定性。 施工平台的周边设置混凝土排水沟,减少因施工废水渗入槽壁内产生的外水压力,降低槽壁基础的含水量,从而提高基础承载力。

一期槽孔浇筑后,若导墙底部与防渗墙顶部之间存在较大的空白段,应视其基础情况,采用低等级混凝土对空白段进行回填,保证二期槽孔施工时,施工平台基础不垮塌。

5.9 减少造孔偏斜

防渗墙造孔过程中,随时测量孔斜情况,发现偏孔要及时纠偏,勤纠少纠,防止偏斜过大时,槽壁基础悬空后引起坍塌。

6 结 语

对于崩坡积体块碎石架空地层下的深孔防渗墙施工,通过采取减少槽段划分长度、保持泥浆性能稳定、减小施工振动、加固基础软弱地层、及时进行漏浆处理、采用钻劈法劈打副孔、选择适宜的方式处理漂石、提高施工平台稳定性及减少造孔偏斜等预防措施,减少了塌孔次数,加快了施工进度,提高了施工效率,降低了安全风险,确保了工程顺利实施,对类似地质条件的地下防渗墙施工具有参考意义。