抽水蓄能电站上水库趾板灌浆工程施工技术

殷国权

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司,四川 成都 611130)

1 工程概况

1.1 项目概况

洛宁抽水上水库大坝坝顶高程1 233.000m,坝顶上游防浪墙顶高程1 234.000m,最大坝高86m(沿趾板位置),坝顶长度718m,坝顶宽度10m。上水库大坝趾板为渐变型布置,从下部基坑到坝顶灌浆平洞依次变窄,包括3个水平段和5个斜段,最大斜度25.252°。具体结构形式分析如下。

1)灌浆平洞及水平段 左岸灌浆平洞及水平段长38.7m,设计帷幕灌浆1排;左岸灌浆平洞及水平段长59.50m,设计帷幕灌浆1排,灌浆平洞净高3m,净宽2.5m。施工阶段左岸灌浆平洞设置帷幕灌浆试验区。

2)高程1 198.000m以上斜段,左岸(X1—X2)趾板有4.0m(宽)×0.6m(厚)和6.0m(宽)×0.6m(厚)两种类型,斜坡坡度25.252°,设计固结灌浆1～2排,帷幕灌浆1排;右岸(X8—X9)趾板有4.0m(宽)×0.6m(厚)和6.0m(宽)×0.6m(厚)两种类型,斜坡坡度23.604°,设计固结灌浆1～2排,帷幕灌浆1排。

3)高程1 198.000～1 147.000m斜段,左岸(X3—X4)趾板有6.0m(宽)×0.6m(厚)和8.0m(宽)×0.8m(厚)两种类型,斜坡坡度19.643°,设计固结灌浆2～4排,帷幕灌浆1排;右岸(X6—X7)趾板有6.0m(宽)×0.6m厚和8.0m(宽)×0.8m厚两种类型,斜坡坡度23.885°,设计固结灌浆2～4排,帷幕灌浆1排;右岸(X5—X6)趾板为8.0m(宽)×0.8m厚,斜坡坡度11.746°,设计固结灌浆4排,帷幕灌浆1～2排;施工阶段斜段补充设置了固结灌浆试验区。

4)水平段 高程1 147.000m坝基水平段,趾板为8.0m(宽)×0.8m(厚),设计固结灌浆4排,帷幕灌浆1～2排;施工阶段平段设置了固结灌浆试验区;高程1 198.000m水平段,趾板为6.0m(宽)×0.6m(厚),设计固结灌浆3排,帷幕灌浆1排。

上水库基岩均为燕山晚期斑状花岗岩,岩石致密坚硬,谷底河床、两岸坡脚及缓坡地段分布第四系地层。库区两岸基岩大多裸露,地表呈全风化～中等风化;坝址左岸分水岭一带岩体风化较深,全至强风化岩体最大下限埋深23.2m。水库区断层及节理裂隙较发育,结构面以陡倾角为主,走向以NE,NNE为主。水库区发育的主要断层多条,均切穿分水岭通向库外。

1.2 施工难点分析

洛宁抽水上水库大坝在施工中遇到多项施工难题,具体情况如下。

1)河床段坝基埋深较大斑状花岗岩全至强风化岩体,经过挖除换填混凝土、固结灌浆、加密固结灌浆,无法达到岩体完整性的要求。

2)趾板最大斜坡坡度25.252°,浅孔固结灌浆和深孔帷幕灌浆施工采用的常规施工设备,均需采用钻灌平台辅助,钻孔施工效率较低,安全隐患大。

3)为保护环境,项目首先提出灌浆污水内循环,达到“零排放”的标准,在传统的灌浆行业里面,实现难度大,对临时设施的布置提出了较高要求。

针对以上施工难题,进行了问题梳理、分析和技术攻关,通过多种灌浆方法结合、履带式钻孔设备改装、临建系统改进等技术手段逐项推动施工问题解决。

2 河床坝基斑状花岗岩低波速带揭示与处理

2.1 斑状花岗岩低波速带开挖阶段揭示与处理

根据目前上水库河床趾板基础实际开挖揭露地质情况,在河床坝段X4—X5基础范围内发育有F35断层及节理裂隙密集带,受其影响,在坝左0+025.000—坝右0+005.000,宽约30m的范围内,发育近似菱形状的囊状风化岩体,其产状大致为35°～50°/SE∠75°～85°,带内岩石大多呈强风化,局部为全风化,其间夹有少量中等风化岩体,勘探查明垂直深度10m左右(和后期固结灌浆阶段揭示深度基本一致)。

趾板部位全～强风化层厚度大,无法完全开挖清除,故采用刻槽并回填混凝土塞对该区域趾板及其下游全～强风化带进行封闭,混凝土塞厚度3m。在回填混凝土塞范围内进行固结灌浆,灌浆孔深9m(基岩内),混凝土盖厚3m,孔径76mm,梅花形布置,间距2m×2m,共布置灌浆孔162个。固结灌浆孔深9.0m,分两段,I序孔采用自上而下分段灌浆;II序孔采用全孔一次钻孔,自下而上分段灌浆。灌浆压力及分段如表1所示。

表1 固结灌浆分段与灌浆压力Table 1 Consolidation grouting segmentation and grouting pressure gauge

灌浆处理效果分析：灌浆后布置质量检查孔9个,灌后平均透水率0.32Lu,压水质量全部合格。施工阶段受到大坝填筑工序限制,未进行声波和孔内电视检查。在开挖阶段虽然揭示了F35断层及节理裂隙密集带,但是对斑状花岗岩全～强风化岩体低波速带存在的完整性和防渗问题还有所欠缺。

2.2 斑状花岗岩低波速带固结灌浆处理过程及效果分析

河床坝基段坝左0+35.58—坝右0+03.00区域,长度38.58m,是F35断层及节理裂隙密集带的一部分,作为趾板区域,开挖阶段也进行了回填混凝土塞处理,但未进行固结灌浆处理,待趾板浇筑完成后再实施。固结灌浆不良地质段试验区选择在该位置,布孔形式为梅花形布置,孔间距3m、排距1.5m。根据开挖阶段揭示地质情况,设计将置换区趾板基础固结灌浆深度加深至15m。灌浆压力及分段如表2所示。

表2 固结灌浆分段与灌浆压力Table 2 Consolidation grouting segmentation and grouting pressure gauge

上水库趾板河床段坝左0+35.58—坝右0+03.00区域原设计固结灌浆灌后按照技术要求共布置压水试验检查孔3个(9段)及物探检测3个,其中压水试验J13段均不合格、J2-002不合格,物探检测(9.4～12.6m低波速段无明显提升)不合格。经总结,设计将主、副帷幕孔先进行固结灌浆,并提高各段灌浆压力(考虑混凝土较厚)。灌后按照技术要求共布置压水试验检查孔2个(6段)及物探检测2个,其中压水试验孔全部合格,物探检测(6.2～10.2m低波速段无明显提升)不合格。低波速带声波曲线及孔内城呈相效果如图1所示。

根据灌后质量检查资料(压水试验及物探检测)分析两次灌浆不合格段均分布在坝左0+001.06—坝左0+015.06区域,该区域钻孔时返砂、返黄泥现象突出。采用常规水泥灌注,在低压力或高压力下灌浆效果均不理想。考虑F35断层位于上水库基坑位置,蓄水后水头压力最大,灌浆质量对后期蓄水效果影响较大。

试验段以常规灌浆方式难以满足规范要求,经项目管理团队研究,采用水泥-化学复合灌浆方式,最后结果达到目标。对上水库F35断层具体处理方法如下。

1)对不合格区域进行补强化学灌浆,补强灌浆范围为不合格区域左右侧各延伸5.0m(坝右0+003.94—坝左0+020.06),灌浆材料采用改性环氧树脂化学材料。

2)对于已调整为固结灌浆孔的主、副帷幕灌浆孔,为保证灌浆质量,后期帷幕灌浆将在两孔之间重新开孔进行帷幕灌浆。

2.3 斑状花岗岩低波速带化学灌浆处理过程及效果分析

对上水库趾板基坑部位受F35断层影响灌注水泥浆不合格的区域进行化学灌浆处理,处理范围为坝右0+003.94—坝左0+020.06。灌浆孔采用梅花形布置,孔距2.0m,排距1.5m,孔深15.0m,与原灌浆孔错开布置。灌浆压力及分段如表3所示。

表3 固结灌浆分段与灌浆压力Table 3 Consolidation grouting segmentation and grouting pressure gauge

化学灌浆采用改性环氧树脂类化学材料,本工程采用YK-3H化学浆材,浆材的物理力学性能要求如下：外观均匀无分层,密度1.13g/cm3,起始黏度9.0MPa·s,可操作时间330min,抗压强度85MPa,抗拉强度20MPa,抗剪强度13MPa。

灌浆处理效果分析：灌浆后布置质量检查孔3个,灌后平均透水率0.28Lu,压水质量全部合格。

布置声波检测孔4个,平均波速提升12.08%,针对斑状花岗岩低波速带,波速提升率在34%～100%,提升效果极为明显。综合灌浆评价：斑状花岗岩低波速带经过水泥-化学复合灌浆,处理效果明显,达到坝基岩石整体完整性和预期防渗漏的效果。

3 趾板斜段钻孔灌浆机械化设计与应用

3.1 履带式钻机斜坡段固结灌浆钻孔设计与应用

洛宁抽水上水库大坝左右岸趾板面为斜面,拟采用JK-590履带潜孔钻进行趾板缓坡及平段固结灌浆孔钻孔作业。JK590履带式液压钻机钻孔深度50m,钻臂最大水平摆角左右各45°,最大爬坡能力30°。趾板最大斜度25.252°,在履带钻机可以爬坡能力范围内,但是在斜坡面进行钻孔作业时,履带会脱离地面,存在较大的安全隐患。为了采用效率较高的履带钻机上坡作业,项目管理团队设计了一套趾板斜坡段履带钻机作业安全运行装置,具体如图2所示。

图2 趾板斜坡段履带钻机作业安全运行装置Fig.2 Safety operation device of crawler drilling rig in toe slope section

首先采用10t卷扬机(双钢绳)辅助钻机进行移动,钻机就位后,采用2个9t手动葫芦在钻机后两侧焊接挂钩对称连接进行固定,为增强钻机稳定性在钻机前方焊接挂钩采用φ18钢丝绳连接进行固定。为避免履带破坏结构混凝土面,实施前在履带上安装定制橡胶护垫,前进时均匀慢速行进,避免急停、急转,橡胶护垫不定时检查,有损害及时进行更换。

趾板斜坡段钻机运行及固定施工技术解决了洛宁抽水上水库大坝左右岸趾板固结灌浆钻孔问题,采用JK-590履带式潜孔钻,在安全保护技术的辅助下,移动简单,高风压钻孔效率高,单台履带式钻机钻孔工效100～120m/班,确保8 000多m固结灌浆工程安全、高效、保质完成。

3.2 槽钢轨道式帷幕灌浆钻孔平台设计与应用

洛宁抽水上水库大坝左右岸趾板面为斜面,且坡度均不同,为确保帷幕灌浆工程安全、快速、保质完成,设计采用槽钢制作钻灌台车作为帷幕灌浆钻孔灌浆主要工作平台。台车采用［14制作,地锚采用3φ25 锚筋束,台车移位采用10t电动葫芦(10t卷扬机)牵引,φ22钢丝绳牵引,台车操作平台尺寸3.0m(长)×2.6m(宽)和3.0m(长)×2.2m(宽)两种,共4个坡面不同台车。

台车底部置于轨道上,台车运行到位后,采用“双保险”(锁定卡、φ22保险副绳)对台车进行锁定,φ22保险副绳固定于专用地锚上(3φ25锚筋束,锚入混凝土(基岩)内1.0m、外露0.20m),台车锁定时必须将副绳绷直,确保副绳处于受力状态。台车操作平台及锚固提升系统如图3所示。

图3 钻孔台车操作平台及锚固提升系统Fig.3 Drilling rig operation platform and anchor lifting system

提升系统检算：钻孔台车采用10t电动葫芦牵引移动,台车运行期间承受的荷载主要为台车自重、台车上放置的钻机、钻杆以及脚手板和防护设施等。经过钢丝绳强度校核、拉环强度校核、10t电动葫芦额定提升力、锚筋锚固力及剪切强度检算可知,在最大施工荷载下,提升系统各项检算均能满足规范要求。

台车体系检算：采用MIDAS/CIVIL建立了台车体系整体模型,各杆件均采用空间梁单元模拟,由于台车上面板为条木搭建,故计算时面板采用多条空间梁单元来模拟,面板与支撑体系间采用只受压弹簧模拟,各杆件节点处均采用刚结点连接,台车有限元模型如图4所示。经过5cm厚木板强度、台车杆件强度、刚度及稳定性、［14杆件强度及刚度,台车受压杆件稳定性模拟检算,钻机台车在绳卡固定安装好之后的施工阶段,台车结构各杆件强度、刚度、稳定性均能满足规范要求。

图4 台车有限元计算模型Fig.4 Finite element calculation model of the vehicle

洛宁抽水上水库大坝趾板斜坡段设计了4种不同规格的钻孔灌浆作业平台,创新采用槽钢作为运行轨道,替代了水电站爬坡廊道使用的传统钢轨,槽钢与趾板面贴合紧密,通过骑马卡固定,台车更加稳固,经过失稳模拟分析,安全系数更高。同时在洛宁抽水上水库大坝趾板斜坡段帷幕灌浆施工中运行状况良好。

4 灌浆工程“零排放”水循环系统设计与应用

洛宁抽水蓄能电站上水库位于河南省洛阳市洛宁县城东南的涧口乡黄窑村上游的山沟内,山沟内常年流水,为下游村庄重要生活用水水源地。在招投标阶段提出了灌浆工程污水“零排放”的环境保护目标,灌浆工程作为以水和水泥为主要介质的地基处理工程,来自钻孔及冲洗、输浆管路冲洗、灌浆管路冲洗、制浆设备冲洗、灌浆设备冲洗、工作面冲洗等的废水量较多,实现“零排放”难度较大。为了解决该施工难题,项目管理团队经过多种技术手段现场尝试,最终总结并设计了灌浆工程“零排放”水循环系统,具体设计如图5所示。

图5 灌浆工程“零排放”水循环系统原理Fig.5 The “zero discharge”water circulation system for grouting engineering

4.1 灌浆工程施工用水规划

灌浆工程施工用水来自两个方面,一方面是已经建设完成的系统水,通过建设多级泵站直接从洛河内抽水至上水库,管路长度约12km,高差600多m,设计6级泵站,单水价成功在6元/m3;另一方面是利用围堰内的存水(包含雨水、基坑降水等),距离1km以内,高差100m以内,设计1级泵站,成本水价在1元/m3以内,但是水量有限(初步估算总水量在5 000m3左右)。施工中优先使用围堰内存水,不足部分系统水补充。

1)施工用水计算 按照日完成钻孔灌浆200m/d计算(包含固结灌浆、帷幕灌浆),单日钻孔冲洗、压水用水预计56m3,灌浆用水预计30m3(按照平均单耗100kg/m,水灰比1.5∶1计算),其他管路冲洗、文明施工等预计用水40m3,单日用水量合计为126m3。

2)施工用水布置 系统水主水管采用φ110mm钢管,沿趾板通长布置,每间隔50m设置供水支管及节阀。高位水池设置在坝顶高程,采用防水板扣件式结构。抽水来自围堰内澄清后的废水。

4.2 灌浆工程施工废水排放

灌浆工程施工废水来自钻孔及冲洗、设备及输浆管路冲洗等多个方面,施工废水：按照日完成钻孔灌浆200m/d计算(包含固结灌浆、帷幕灌浆),单日钻孔冲洗、压水废水预计28m3(按照施工用水50%计算),其他管路冲洗、文明施工等预计废水36m3(按照施工用水90%计算),单日废水量合计为64m3。

为了实现灌浆工程污水“零排放”的环保目标,项目管理团队进过了多种技术手段现场尝试,最终设计了灌浆工程“零排放”水循环系统。关键结构为循环式钢结构排污系统,包括灌浆工作面集污坑、排污管路、N级钢箱、抽排装置、沉渣晾晒区、澄清池或围堰内等。核心结构为N级钢箱,包括钢板箱体、钢板绕流板、φ130连接管、上下检查梯等,钢结构箱体尺寸为长2.5m、宽2.5m、深1.8m。按照单日废水量64m3计算(含渣8%～10%),系统实现废水收集率100%,沉淀率100%,每日沉渣5～8t,处理后可回收水55m3,转化率85%以上。

4.3 灌浆工程“零排放”水循环系统实施效果

灌浆工程“零排放”水循环系统中的灌浆结构循环式钢结构排污系统加工、制造、安装方便,可以随着工作面变化随时移动位置且成本适宜。灌浆工程“零排放”水循环系统结合抽水蓄能电站的特点,综合了上水库的施工条件和环境保护要求,经过沉淀系统处理后的回水经过澄清池后排放至围堰内,重新抽至高位水池,高位水池配合系统水池进行系统供水。灌浆工程“零排放”水循环系统不仅可以大量节约水资源,同时环保效果良好。

5 结语

本文依托洛宁抽水蓄能电站施工遇到的若干问题,针对斑状花岗岩低波速带的特殊地质情况,提出了水泥-化学复合灌浆的处理方案,方案实施后处理效果明显,达到坝基岩石整体完整性和预期防渗漏的效果。JK-590履带式潜孔钻采用“斜坡段钻机运行及固定施工技术”保证了趾板面的钻孔作业顺利运行,配合槽钢轨道式帷幕灌浆作业平台,钻孔效率也得到了提升,同时安全、质量、进度都能得到有效保证。灌浆工程“零排放”水循环系统的设计与应用,巧妙结合了上水库施工特点,将灌浆工程污水进行大循环,实施过程中仅进行沉渣外运,实现了节约用水和环境保护的双重目标。洛宁抽水蓄能电站形成的上水库趾板灌浆工程施工关键技术对类似灌浆工程实施有较高的指导意义和参考价值。