呼和浩特抽水蓄能电站下水库围堰高压旋喷灌浆施工技术

2011-06-12姚自友逯红波伏沛文

水力发电 2011年7期

关键词：砾石河床围堰

姚自友，逯红波，伏沛文

（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 工程概况

1.1 工程简介

呼和浩特抽水蓄能电站位于内蒙古自治区呼和浩特市东北部的大青山区，距离呼和浩特市中心约20 km。电站总装机容量1 200 MW，装机4台，单机容量300 MW。电站建成后接入蒙西电网，在电网中担任调峰、填谷、调频、调相以及事故备用等任务。

下水库位于哈拉沁沟与大西沟交汇处上游，主要建筑物有拦河坝和拦沙坝，总库容703.75万m3。拦沙坝和拦河坝均采用碾压混凝土重力坝，坝顶高程1 401.00 m，坝顶宽6.0 m。拦沙坝最大坝高51.5 m，坝顶长200.0 m；拦河坝最大坝高64.0 m，坝顶长237.0 m。

根据工程实际情况，下水库围堰防渗体系采用堰基以下高压灌浆、堰基以上粘土防渗墙组成的复合防渗结构体系。

1.2 工程地质条件

1.2.1 上游围堰

上游围堰区为较为开阔的 “U”形河谷，河谷宽约135 m。河床靠近左岸，高程1 375 m左右，宽约35 m；河床的右侧为河漫滩，高程1 380～1 385 m，宽约100 m。

围堰区的基岩主要为片麻状黑云母花岗岩和斜长角闪岩，覆盖层包括河床第四系冲洪积砂卵砾石层和分布在围堰右岸坡角处的第四系崩坡积物。其中河床砂卵砾石层厚度一般为15～20 m，最大厚度23 m，大致分上下两层。上层厚约5～10 m，岩性为卵砾石、漂石，其中漂石的粒径一般为15～20 cm，最大可达1.5 m，含量约25%；卵砾石粒径多为5～15 cm，次棱角状和次圆状含量约61%；砂含量11%；泥含量约3%。下层厚度约6～16 m，岩性主要为砾质砂层，河床部位砂层最厚，向两侧变薄，砂层主要以中粗砂为主，其间含有卵、砾石和少量漂石，漂石、砾石、砂含量分别约为10%、38%和52%，漂石的粒径一般小于20 cm，卵砾石的粒径一般为5～10 cm。围堰区构造以裂隙为主，岩石风化卸荷不严重，强风化带厚约5～8 m，自然边坡岩体基本稳定。

围堰区地下水主要是覆盖层孔隙水及两岸基岩裂隙水。孔隙潜水主要分布于河床冲洪积砂卵砾石层中，两岸基岩裂隙水补给河水，河床地下水位一般在1 375 m左右。河床砂卵砾石层的渗透系数为9～13 m/d，属强透水岩层，按上、下游水位差16 m初步计算，围堰地基覆盖层的渗漏量约为11 000 m3/d。

强风化片麻状花岗岩体属中～强透水层，弱风化岩体为弱～中透水层，下部微新岩体一般为微～极微透水层。

1.2.2 下游围堰

下游围堰区为较开阔的 “U”形河谷，河谷宽度一般为80 m，现河床靠近左岸，宽约40 m，高程1 355 m，河床的右侧分布有哈拉沁沟缓坡状河漫滩，高程1 357～1 363 m，宽约40 m。

围堰区的基岩主要为片麻状黑云母花岗岩和斜长角闪岩，覆盖层包括河床第四系冲洪积砂卵砾石层和分布在围堰两岸坡角处的第四系崩坡积物。其中河床砂卵砾石层厚度一般为15～20 m，大致可分为上下两层，上层岩性主要是卵砾石、漂石，厚约10～15 m，其中漂石的粒径多为15～30 cm，最大可达2 m，含量约33%；卵砾石粒径以5～15 cm为主，含量约50%；砂含量15%；泥含量3%左右。下层厚度约6～8 m，岩性为砾质砂层，以中粗砂为主，含卵、砾石和少量漂石，其中漂石体积含量约占10%，砾石含量约占42%，砂含量48%。围堰区构造以NE、NW两组裂隙为主，岩石风化卸荷不严重，强风化带厚度约为5～8 m，两岸自然边坡基本稳定。

围堰区地下水主要是覆盖层孔隙水及两岸基岩裂隙水。孔隙水主要分布于河床冲洪积砂卵砾石层中，两岸基岩裂隙水补给河水，地下水位一般在1 355 m左右。河床砂卵砾石层的渗透系数为13～19 m/d。按上、下游水位差6 m初步计算，围堰地基覆盖层渗漏量约为20 000 m3/d。

基岩片麻状花岗岩体属弱透水层，弱风化岩体为中等透水层，下部微新岩体为微～极微透水层。

2 围堰设计及施工方案

2.1 设计方案

根据枢纽布置特点、坝址地形地质条件和水文特征等，按照现场实际的边界条件，采用的围堰渗透结构体系为：上游围堰堰基高压旋喷灌浆（以下简称 “高喷灌浆”）、上部粘土心墙，下游围堰采用高喷灌浆。

2.2 高压旋喷防渗墙施工

2.2.1 施工方案

施工方案为：①上游围堰堰基高喷灌浆施工。清理现有地面并找平，碾压后进行堰基以下高喷灌浆，地面高程为1 385～1 387 m，灌浆孔底高程约为1 352 m，最大孔深33～35 m。②下游围堰高喷灌浆施工。在堰顶直接进行高喷施工，最大孔深27.7 m。③灌浆采用三管法旋喷形式。

2.2.2 灌浆孔布置及工艺参数

高喷灌浆孔布设在堰体中心线上，上下游围堰均布置单排孔，孔距0.8～1.0 m，分两序施工。采用潜孔钻钻孔，套管跟进，终孔后下入硬质PVC花管。

灌浆水压30～50 MPa，浆压1.5～2.0 MPa，气压0.7～0.8 MPa，采用32.5普通水泥，浆液密度1.6～1.7 g/cm3，提升速度为6～12 cm/min。

2.2.3 灌浆材料

高压喷射浆液采用普通硅酸盐水泥拌制，强度不低于32.5 MPa。为减缓水泥浆液沉淀速度，在水泥中掺加3%水泥质量的膨润土和3%膨润土质量的碳酸钠。遇漏浆和吃浆量大的孔位时灌注水玻璃。

采用三重管法喷射注浆的水灰比为0.8∶1。浆液存放时间为：当环境气温在10℃以下时不超过5 h；在10℃以上时不超过3 h；当浆液的存放时间超过有效时间时，按降低强度等级使用或按废浆处理。

2.2.4 终孔深度的确定

终孔深度的确定原则是按设计要求钻入强风化基岩下限1.0 m。根据设计地层勘探报告结合地质钻机取芯判定。

高喷灌浆孔轴线每20 m左右划分为一个单元工程，每个单元工程在一序孔中选定1个先导孔。在每个单元工程内必须先完成先导孔的施工。

根据先导孔返出的粉颗粒和进尺速度变化，初步判断进入基岩1.0 m左右时，应采用地质岩芯钻在先导孔内取0.3～0.5 m长岩芯，由地质监理确认达到终孔要求后，该先导孔的深度就代表该单元工程的设计深度，其他孔按此深度控制。

2.2.5 现场高压喷射注浆试验

选择地质条件具有代表性的区段，并按室内试验选定的浆液配合比进行高压定喷和高压旋喷灌浆工艺试验，以选定布孔方式、孔距、孔深以及喷射流量、压力、旋速和提升速度等工艺参数。试验结束后，钻取芯样进行固结体的均匀性、整体性、强度和渗透性等试验。

2.2.6 施工特殊情况及处理

（1）喷射灌浆应由下而上连续进行。接、卸换管时动作要迅速，防止坍孔和堵塞喷嘴；接、卸换管及事故处理后，下管位置应比原停喷高度下落20～50 cm，进行复喷搭接，以保证墙（桩）的上下连贯。

（2）在插入旋喷管前先检查高压水与空气喷射情况，各部位密封圈是否封闭，插入后先做高压水射水试验，合格后方可喷射浆液。如因塌孔插入困难时，可用低压（0.1～2 MPa）水冲孔，但必须把高压水喷嘴用塑料布包裹，以免被泥土堵塞。

（3）喷射过程中发生故障时，应停止提升和旋喷，以防桩体中断，同时立即进行检查，排除故障；如发现有浆液喷射不足影响桩体的设计直径时，应进行复喷。

（4）大量漏浆和冒浆处理。在旋喷过程中，往往有一定数量的土粒随着浆液沿喷射管管壁冒出地面。通过对冒浆的观察，可以及时了解土层状况、旋喷的大致效果和旋喷参数的合理性等。根据经验，冒浆（内有土粒、水及浆液）量小于注浆量20%为正常现象，超过20%或完全不冒浆时，应查明原因并采取相应措施：①地层中有较大空隙引起不冒浆或严重漏浆的，可在浆液中掺加适量的速凝剂，缩短固结时间，使浆液在一定土层范围内凝固；另外，还可在空隙地段增大注浆量，填满空隙后再继续正常旋喷。②冒浆量过大的主要原因一般是有效喷射范围与注浆量不相适应，注浆量超过旋喷体凝结所需的浆量所致。减少冒浆量的措施有提高喷射压力、适当缩小喷嘴孔径或减小注浆量、加快提升和旋转速度三种。对于冒出地面的浆液，如能迅速进行过滤、沉淀、除去杂质和调整浓度，达到要求后可回收利用。但回收处理后的浆液中难免会有砂粒，故只有三重管旋喷注浆法可以利用冒浆再注浆。

（5）在含粘粒较少的地层中进行高喷灌浆时，孔口回浆经处理后方可重复使用；在粘性土或软塑-流塑状淤泥质土层中，孔口回浆不宜重复使用。