塔贝拉水电站位于巴基斯坦首都伊斯兰堡西北开伯尔-普赫图赫瓦省境内, 最大坝高 143m, 工程于1968年开工, 1976年正式蓄水发电。 四期扩建工程需在厂房基坑的下游形成一段东西向的钢板桩围堰 (见图1) , 与东侧现有的三期厂房混凝土挡墙和西侧陆地连接, 钢板桩格体内填充材料为抛填的松散粉细砂。 由于四期扩建工程厂房区域位于下游深水库区中, 钢板桩围堰高压旋喷防渗需在深水中施工, 最大水深>30m, 砂卵砾石层埋深在30～56m, 架空严重, 级配分布不均, 质量风险高、施工难度大。 该类型围堰防渗施工方式在国内外均无先例。

国内外高压旋喷施工多应用在土石围堰防渗及地基处理加固方面, 高压旋喷深度多在30m及以下, 地层较单一, 处理难度小, 巴基斯坦塔贝拉水电站钢板桩围堰高压旋喷防渗在国内外尚属首次。本工程砂卵砾石层高压旋喷灌浆施工具有以下难点。

1) 最大钻灌深度57m, 平均钻灌深度40m, 此深度高压旋喷防渗处理为国际先例, 无工程实例借鉴, 无相应的条文规范参考。

2) 砂卵砾石层埋深在30～50m, 厚度最大达20m, 埋深大、厚度大, 无相关处理经验。

3) 砂卵砾石层架空漏失严重, 地层均一性差, 受动水影响, 处理难度大。

针对大深度、高埋深砂卵砾石层高压旋喷灌浆的施工难点, 通过在传统高压旋喷工艺基础上开展钻进工艺及灌浆工艺技术研究, 形成一套有针对性的大深度、高埋深砂卵砾石层高压旋喷技术, 此技术有效解决了巴基斯坦塔贝拉水电站钢板桩围堰形式下的大深度、高埋深、架空漏失地层、动水区砂卵砾石层高压旋喷灌浆施工难题。

高压旋喷防渗墙深孔 (57m级) 施工区域位于原电站泄洪冲水区, 原始河床由于泄洪冲水作用, 砂卵砾石层埋深30～56m, 级配严重不均, 颗粒粒径大、强度高, 继续采用同心跟管钻进工艺钻孔进尺较慢, 已不能满足钻孔工效要求。在上部30m孔斜得到有效保障的情况下, 更换钻进工艺对下步钻孔孔斜不利影响较小, 根据经验及试验对比 (见表1) , 对埋深30～50m砂卵砾石层采用偏心跟管钻孔工艺。

偏心跟管钻具由稳杆器、中心钻头、偏心钻头3部分组成;偏心跟管钻孔依靠中心钻头破碎底部岩石钻进, 偏心钻头对孔壁周围的岩石进行破碎扩孔, 稳杆器带动外壁套管跟进护壁成孔。优点为:适用地层范围广, 工效高。不足为:在遇孤石、漂石等地层时, 扩孔过程受偏心头影响, 钻进速度较慢、孔斜不宜控制。

由表1可知:在对上部30m孔深人工填砂层均采用同心跟管钻进工艺保证孔斜的情况下, 对下部砂卵砾石层采用偏心跟管钻进工艺, 钻孔工效高, 整孔孔斜控制满足设计要求。

偏心跟管钻进工艺的选择充分考虑了实际地质情况、设计钻孔精度要求、工艺原理和适用条件并经过现场试验验证, 配合同心跟管钻进工艺, 有效保证了复杂地质条件下大深度覆盖层钻孔的精度、成孔率及工效。

高压旋喷钻孔在应用过2种钻进工艺成孔后, 孔内残留大量细砂及破碎岩石颗粒, 将残留物尽可能排出孔外, 保证钻孔深度符合设计要求及高压旋喷喷具的下设到位, 从而达到喷射过程对需要改善加固地层的全覆盖, 最终保证高压旋喷墙体的质量要求。

高压风动冲洗是利用钻进供风系统——寿力高风压空压机在钻孔完毕后, 选择合适的风压对钻渣进行吹排, 吹排时间、压力、标准可根据工程实际情况选择和验证, 塔贝拉高压旋喷地层钻渣吹排根据实际验证选择为:吹排风压3MPa, 吹排时间≥10min, 吹排合格标准为返水澄清即可。

高压风动冲洗可将孔内钻渣大量吹排出孔外且将细碎颗粒物吹排至河床内距钻孔足够远距离, 从工艺对比结果看, 采用高压风动冲洗, 能加长河床冲积物向孔内回返的时间, 减少冲积物的回返量, 从而保证钻孔的放置时间和提高钻孔保护的安全性, 有利于工程的实际操作和工序衔接。

钻孔工序各环节全部完成后, 正常流程需要起拔全部钻孔套管, 高压旋喷台车就位, 开始下设喷具至孔底。但由于塔贝拉围堰地质条件限制, 全部起拔套管后地层失去钢套管束缚, 大粒径砂卵砾石在动水影响下迅速塌陷破坏钻孔, 整孔塌孔报废率达90%, 给工程施工推进带来极大干扰和难题, 经研究、分析、总结, 最终对工序进行调整。先下设喷具, 然后采用分段起拔套管法。此法是在传统工艺上的突破和改良。

在采用PVC+泥浆复合护壁技术的前提下, 对“起拔套管→下设喷具”流程进行调整, 改为“下设喷具→起拔套管”, 充分对钻孔进行保护, 保证喷具的有效下放和喷射工序的推进。

为缩小地层因起拔套管而引起的塌陷范围, 减少对钻孔的破坏深度, 经过现场反复试验论证, 改变全孔一次起拔套管工艺为分段起拔套管。

分段起拔套管法实施细则为:针对动水条件下大粒径砂卵砾石层, 依次起拔深度≤7m;针对原始河床粉土质砂层一次起拔深度≤13m;针对人工回填粉细砂层一次起拔深度≤16m。套管宜每根长3m, 并配置部分1, 1.5, 2m短套管套接上部以便分段起拔。

常规静喷措施是针对地层分界面、大漏量区域、有质量隐患区域, 为补充浆液充填、加强地基处理而采取的一种在喷射参数不变的情况下停止提升继续旋转喷射措施, 时间为5～10min。 复喷则多用于每次拆卸喷具区域、塌孔区域, 为避免出现漏喷在各项喷射参数不变的情况下而采取的一种常规处理措施, 复喷长度一般为50～100cm。

塔贝拉钢板桩围堰高压旋喷灌浆由于是在深水库区施工, 动水影响大, 浆液漏失严重, 塌孔现象频繁, 塌孔深度大, 地层分界不明显, 采取常规静喷、复喷措施只对特殊地质、特殊情况进行处理已不能满足质量控制要求, 为充分保证防渗质量, 对工艺进行调整, 实际措施为在地层分界面、每次拆卸喷具搭接面、返浆比重不满足要求或不返浆区域静喷10min且静喷后根据返浆情况复喷50～100cm, 对塌陷报废孔扫孔至塌陷底部3m, 重新复喷。工程施工根据现场实际情况扩大静喷、复喷工艺的处理对象、范围, 并采取相互结合方式来共同配合, 通过实践证明, 对防渗质量有保障。

高埋深、大深度砂卵砾石层地质条件及特性明显区别于人工抛填粉细砂层及原始河床粉土质砂层, 对灌浆参数进行调整和选择 (见表3, 4) , 是工程施工质量的现实需要。

从2种地层的参数对比来看, 砂卵砾石层高压旋喷压力提高至36～38MPa, 浆液排量提高至60～65L/min, 各次序孔提升速度、旋转速度明显低于人工填砂层, 浆液水灰比提高至1∶1, 并在喷射前辅以0.5∶1浓浆大排量无压灌注预堵漏, 直至浆液下沉速度低于1m/min, 开始喷射。

从高压旋喷灌浆的最终防渗质量来看, 对高埋深、大深度砂卵砾石层根据设备性能和工程施工成本综合选优采用大压力、慢提升速度、浓浆配合泥浆堵漏, 并辅以多种配套措施进行处理的思路正确、方式可行, 效果经得住考验。

检查孔取出的砂卵砾石层高压旋喷芯样呈灰色～深灰色, 无空洞气泡, 无孔隙, 水泥结石强度高、结石率高, 胶结密实、连续饱满, 平均采取率达95%以上, 最长单根芯样1.2m。根据芯样观察, 砂 卵砾石层搅拌充分, 成墙均匀连续, 效果极佳。

注水试验全围堰共布置5组检查孔, 从所有检查孔注水试验结果来看, 高压旋喷灌浆试验段渗透系数K值均在10^-6 cm/s量级, 完全满足规范及设计要求 (K≤i×10^-5cm/s) 。

厂房15～17号基坑开挖属于干地施工的状况, 基坑经常性排水仅需1台400m³/h水泵进行间歇性抽水即能满足基坑干地施工要求。如果考虑部分外来水和基坑内施工排水等水量, 钢板桩围堰高压旋喷防渗体系属于基本不渗水情况。

地层的种类和密实度、地下水质、土颗粒的物理化学性质, 对高压喷射注浆凝结体均有不同程度的影响, 即高压喷射注浆凝结体的形状和性能取决于被处理的地层类别。在实际施工中, 要因地制宜, 采取恰当而必要的工艺措施。

通过工程实践, 对高埋深、大深度砂卵砾石层钻孔及灌浆工艺进行研究及运用, 解决了砂卵砾石层级配严重不均、颗粒粒径大、架空漏失现象严重、受水库水位变化及深水动水影响等难题, 确定了一套科学、高效的施工工艺, 保证了配套方案满足工程施工强度、工程质量和安全的要求。