长河坝水电站围堰防渗墙复杂地层快速施工技术

石 峰，赵先锋，罗庆松

(中国水电基础局有限公司，天津 武清，301700)



设计与施工

长河坝水电站围堰防渗墙复杂地层快速施工技术

石 峰，赵先锋，罗庆松

(中国水电基础局有限公司，天津 武清，301700)

长河坝水电站上下游围堰防渗墙最大孔深83.23m，为漂卵石强透水地层，孤石含量高、粒径大、硬度高。原设计为二个枯水期施工的项目，考虑到工程投资与电站总工期要求，变更为一个枯水期完成，造成本工程的施工强度高、工期紧、难度大。施工中采取一系列快速造孔成槽技术，实现了在一个枯水期内完成的目标，为整个电站的整体工期贡献6个月，保证了施工进度。

快速成槽 施工技术 复杂地层 围堰防渗墙 长河坝水电站

1 工程概述

长河坝水电站是大渡河梯级开发中的第10级电站，位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，为一等大(1)型工程,由砾石土心墙坝、泄洪系统、引水发电系统组成，总装机容量4×65万kW。

围堰防渗墙轴线长296m，划分为53个单元槽段，最大深度83.23m，成墙面积16856.37m2。

上游围堰基础防渗墙坐落在河床深厚覆盖层上，自下而上(由老至新)分为3层：第①层为漂(块)卵(碎)砾石层，分布河床底部，厚度和顶面埋深变化较大，厚度18m～25m。漂(块)石粒径25cm～42cm，含量约30%～35%；卵石粒径6cm～12cm，少量16cm～18cm，含量约20%～25%；砾石粒径2cm～5cm，少量0.5cm～2cm，含量约20%～25%；中细砂含量约10%～15%。钻孔揭示，该层中含有块径1m～8m不等的孤块石且局部集中；第②层为含泥漂(块)卵(碎)砂砾石层，厚度35m～42m，漂(块)石粒径20cm～32cm，含量约20%～25%。在该层的其它钻孔中，局部揭示有块径1m～5m不等的孤块石，卵石粒径6cm～15cm，含量约30%～35%；砾石粒径2cm～5cm，少量0.5cm～2cm，含量约20%～25%；中细砂含量约10%～15%。在该层中上部有厚约1.7m的②-C砂层，钻孔揭示该层中随机分布有块径1m～5m不等的孤块石；第③层为漂(块)卵砾石层厚度7m～20m，漂(块)石粒径20cm～25cm，含量约5%～10%；卵石粒径6cm～12cm，少量15cm，含量约40%～45%；砾石粒径2cm～5cm，少量0.5cm～2cm，含量约20%～25%；中细砂含量约10%～15%。现场渗透试验和钻孔抽水试验均表明基础透水性较强。

下游围堰河面宽约100m，河流偏左岸，堰顶高程1485.0m处河谷宽210m。据钻孔资料，河床覆盖层厚66.86m，层次结构及各层的物理力学特性与上围堰及坝基相似，漂(块)卵砾石层具强透水性，砂层具中等透水性。实际施工过程中，在上下游围堰防渗墙轴线部位发现部分槽段孤石直径超过10m。

根据本工程地质条件及工期等要求，拟定本工程混凝土防渗墙总体施工方案为：(1)成槽以“钻劈法”为主，“钻抓法”为辅。局部特殊地层辅以“平打法”；(2)采用优质膨润土泥浆护壁，确保在漏浆塌孔地层的成槽稳定；(3)采用YBJ1000型液压拔管机进行“接头管法”墙段连接，节约混凝土及接头钻凿工时，并可以最大限度地保证接缝质量；(4)防渗墙底以下的帷幕灌浆，采用在墙体内预埋灌浆管，既能提高灌浆质量，又节省了后续灌浆时间；(5)大孤石集中的部位，采用超前预爆及定向爆破，以提高钻进工效。

2 防渗墙施工存在的难点

该工程项目原设计为悬挂式防渗墙，后经过设计变更为嵌入基岩式全封闭防渗墙，孔深增加近一倍，设计工期为在两个枯期内完成,但是业主方考虑到整个电站总体工期规划与围堰过流保护费用等问题,要求围堰防渗墙在一个枯期内完成。根据长河坝前期勘探资料显示，坝区孤漂石含量高，架空层严重，而且勘探孔遇到过直径12m的大孤石。防渗墙在漂孤石含量极高、孤石直径特大、硬度达到180MPa的地层中，施工难度非常大。

防渗墙按期快速完成，是本项目在一个枯水期内完成围堰封闭目标的关键。由于特殊复杂的地质条件，防渗墙施工存在以下难点：

(1)地层均一性差，架空层严重，漏浆、塌孔频繁；

(2)地层中孤漂石含量高(30%～40%)、直径大(最大直径约12m)、硬度高(强度达180MPa)，并且存在特大孤石群，造孔困难，工效低；

(3)基岩面陡，先导孔取芯困难，基岩鉴定时间长；

(4)防渗墙轴线上探头石多，孔斜控制难度大；

(5)孔深较深。要在此种复杂地层中施工到83.23m，属全国首例；

(6)工期紧。要求在一个枯期完成，工期压缩了近1倍以上。

3 快速成槽的主要施工技术

3.1 选择与地层相适应的造孔工艺及设备

本工程防渗墙造孔成槽采用“钻劈法”施工，即采用特A、CZ-6D等冲击钻机造孔，抽桶出渣。处于围堰工程关键工期的上游围堰防渗墙，采用HS875抓斗挂特制重锤冲砸副孔与小墙的施工方法，上游围堰防渗墙占关键工期线路的槽段布置3台钻机抢工。

槽段开孔时采用平底钻头对地层进行挤密，整个槽段不抽渣直接平打至8m。遇到砂层或者施工回填层换用空心钻头，遇到孤石层或者找小墙时换用平底钻或者十字钻头。

为确保施工工期，对每一个孔深超过30m的I期槽段布置两台冲击钻机，上下游共布置44台套冲击钻机(上游围堰20台、下游围堰24台)，并且上游围堰布置一台HS843钢丝绳抓斗辅助钻机进行抢工。

3.2 采用膨润土泥浆护壁

固壁泥浆是防渗墙施工的重要组成部分，泥浆在造孔成槽过程中起固壁、封堵、悬浮、携渣、冷却钻具和润滑的作用，成墙后还可增加墙体的抗渗性能。针对本工程覆盖层松散、架空层严重、孤漂石含量极高的特点，常规膨润土泥浆不能很好满足固壁和悬浮钻渣的要求，为此本工程确定采用MMH正电胶膨润土泥浆。MMH正电胶泥浆的各项性能指标均优于常规分散型膨润土泥浆，不仅造壁性能和封堵性能较好，而且生产成本较低。正电胶浆液性能指标见表1。

表1 新制正电胶泥将性能指标

3.3 采用墙段接头管连接技术

本工程墙段连接采用接头管法施工。Ⅰ期槽孔浇筑前在槽孔两端下设接头管，在墙体混凝土浇筑过程中，根据试验确定的脱管龄期跟随混凝土面上升逐节拔出接头管。接头管直径1000mm，单节长5m，单销连接；底节管装有能自动启闭的活门，以防止混凝土进入接头管内；为减少下管时吊车的荷载，在部分管节内设置了浮箱。拔管设备采用YBJ-1000型卡键式大口径液压拔管机，最大起拔力3000kN。液压站上装有小油泵，可长时间保持接头管微动。

接头管技术的采用，与传统的钻凿法相比，不仅节省了约1/6的混凝土(2600m3)，也减少了1/6约2600m的钻孔工程量，提高了有效成槽速度。

3.4 墙内预埋灌浆管

为保证墙体完好，使帷幕灌浆对墙体的损害减小至最低限度，上游两岸坡段墙下帷幕灌浆采用墙体预埋灌浆管方案。灌浆管采用φ114mm钢管，φ20mm螺纹钢筋制作保持架，钢管与钢筋架焊接为一整体桁架。吊车起吊，孔口焊接，整体下设。

在墙体内预埋灌浆管约8500m，与在墙体内钻孔相比，减少了墙体内钻孔8500m，提前了后续围堰封闭的时间。

3.5 漏浆塌孔的预防及处理

3.5.1 漏浆塌孔的预防措施

鉴于本工程施工过程中漏浆、塌孔现象普遍存在，造孔过程采取了以下措施预防：

(1)缩小每个槽段的长度。通过对地质资料的认真分析，采取了3主2副的成槽方案，缩短成槽时间，确保槽段安全；

(2)槽段开孔时严禁使用空心钻，要用平底钻平打整个槽段至8m，其间不能抽渣，以便将地层挤压密实，防止导向槽底部坍塌；

(3)抓斗挂重锤钻凿副孔与小墙时专门预备足量的粘土与钻渣的混合料，抓斗施工槽段时间要不停加入粘土与钻渣的混合料，并用重锤搅拌堵住已发生渗浆的渗漏通道，避免其在重锤冲砸扰动下继续发展，导致大规模漏浆；

(4)在造孔过程中，根据施工的实际情况适当提高正电胶浆的各材料用量，提高泥浆粘度与其它性能指标，必要时掺入单向压力封堵剂。

3.5.2 漏浆的处理措施

孔底漏浆、基岩与覆盖层接触面漏浆处理相对容易。施工中经过反复的实践，一旦发现浆面下降立即停钻，将钻头迅速拉起，向孔内加入比例为1∶1的砂石料与粘土的混合料，效果较好，并且节约了施工成本，避免了因完全回填粘土导致的材料浪费。

孔壁漏浆和处理孤石漏浆、爆破孤石漏浆的处理较为复杂。由于漏浆位置大多处在槽孔中部，靠填入大密度混合堵漏材料直至堵塞渗漏通道的方法，无论是在材料用量还是堵漏时间上均不允许，故在堵漏时采取了小密度混合料堵漏的办法。施工中经过反复实践，采取废弃的钻渣，混合锯末、膨润土粉和粘土，掺合均匀后投入槽内。掺合时膨润土粉和粘土的掺量要比较大，粘土以不含结块的颗粒状粘土为宜。投入槽孔前要掺合均匀，一次性大量投入槽内一般可堵住渗漏通道。

针对施工中较严重的个别漏浆塌孔的特殊槽段，联合采取多种堵漏措施。首先，正电胶浆液采取较高粘度的配比，并且掺加2%的单向压力封堵剂，存在大的渗漏通道时加入较大粒径的片石与粘土的混合料，效果不明显的情况下回填低标号混凝土进行堵漏。例如，上游的SY-21#槽段，经过多次回填片石与粘土的混合料，并且整个槽段在12m孔深时浇筑混凝土78m2，最终成功堵漏。

3.6 钻孔预爆及定向爆破处理技术

根据前期设计提供的地勘资料，就已经发现直径达12m的大孤石，且根据试验表明抗压强度高达180MPa。项目组织前期预料到了该工程的施工难度，针对特大孤石群制定了一系列的施工预案。

本工程共划分为53个槽段，施工中上下游围堰段共16个槽段遇到了直径大于7m的大孤石，其中最大的孤石直径达到13m。孤石部位冲击钻机造孔工效极低，平均0.5m/台日。

针对该种地层较好的处理方案为，在防渗墙轴线上钻孔预爆和预灌浓浆进行处理。但本工程原定二个枯期完成的上下游围堰防渗墙更改为在一个枯期内完成，并且实现围堰挡水目标，造成工期压力极为紧张，没有时间做预爆和预灌浓浆处理。因此，在钻进过程中遇到大孤石时，采取如下四种处理措施。

3.6.1 定向聚能爆破处理大孤石

聚能爆破。在漂卵石、孤石表面下置聚能爆破筒进行爆破，爆破筒聚能穴锥角为55°～60°，根据孔深与槽段实际情况控制装药量，装药量一般小于8kg。在二期槽孔内则采用减震爆破筒，即在爆破筒外面加设一个屏蔽筒，以减轻冲击波对已浇筑墙体的作用。槽内聚能爆破方法简便易行，与防渗墙施工干扰很小，可用于修正孔斜处理故障等，应用很多。

爆破前要对槽段内掺加浆液，直至低于导向槽20cm位置，准备好粘土、锯末、膨润土等堵漏材料后才引爆炸药。本工程所用雷管为真空雷管，炸药为乳化炸药。在处理孤石及漂卵石的同时，加强固壁泥浆的检测与控制，爆破时尽量提高泥浆比重、黏度，保证泥浆的固壁效果，避免塌孔事件的发生。

3.6.2 钻孔爆破处理大孤石

在防渗墙造孔中遇漂卵石、孤石时，采用XY-Ⅱ地质钻机或SM-400全液压钻机在遇孤石槽孔部位下设套管钻进，钻到规定深度后，提出钻具，在漂卵石、孤石部位下置爆破筒，提起套管，引爆。爆破后漂卵石、孤石被破碎，加快了钻进速度。爆破筒内装药量按岩石段长2kg/m～3kg/m控制。

本工程中SM-400钻爆工效较高，遇到孤石下设127mm地质套管，用90mm冲击破碎钻头钻进，通过大容量、高风压空压机把钻渣吹出孔口，钻孔成功后下设爆破筒引爆。爆破筒采用70mm的薄壁铁管，下面焊锥形加重块以利于顺利下设至孔内。SM-400钻爆工效要比地质钻机钻爆工效高2～3倍。

施工前期深槽段爆破成功率较低，经过借鉴其它工程经验并反复实践，总结出由于受外部水压影响，经常发生雷管爆炸不能引爆炸药的现象，尤其在水深大于70m的孔深下，很难爆破成功。水下爆破措施是孤石处理、卡钻处理措施中最有效的方法之一。防渗墙施工过程中，泥浆密度在1.15～1.3之间，不同深度的水压力会随着深度变化而增大，传统的爆破筒在下放到70m处时，即可发生雷管引爆不了炸药的现象，该深度的泥浆压力可达0.84MPa(按密度1.2计算)，若该压力直接作用在炸药和雷管上，导致雷管爆炸产生的冲击力不足以引爆炸药。为此，对传统的爆破筒进行了改进，制作了密封型爆破筒，抵消了水压对雷管炸药的压力，确保了深孔水下爆破的成功。

密封型爆破筒可以在工地自行加工制作，密封部位接口位置可以采取法兰盘加胶垫密封的形式，也可以采用丝扣连接的方式(如图1所示)。

图1 钻孔爆破结构

通过采取了以上几种爆破措施，冲击钻机在孤石层工效提高了2～4倍。

3.6.3 重型抓斗挂特制重锤冲砸大孤石

上游围堰防渗墙为确保工期进度，投入一台HS875抓斗，配备了3个重锤，最大重锤重量达到15t，施工期间主要用于冲砸副孔与小墙。为确保关键槽段的施工进度，当钻机施工副孔遇到大孤石时，采用抓斗挂特制重锤冲砸副孔部位孤石，以此加快施工进度。

为确保抓斗挂重锤能够在副孔冲击钻机施工工效较低的地层中使用，槽段主孔的孔斜率必须严格控制。本工程抓斗施工槽段主孔的孔斜率按照小于0.3%控制。

3.6.4 平底钻与十字钻加焊耐磨块处理孤石

一般冲击钻头强度低、磨损快、纯钻工效低，补焊频繁，辅助时间长，有时钻头供应不上还造成停工。本工程在冲击钻头上加焊耐磨耐冲击高强合金刃块，可克服上述缺陷，大约要提高工效15%左右。

3.7 陡坡段入岩处理技术

本工程为嵌岩式防渗墙，准确判定基岩面非常重要。由于前期勘探过程中出现过12m直径的大孤石，所以先导孔取完整基岩的深度定为15m。基岩鉴定程序为，首先使用冲击钻机造孔至疑似基岩面，然后对每个Ⅰ期槽段进行岩芯钻取芯鉴定。岩芯钻取芯过程中将至少影响到该槽段1台冲击钻机的施工，因此先导孔取芯鉴定的时间直接关系到槽段施工的工期。

提高先导孔施工工效，重点采取了以下措施：

(1)选择岩芯钻取芯的专业队伍；

(2)确定施工先导孔的槽孔，冲击钻机组必须将孔底清理干净，对于孔底可能有钻头铁屑的位置，要用电磁铁进行二次清理，尽量为岩芯钻机组取芯扫清障碍；

(3)为防止套管移位造成二次钻孔现象，套管下设到位后要加黄土埋管，将其固定；

(4)取芯优先选用双套钻具，开孔孔径不小于90mm，以便在下部出现破碎岩层时变径后能够继续施工。

3.8 钻孔孔斜控制技术

本工程由于孤石含量高，因此轴线部位探头石较多，应采取以下措施：

(1)对于小于1m直径的探头石，采取孔内回填坚硬的大块石，冲击钻造孔不连续冲击钻进的方法保证孔斜率满足要求；

(2)对于大于1m直径的探头石，并且在槽段内不能进行钻孔的情况下，使用钻机直接在孤石部位的导向槽上钻孔，钻穿孤石后进行爆破；

(3)对于一些不能进行孤石爆破的特殊情况，采取用钢板与型钢加工成的修孔器修孔。

3.9 施工组织及经济措施

本工程防渗墙造孔要达到80多m，在国内同等地层条件下没有可以借鉴的经验，项目施工前进行了详细的施工策划工作，采取下列保证措施：

(1)深槽段选择使用目前较大功率75kW的冲击钻机，配备4.5t以上重量的超重钻头，提高了施工工效；

(2)为保证抢工目标的完成，采取设备资源饱和配置措施。上游关键槽段选择实力强的机组负责造孔，配置了三台钻机施工。其中，两台钻机主要负责打原始地层，一台钻机负责打回填层，紧密配合，避免钻机窝停工等。并且专门配置一台HS843钢丝绳抓斗，配合上游围堰冲击钻机施工；

(3)为提高管理效率,促进施工进度，每天在施工现场坚持日例会，及时解决现场施工存在的问题，促进施工速度；

(4)规范的管理制度能够为项目快速施工保驾护航。本项目在安全、进度、质量、合同、后勤辅助及保障等各个方面，均制定了完善的规章管理制度，通过建立平等、公平的约束机制与激励竞争机制，保障了项目沿着预定轨道运行，提高了员工的积极性，促进了施工进度。

4 结语

本工程2010年10月18日开钻，施工历时175天，于2011年4年10日完工，平均成槽强度达96m2/d(高峰期成槽强度达150m2/d)，缩短工期6个月，为电站2011年围堰挡水度汛目标的实现赢得了宝贵的时间，节省了本年度的围堰过流保护费用，取得了效益与工期的双赢。

本工程孤石直径大、含量高、硬度高，而且工期极为紧张，在此种限制条件下要提前完工，必然采取非常规的处理措施。本项目采取的快速施工技术，为今后相似地层的防渗墙施工积累了一定的经验。

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2095-1809(2015)04-0003-05