壤土心墙砂砾石坝倒垂孔施工技术应用_杨齐家.pdf

壤土心墙砂砾石坝倒垂孔施工技术应用杨齐家，于 欢，刘月光（中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 110000）摘 要倒垂孔在坝体变形监测中发挥着重要作用，然而倒垂孔多施工深度较深，钻孔垂直度和保护管安装精度要求较高，土石坝中倒垂孔施工不仅难度大，而且成孔质量效果较差，从而无法真实反应坝体变形状况。因此，如何在土石坝中高质量地成功实施倒垂孔施工是解决问题的关键，文中依托察尔森水库除险加固大坝工程壤土心墙砂砾石坝倒垂孔施工，主要阐述了钻孔灌注桩施工技术在壤土心墙砂砾石坝倒垂孔施工中的成功应用。关键词壤土心墙；砂砾石坝；灌注桩；倒垂孔中图分类号 TV547.5文献标识码B文章编号 10020624（2023）040023030 引 言为监测水库大坝的原位变形，需在坝体内钻孔安置铅垂线进行长期观测。垂线孔分为两种形式：一是从坝顶至坝体内廊道，铅垂线上端固定于孔口，下端悬吊测锤，称为正垂孔，主要监测坝体本身的变形；二是从坝顶或廊道向下钻入坝底基岩内，铅垂线下端固定在孔底，上端系于孔口浮动装置的浮子上，则称为倒垂孔，其要求垂直度偏差不超过0.1%，能够监测坝体与岩层间的位移、坝肩错动及不均匀沉陷等。目前，土石坝倒垂孔施工技术应用还不是很广泛，尤其是在坝体地层结构复杂，施工深度较深的情况下还没有成功实施的案例。1 工程概况察尔森水库大坝倒垂孔设置在坝顶下游路肩处的观测房混凝土基础平台上，地质情况自上而下分别为回填砂砾石层、粘土心墙、第四系冰积层、全风化岩石、强风化岩石、弱风化岩石。观测房混凝土厚2.50 m，混凝土下砂砾石层厚约18.00 m，砂砾石层下约 23.00 m 处为壤土结构，壤土结构下8.00 m处为原河床砂砾石层，最下层为深约13.00 m的岩石层，其中，3.00 m左右为强风化岩层，其余为弱风化岩层。察尔森水库大坝倒垂孔设计孔深61.87 m，钻孔有效孔径不小于180 mm，保护管外径168 mm、壁厚6.5 mm，有效孔径不小于100 mm。根据察尔森水库大坝倒垂孔地质特点，上段18.00 m左右砂砾石层稳定性差、难固壁、易坍塌；中段23.00 m黏土层变形大、缩孔快，出现偏斜难于纠偏是该项目的施工最难点；黏土层下原河床冰积层情况类似砂砾石层。单个倒垂孔孔深61.87 m，存在近50.00 m的软基或不稳定层，施工精度要求高，地层结构复杂、转换频繁，施工难度大，存在较大风险，成功率相对较低。2 技术特点工程实践过程中提出“大孔套小孔”施工方案，引入混凝土钻孔灌注桩改善倒垂孔施工地质条件，再以常规地质钻机配以专用金刚石钻头在混凝土灌注桩上实施倒垂孔施工，避免了塌孔、偏斜等问题的出现，加快了施工进度，提高了施工质量，使砂砾石坝体倒垂孔施工成功实施。同时，引入由清华大学（金鑫教授）与贵阳南明工程监测有限公司（饶学宾）、华电大渡河公司（江华贵）共同研制的“普通倒垂孔及双标倒垂孔安装有效孔径计划程序软件”。根据现场对倒垂孔垂直度量测的数据，利用该软件可有效计算出倒垂孔钻孔中各高程最弱点坐标、最小间隙，以及有效孔径、有效孔孔径中心坐标等相关参数，为倒垂保护管的安装、纠偏提供有效依据。2023年第4期东北水利水电工程施工 23DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.04.0113 主要工程量为保障倒垂孔监测可真实反应坝体变形状况，钻孔灌注桩钻进施工过程中，至岩石层以上约1.00 m左右即可停止钻进，不得深入至岩石层中。同时，为保证后期观测房正常有效施工，倒垂保护管安装需高出观测房基础混凝土不少于 0.80 m。察尔森水库大坝工程共涉及倒垂孔 3 个，钻孔灌注桩单孔深48.00 m，累计需混凝土量72.5 m3；倒垂孔单孔深61.87 m，单孔保护管长62.70 m，共需168 mm6.5 mm保护管188.10 m。4 主要施工方法4.1 测量定位根据设计施工图纸精确计算出倒垂孔孔位坐标，架设全站仪，将设计坐标标记于施工现场，采用“十”字定位，做好醒目标记并交待现场施工人员予以保护。4.2 钻机就位施工钻机选用型号CZ-50冲击钻，钻机的安装固定情况是直接影响钻孔效果的关键因素，因此，根据施工现场实际情况，结合钻机设备特点，采用25 t吊车配合人工将钻机起落钢丝绳中心对准桩中心。钻机垂直于坝轴线方向架设在混凝土平台及坝顶路面上，定位后底底座必须平整稳固，确保钻进中不发生倾斜和位移，以保证钻进过程中设备的平稳和钻孔质量。4.3 钻孔施工技术4.3.1 泥浆循环系统1）泥浆池制作由于察尔森大坝主体坝坡碎石、坝顶路面及其附属构筑物均已建设完成，因此，泥浆池采用10.0 mm厚钢板制作成2个4.00 m2.00 m2.50 m矩形水槽，作为泥浆循环系统中的制浆池和沉淀池。在观测房基础平台左岸下游坡面整平出1个8.00 m2.00 m（长宽）的平台，由左岸至右岸依次摆放泥浆池和沉淀池，泥浆池高出观测房基础平台0.300.40 m，同时在水池底用槽钢做好底部承重措施和上部加固措施防止倾倒。泥浆循环选用BW250/50泥浆泵，采用三角支架悬挂于制浆池中。2）泥浆制作泥浆制作选用塑性较好的粉质黏土，含砂率不大于6%，以便成孔过程中调整泥浆比重，泥浆比重不大于1.25，粘度为1820 s。3）泥浆循环钻机架设完毕后，采用硬塑性泥浆在钻头周围0.30 m范围筑“U型槽”封堵，并高出混凝土平台0.30 m左右，以防钻进过程中泥浆外流污染坝坡碎石。“U型槽”预留泥浆循环缺口，在混凝土基础平台顶部凿出0.20 m 宽、0.15 m 深沟槽并延伸至左岸沉淀池，以便泥浆循环利用。4.3.2 灌注桩钻孔1）成孔准备工作就绪后，冲击钻对准孔位中心，偏差不大于20 mm。开始低锤密击，锤高0.400.60 m，直至锤击深度贯穿混凝土基础厚度进入砂砾石层后，配以小型反铲及时在孔内加入足够的黏土和水；继续钻进 3.004.00 m 后，开始加快冲击频率，加大冲程，将冲锤提高至2.00 m左右，但不得高出孔口。钻进过程中，每钻进2.003.00 m检查一次成孔垂直度，如发现偏斜应立即停止钻进，采取措施进行纠偏。对于变层处和易于发生偏斜的部位，采用低锤轻击，间断冲击穿过，以保证孔形的良好。2）终孔清孔根据地质地层情况，待钻进至一定深度（约48.00 m，不得入岩）后，进行终孔垂直度检测，符合要求后，将冲锤提离孔底0.200.30 m。采用泥浆正循环方式进行清孔，泵入比重1.031.08的泥浆，把孔内泥浆换出，并清除沉渣，直至泥浆比重在1.051.25，含砂率不大于2%方为合格。4.3.3 灌注桩混凝土浇筑1）导管下设混凝土灌注采用250 mm导管浇筑，单节长2.00 m，接头为丝扣连接，橡胶圈密封。导管连接处配以套环固定，以防混凝土浇筑过程中脱节。导管底口下至距孔底0.300.50 m，以便灌注桩混凝土浇筑时隔水塞和混凝土顺利流出。导管顶端于孔口处采用卡扣固定于混凝土施工平台上，并将料斗及溜槽连接固定于导管口。2）混凝土浇筑灌注桩混凝土采用 C25 细石混凝土，坍落度为0.180.20 m，由拌和站集中拌制。配备多辆混工程施工东北水利水电2023年第4期 24凝土罐车，以保证混凝土浇筑的连续性。混凝土罐车水平运输至坝顶施工部位，直接放料至溜槽下灌至孔内。首次灌入混凝土量应经精确计算，确保管底至少埋入混凝土中0.50 m左右。待混凝土灌入量超过导管管节至少1.00 m左右方可拔起，且不得将管底拔出混凝土面。在混凝土浇筑过程中，孔内混凝土面的上升速度不得小于2 m/h，以免浇筑速度太低而延长浇筑时间，时间越长混凝土的坍落度损失也越大，容易造成堵管等各种事故，一般为45 m/h。为了掌握混凝土的浇筑速度和控制混凝土在槽孔中均匀上升，应经常测定槽孔中混凝土面的深度或高程，直至混凝土浇筑至观测房基础混凝土顶面。3个灌注桩施工采用流水作业方式进行，待混凝土达7 d以上龄期时再进行倒垂孔钻孔。4.3.4 倒垂孔钻孔1）钻机架设倒垂孔钻孔时，在坝顶根据倒垂孔的位置和地形条件，确定钻机的安置方位。同时，根据施工放样所放位置与设计孔位坐标偏差不得大于20 mm，选择性能好的300型钻机，在钻孔处用混凝土浇筑钻机底盘，预埋紧固螺栓。严格调平钻机滑轨（或转盘），使钻机滑轨（或转盘）水平，其倾斜应小于0.1%，立轴应竖直，钻杆和钻具必须严格保持平直，然后将钻机紧固在其底盘上。钻机架设完毕后，根据现场施工空间、钻机架设位置及钻孔孔位，架设三脚支架并配以钢丝绳及滑轮于钻孔孔位之上，便于钻杆连接、钻头拔出及护管安装。由上游库区所置潜水泵抽水至钻孔部位，确保倒垂孔孔内润滑、钻头冷却及携渣排出。2）倒垂孔钻孔钻机试运行无误后，在坝顶孔口处埋设0.40 m长325 mm10.0 mm钢管作为导向管，并在导向管顶端划刻凹槽建立“十”字坐标系，导向管中心与设计坐标偏差不得大于5 mm。通过钻机滑道将钻头移至孔口导向管内，开孔采用最大孔径为275 mm的金刚石钻头。待钻孔孔深至导向管深度后，将钻头改换为225 mm的金刚石钻头直至终孔。钻进前，通过试验确定钻机最大转速及每日钻进深度等相关参数。钻进过程中，钻头与钻杆、钻杆与钻杆连接须牢固，不得松动，以防发生偏斜。4.3.5 有效孔径检测钻孔过程中，须经常检测钻孔有效孔径，每钻进1.002.00 m检测1次钻孔偏斜值，一旦出现偏斜，分析原因并采取有效的纠斜措施。检测装置采用倒垂浮体组配合弹性置中器进行钻孔测斜，即采用浮体法加浮子和水箱，由于浮子在水箱中产生浮力，可使垂线总是处于铅直方向，若浮子偏离铅直线，浮体受浮力的影响，必有其反力使之恢复在铅直位置。倒垂孔终孔施工完毕后，应每1.002.00 m再次量测孔内中心偏心距（即孔斜），以确定终孔有效孔径检测，且终孔有效孔径不得小于180 mm。各高程中心偏心距可通过公式计算得出，同时用偏离值与孔深的比计算其偏斜度。也可通过现场对倒垂孔垂直度量测的实际数据，利用“普通倒垂孔及双标倒垂孔安装有效孔径计划程序软件”有效计算出倒垂孔钻孔中各高程最弱点坐标、最小间隙，以及有效孔径、有效孔孔径中心坐标等相关参数。4.3.6 特殊情况处理有效孔径检测时，根据开孔时在孔口部位所建立的坐标系，当孔斜在任意方向超过22 mm时，必须采取相应的纠斜措施，立即停止钻进，组织人员拌制水灰比为0.5 1的水泥砂浆回填至孔内，直至孔斜在合格范围内，待砂浆达到 7 d 龄期强度后，再缓慢钻进，直至穿过偏斜部位后，方可恢复正常钻进进度施工。在地层地质变化及地层软弱部位，钻机的钻进应缓慢进行，直至穿过该部位进入岩层后，再加快钻进速度。如遇塌孔，应及时回填水泥浆进行封堵，并重新钻孔至设计孔深。4.4 保护管安装及检测4.4.1 倒垂保护管安装终孔验收合格后，自下而上全面进行冲洗，除尽孔内残留岩粉。根据测斜记录准确测定钻孔偏斜值，确定倒垂保护管埋设位置。保护管采用168 mm6.5 mm 的无缝钢管，安装完毕后，其最终有效孔径（内径）不得小于100 mm。（下转第57页）2023年第4期东北水利水电工程施工 25变化同混凝土温度变化呈良好的相关性。钢筋应力测值最大拉应力为 23.76 MPa，发生在右边墩R1测点。各测点测值未见明显突变和异常。4 结 语此次施工期安全监测数据表明，大坝基础变形、接缝开合度等变化规律基本正常。大坝混凝土降温比较缓慢，坝体温度符合碾压混凝土坝施工阶段温度场的一般规律。下闸蓄水后大坝变形较小，符合一般规律。除UP3测点外，其它测点渗压系数均在设计范围内，大坝总渗流量正常，分析认为蓄水初期大坝工作性态基本正常。目前，各部位监测仪器设备均运行良好，由于尚未达到设计正常蓄水位，后期还需进一步加强汛期及高水位运行工况下的观测和现场巡视工作，尤其应加强变形、扬压力、渗流量等重点监测项目的观测和成果分析，确保大坝运行安全。参 考 文 献1遵义水利水电勘测设计研究院.遵义市冉渡滩水库工程初步设计报告 R.遵义，2016.2郝淑荣.参窝水库大坝安全监测分析 J.东北水利水电，2013（4）：56-58.收