战 博,段玉凤,曾鹏九

(1.华北有色工程勘察院有限公司,河北石家庄 050021;2.黄河设计公司地质勘察院,河南洛阳 471002)

振动切喷技术在重庆草街航电枢纽工程中的应用

战 博1,段玉凤1,曾鹏九2

(1.华北有色工程勘察院有限公司,河北石家庄 050021;2.黄河设计公司地质勘察院,河南洛阳 471002)

在振动切刀下部安装有定喷的喷嘴,振动切槽之前,超前进行定喷,将振动切槽与定喷两种工艺综合成一种工艺,构成一种新的薄防渗墙的施工工艺——振动切喷技术。介绍了该新技术在重庆草街航电枢纽工程中的应用情况,实践证明,此工艺提高了防渗墙的施工效率与成墙质量。

振动切喷;振动切槽;定喷;灌注;防渗墙

1 概述

重庆草街航电枢纽工程是在嘉陵江上修建一座低水头水利工程,一为通航,二为发电,故称航电工程。工程分 2部分进行,从中修以临时围堰,一侧为电厂,一侧为航道。临时围堰靠右侧,为枢纽的纵向混凝土围堰和 15孔泄洪闸混凝土底板的干地施工服务。临时围堰轴线长约 1130 m,由上横堰 287 m、纵堰 660 m和下横堰 183 m组成。堰顶高程 183～181 m,平均防渗深度约 10 m,总的防渗面积约 111万m2。

防渗深度内的地层自上而下分述如下。

(1)堰体抛填层。厚 2～6 m,主要由右岸边坡开挖的泥岩和砂岩的大岩块组成,岩石软弱,中等硬度。施工设计中要求防渗轴线附近抛填只含小块径的碎石土,实际中轴线上有很多大块径石块,特别是在上横堰和纵堰的龙口段附近。经过挖沟换填后,防渗线上的大石块含量有所减少,仅在较深部位有部分残存,漏水量极大。

(2)河床砂卵石层。厚 0～7 m,卵石粒径多在100 mm以内,150～200 mm以上的漂石也占一定比例。卵石的原岩为石英岩、石英砂岩等坚硬岩石,磨圆良好,属强透水层。

(3)基岩系侏罗纪的泥岩和砂岩,表面多风化,属软岩,为弱透水层。在急流和深槽部位,部分堰体直接覆盖在基岩上。

(4)坡积碎块石层分布在近岸坡的 50 m内,尤其是下游岸坡部分分布较厚,透水性极强。

设计对防渗墙没有提供具体参数与工艺要求,也没有提供有关轴线地质资料与剖面图,仅要求基坑最终抽水量 <1500 m3/h。

针对上述情况,要以最短的时间,保证质量完成该临时围堰防渗墙的施工,采取了优势互补,把施工工效最高、质量最好的施工方法——振动切喷与可控灌浆结合、振孔高喷与可控灌浆结合,历时 26天,高质高效地完成了任务。

振动切喷技术适用于标贯击数 N6315≤18的土层,如粘土、砂土、壤土、淤泥、砂壤土、粉质粘土、砂层和含少量砾石的松散地层。可建造连续混凝土防渗墙、塑性混凝土防渗墙或土工模防渗墙。

振动切喷工艺造墙深度一般在 25 m以内,厚度8～20 cm,可以说是最薄防渗墙的修筑工艺之一。可广泛用于堤防防渗墙或水力坡比不大的临时围堰防渗墙等。不足之处是对卵石含量高、有大漂石的地层以及基岩 (软岩可以短距离的切入)等,振动切喷成墙困难较大或不能进行封闭。

2 振动切喷防渗墙的施工原理

振动切喷是在振动切槽的切刀下约 015 m的距离,安装 2个相隔 180°的喷嘴,与切刀在同一轴线上 (见图 1)。切刀未切入原始土层之前,喷嘴超前先进入原始土层,超前对土层进行定向喷射切割,可降低切刀切入阻力。

图 1 振动切喷钻具图

槽深达到设计要求后,通过振管与切刀的通道,由喷嘴向下灌注浆液,灌注的同时提升振管。振管提出槽口,即修筑了一小段灌满浆液的防渗墙。若干个小槽段地下墙相连,即形成地下连续的防渗墙。其工作原理如图 2所示。

图 2 振动切喷防渗墙施工原理图

2.1 超前土体定喷切割

由于喷嘴超前切刀,切刀未切入之前,喷嘴先由空气包裹的浆液进行高压定向喷射,对土体进行切割破坏,空气与部分浆液上返,被切割的土体变得松散,对于密实土层、砾石层、砂层,能显著提高成槽效率。

2.2 切刀振动沉入

定喷自身能形成很薄的防渗墙,但有些工程仍需要一定厚度的防渗墙,这个厚度又不是很大,则跟进切刀成型是最好的办法,切刀厚度可根据防渗墙厚的设计要求而定,本工程切刀厚为 15 cm。

切刀的沉入是由振动所控制的,振动使摩擦阻力降低。如果在饱和土中受到振动,振杆的强迫振动频率与土体的自由振动频率接近时,土体则会发生共振,产生液化。土颗粒中的结合水析出,土颗粒间的粘结力急剧下降,土体与切刀刃部分表面的摩擦力大大降低,切刀靠振管与振动锤的自重就能很容易沉入土层。

振动切刀挤入有以下 3种作用:

(1)挤密作用。切刀沉入,不排出土渣,完全是挤开土体,向下沉入。故两侧土体受压而密实,受挤压的范围为墙厚的 2～3倍,使土体孔隙率降低,密度加大,有利于槽壁的稳定与墙边土体的防渗[2]。

(2)振浮作用。切刀通过振动,使周围土体内超孔隙水压力升高,促使土粒间结构力破坏,形成新的稳定结构形式。

(3)固结作用。砂土地层中,在其上覆有效应力作用下,超孔隙水压力消散时,将产生排水固结压密。

在上述作用下,提高了墙两侧土体的防渗能力,增加墙两侧土体的渗流稳定性,使槽壁稳定,不易出现塌槽。

2.3 提升定喷灌注

切刀到达设计深度后,提升振管,同时可由振管向槽内灌注水泥浆。切刀下有 40 cm没有切到的土层,但定喷会对土体进行切割并注浆,仍可形成封闭墙。

2.4 对浆液的振捣作用

振动切喷无需分序施工,在振动沉入过程中,对上一个槽段已注入的浆液有连续振捣作用,使墙体内浆液充分振捣密实,气体充分的排出,有利于提高墙体的抗渗性能与强度。

2.5 浆液护壁作用

振动切喷因切刀要比振管宽很多,切刀宽 017～019 m,振管直径一般不超过切刀厚度。切刀过后,其上部挤出的槽段空间,浆液会立即填入,起到护壁作用 (因浆液密度在 1135 g/cm3以上),而无需另采用专门泥浆护壁。

2.6 墙体的连续性

第一个切喷槽段完成后,槽内充满了浆液,此时可立即进行第二个序槽的切喷,为使各切喷槽段有完好的连接性,在切刀上安装一导向刀,当第二个序槽切刀下沉时,导向刀即在已形成的槽段内起着导向连接作用,而且切刀与上槽段重叠 10 cm,确保墙体不开叉。每一切喷槽段所需工时很短,一般仅为5～8 min,灌注到槽内的浆液还没初凝就连续完成了另外多个切喷槽段,定喷压力达 20～35 MPa,其影响半径比切刀大。当第一个槽孔灌注之后,往下槽孔定喷的影响范围,几乎可以串过 1～2个切刀段,使单个切刀槽孔能有效的连接起来,保证墙体的连续性,每个槽段内的浆液都得到了振动搅拌密实,均能混为一体。

3 施工设备

3.1 振动切喷机

振动切喷机与振动切槽机只需略加变更便可以通用,振动切喷机的机架较高,可达 30 m,一根喷管即可到设计深度。机上有主副 2个卷扬,并有液压系统,可使振动切喷机自身爬行。本工程采用的DY-90型振动切喷 (槽)机主要技术性能见表 1。

表 1 DY-90型振动切喷 (槽)机性能表

(1)振动锤是切槽机上的重要构件,对切槽效率有着重要的影响。该机选用的是 DZJ型双动力中心孔垂直定向振动锤,根据墙深与土体情况,功率可在 60、90、120 kW之间选用。振动锤利用滚轮在高架的导杆上滑行。

(2)振动切刀与振管:振动切刀由厚 10 mm钢板焊接而成,振管选用 DZ型厚壁钢管,规格为“108、127、159 mm三种 ,可根据不同墙厚、墙深以及振动锤功率大小选用。

3.2 空压机

根据施工条件、工程量的大小以及技术要求进行选用。以 112 MPa的高压空压机为首选。

3.3 高压泥浆泵

优选天津产 XPB-90E型高压泥浆泵,压力 45 MPa,流量 95 L/min,采用调速电机控制流量。

4 施工工艺

4.1 施工前的试验

振动切喷在施工前,应在防渗墙附近或线上作施工试验,以验证设计的可行性,并提出切实可行的施工参数,提出试验报告后,修正业主的施工设计与施工单位提出的施工组织设计。

试验报告内容包括:成墙方法的可行性、成墙材料试验配比、抗压强度试验、墙体质量、渗透试验与合理的工艺参数等,并由监理工程师批准执行。

4.2 施工工艺流程

振动切喷施工工艺流程如图 3所示。

4.3 开导槽

以防渗墙中心线为准挖宽 20～30 cm、深 40～50 cm的施工导槽,长约 20 m隔槽一次 (即在槽中每 20 m设置一小隔墙,以防止大面积跑浆)。

图 3 振动切喷工艺流程图

4.4 施工移位放样

由于有导槽,切刀孔位无法放在防渗墙轴线上布置,只能从旁侧辅助定位线引导过来 (见图 4)。

图 4 振动切喷辅助线定位放样图

4.5 调整振动切喷机的垂直度

切喷机到位后,利用 4个垂直油缸,将高架调垂直,用经纬仪进行校正。然后将高架上的水准气泡调中,再移动孔位时,只须用垂直油缸调整水准气泡居中,高架就能垂直。保证槽孔的垂直度。

4.6 泵浆试验

开机之前,需配制好浆液。按水灰比搅拌控制好,并测试浆液密度,一般控制在 1135～115 g/cm3。

4.7 振动切喷成槽

开机前,地面试喷以检查管路与喷嘴是否通畅(图 5),向槽内送浆后,需保持槽口浆液面,以保槽段不坍塌。振动切入速度可根据土层地质情况与槽口供浆量控制。

图 5 振动切喷地面试喷图

4.8 提升切刀定喷注浆

振动切喷到设计深度后,停止振动,提升切刀,通过振管不停地向槽内注浆,第一个槽孔,切刀是满眼成槽的,提升速度≯30 cm/min,第二个槽段开始,由于与上个槽段相通,则可以提高提升速度到 1 m/min,只须槽口能保证浆面的高度即可。

4.9 第二个槽段的振动切喷

第二个槽段施工前,需重新安装导向头。位移到第二个槽孔时,除将导向头完全置于第一个槽段内,还需将切刀长度的 10 cm左右也置于第一个槽段内,以保证相连槽段不开叉。振动切喷常用技术参数可参考表 2。

振动切喷进入第二槽段,当墙深≯10 m时,可不安装导向管,但要保证切刀不会转动,定喷流与切刀纵中心线重合,确保防渗墙的连续性。

5 施工特殊情况的处理

5.1 遇卵石、大块石

表 2 振动切喷常用技术参数

施工中经常遇到块石与卵石,此时振管会有明显的跳动,必须立即减压,降低切刀沉入速度。因为强烈的振动有可能损坏切刀与喷嘴头,还可能挤开块石卵石,造成槽孔的偏斜。在反复穿越不成功后,采用移位绕行的措施,同样可以保证防渗墙的封闭。

5.2 缩径槽段

如有缩径地段,则需观察注浆量的大小,当注浆量小于槽的容积时,说明缩径,应立即采取措施。安装多片刮刀,反复穿越,将刮下的缩径土提出槽口,用振动将刮刀上的土体振下,然后再进行刮削。

5.3 病险堤坝防渗墙的浇灌

堤坝有渗漏、管涌和地下洞穴。尽管无压注浆,耗浆量也很大。此时,可掺入 1%～3%的水玻璃,并采用反复灌浆与间歇灌液,直至反浆为止。

6 施工效率

2005年秋季正逢嘉陵江水大,围堰戗堤进占自2005年 11月 2日和 5日分别从上游和下游两端开始,11月 20日在桩号 0+850附近合拢,当施工平台部分完成后,第一台振动切喷机于 11月 26日在纵堰的 0+440附近开始振动切喷施工,第二台振孔高喷机于 11月 29日开始振孔高喷施工。11月 26日起可控灌浆从纵堰全面展开。至 12月 10日总量约 1万m2的防渗工程全部完成,基坑开始试抽水。经过 11天的试抽和补充性防渗工作,于 12月 21日围堰闭气,同时约 15万 m2基坑内近 30万 m3的坑内积水全部抽干,围堰总渗透量降至 1000 m3/h以下。防渗工程开始至基坑内积水抽干,历时 26天,共使用一台振孔高喷机,一台振动切喷机 (仅工作20天),二台可控灌浆设备,实现了大型水电工程围堰防渗施工少见的高速度[1]。

7 墙体质量标准

8 振动切喷防渗墙的施工特点

工程实践证明,振动切喷防渗墙施工具有以下特点。

(1)质量可靠。振动切喷建成的墙体连续性好,无接缝,无横向开叉。墙面平整,厚度均匀,同时不会出现断墙断桩。

(2)施工方法简单。施工方法简单,操作容易,当切刀沉入设计深度后,送浆量加大的同时,切刀向上提升,提出槽口,即成段墙,不需置换与专门的浇注。

(3)可施工最薄的防渗墙。切刀厚度即是防渗墙的厚度,所以非常适于修筑薄防渗墙,最薄可达 8 cm。在低水头坝防渗墙和堤坝防渗墙的施工中有广阔的市场。

(4)施工效率高。振动切喷的成墙效率很高,平均成墙效率在 500 m2/d左右,最高连续成墙效率可达 1500～2000 m2/d。

(5)无污染。振动切喷无需护壁,成墙浆液也始终不出槽口,这种优越性只有振动切槽、振动切喷与振动沉模的成墙方法所具有,其它的施工方法无法比拟。

(6)造墙成本低,设备少,投入低。比高压旋喷造墙成本低约 30%,比薄壁抓斗造墙成本低约20%。

9 结语

该工艺构思新颖、工序简单,开创了建造地下薄防渗墙的新途径。其有很强的适用性,应大力推广应用。

[1] 曾鹏九.防渗墙的施工技术最新模式[J].水力发电,2008,(1):60-63.

[2] 孙灵慧,李云崖,王开兰.切槽成墙技术在堤防工程中的应用[J].西部探矿工程,2001,(2):8-9.

Application of Vibration Cutter with Jetting in Navigation-power Junction of Chongqing

ZHAN Bo1,DUAN Yu-feng1,ZENG Peng-jiu2(1.North China Engineering Investigation Institute Limited Company,Shijiazhuang Hebei 050021,China;2.Yellow River Consulting Co.,Ltd.,Geological Survey Institute,Luoyang Henan 471002,China)

Directional jetting nozzles are under the vibrating cutters,directional jetting is carried before vibrating cutting for trenching.Vibrating cutting and directional jetting are combined into one technology;a new construction technology for thin cutoffwallwas for med.The paper introduced the application of vibrating cutting technology in navigation-power junction of Chongqing,which improved the construction efficiency and quality.

vibration cutterwith jetting;vibrating trenching;directional jetting;grouting;cutoffwall

TV543+182

A

1672-7428(2010)01-0049-04

2009-06- 23;

2009-11-26

战博(1981-),男(汉族),吉林珲春人,华北有色工程勘察院有限公司天津市场开发部主任、助理工程师,勘察技术与工程专业,从事岩土工程工作,河北省石家庄市汇通路 39号,zhanbo121@126.com。