砂卵石地層中基坑開挖的滲透破壞及處理

砂卵石地層中基坑開挖的滲透破壞及處理

1基坑與基礎(chǔ)位置巴基斯坦真納水電站由中國東方電氣集團公司通過epc項目修建。車間位于真納港水庫右側(cè)，印度河約100米的原始河床上。廠房區(qū)原始地面高程EL.209.0m,基坑建基面高程EL.187.0m,開挖深度為22m,其中永久集水井等局部深度達到了EL.182.5m。項目施工期地下水位長年在EL.207m左右,因此基坑內(nèi)、外水頭差達20m以上。廠房混凝土基礎(chǔ)底板沿縱軸線長134m,沿水流方向?qū)?5m。廠房基坑處在透水性很強的砂卵石地層中,其滲透系數(shù)高達1.0×10-1~1.6×10-1cm/s。因此,真納水電站廠房施工期的降排水,無論從透水性、水頭差,還是來水總量上,其難度都是超常的,基坑降排水也因此成了該項目施工的第一難題。2校園降水方案的確定為了確保廠房混凝土的順利施工,必須將廠房基坑的地下水位降低至混凝土建基面以下,并常年保持建基面的干燥,這是混凝土澆筑的必要條件。降排水系統(tǒng)的設(shè)計除了保證廠房建基面干燥外,還要保證廠房四周開挖邊坡的干燥,其目的是防止建基面和邊坡在開挖和后期施工中出現(xiàn)管涌和流沙等現(xiàn)象,以保證建基面不被滲流破壞,同時保證高邊坡的穩(wěn)定和安全。國內(nèi)水電站廠房大多坐落在山區(qū)基巖上,地層透水性較小,且基巖埋深較淺,因而基坑的施工期排水基本上都采用以“截”為主的排水方法。主要手段是在廠房基坑四周施工一道防滲墻,如鋼板樁、地下連續(xù)墻或防滲帷幕等。防滲墻的深度一直到達不透水基巖,以阻止基坑四周的地下水進入基坑。考慮到真納水電站廠房所處地層的高透水性,以及深達100~200m的砂卵石覆蓋層,其基坑的降水難度要遠遠大于其它工程的基坑降排水難度。由于砂卵石層的深度極大,修建任何防滲墻都不可能使其達到基巖的深度,因此,完全依賴“截”的方法將無法隔斷來自廠房四面八方的地下水。經(jīng)過詳細周密的地質(zhì)勘探,認為真納水電站廠房基坑的降水只能采用兩種方法:1)在廠房四周布置足夠的降水井排水,完全以降水井降低地下水位;2)采用截、排結(jié)合的降水方法,即在基坑四周設(shè)置一道防滲墻,使整個基坑成為一個巨大的、無底的“水桶”,起部分截水的作用,再在防滲墻內(nèi)用降水井降低地下水位。防滲墻形成的“水桶”無法深達基巖,只能是一道懸掛式的防滲墻,起到延長地下水滲徑的作用。鑒于地層透水系數(shù)太大,且施工期較長,項目經(jīng)理部最終認為不宜采用第一種降水方式。因為該方案需要100多口大排量的水泵,運行時間則長達兩年以上,水泵的抽水費用和維修費用巨大。而第二方案雖然需要較高的防滲墻施工費用,但大大地減少了水泵的數(shù)量和運行電費,最終成本相對較低,同時排水系統(tǒng)安全運行可靠性加大,而且防滲墻只有一次性投資,無運行和維修問題。在確定了采用截、排結(jié)合的排水方案后,接下來便是確定防滲墻和降水井的具體參數(shù)。其中包括確定防滲墻的深度、厚度和所要達到的滲透系數(shù),以及降水井的數(shù)量和排量等具體事宜。在確定防滲墻和降水井的具體參數(shù)時,應(yīng)盡量使兩者達到最優(yōu)的組合,在成本最低的情況下達到最佳的排水效果。通過包括工程設(shè)計、施工等各方多次認真研究和論證,最終確定防滲墻采用高壓噴射防滲墻,其深度為31.5m(EL.207.5m-EL.176.0m),厚度約80cm,設(shè)計透水系數(shù)小于1.0×10-5cm/s;高噴墻內(nèi)設(shè)置降水井48口,單井排量300m3/h,深度47m(EL.209.0m-EL.162.0m)。廠房基坑降水系統(tǒng)的平面布置參見圖1。3德國水系統(tǒng)的建設(shè)3.1高壓噴漿施工技術(shù)高噴防滲墻采用工程鉆機鉆孔,借助高壓噴灌設(shè)備產(chǎn)生高壓,使水泥漿液透過孔壁向四周噴射,通過沖擊、切割和強烈擾動,使?jié){液在噴射作用范圍內(nèi)擴散、充填周圍地層,并與土石顆粒摻混攪合,硬化后形成凝結(jié)體,從而改變原地層結(jié)構(gòu)和組合,達到防滲或提高承載力的目的。真納電站廠房基坑高噴防滲墻的目的主要是為了防滲,故對其強度沒有特別要求。高噴防滲墻沿廠房四周總邊長為790m,分為Ⅰ、Ⅱ兩序孔施工,其中Ⅰ序孔為旋噴施工,Ⅱ序孔在EL.198.0m以上采用擺噴施工,EL.198.0m以下采用旋噴施工,高噴孔孔距為1m。鉆孔采用YG-50型潛孔錘跟管鉆進造孔,成孔直徑146mm,成孔后下入直徑110mm的PVC塑料灌漿管。由于基礎(chǔ)的砂卵礫石地層結(jié)構(gòu)比較密實,卵石粒徑較大,并且會偶遇漂石,所以在最后10m的鉆孔過程中進尺困難,且易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。高噴墻采用三管法進行施工,由水管、氣管和水泥漿管同軸組成噴射桿。桿底部設(shè)置有噴嘴,噴氣嘴和噴水噴嘴在上,漿液噴嘴在下。高壓噴漿時,隨著噴射桿的旋轉(zhuǎn)和提升,先是高壓水和高壓氣的混合射流沖擊擾動地層土體,使土體呈翻滾松散狀態(tài)。隨后以低壓注入濃水泥漿與翻滾松散的土體摻和攪拌,混合物硬化后形成凝結(jié)體。主要施工技術(shù)參數(shù)如下:在高壓噴漿施工過程中由于地層中卵石粒徑較大、透水性強,且含有大粒徑漂石,有時會出現(xiàn)返漿情況不正常、甚至不返漿的現(xiàn)象。其原因是地層滲透性太大,漿液擴散范圍比預期的要大。針對此情況,在施工中適當降低了提升速度(或停止提升)、必要的地方還采用了往復噴射、增大進漿密度等辦法來確保灌漿質(zhì)量。由于工期等原因,在高噴墻施工完成后沒有通過圍井試驗來進行質(zhì)量檢測,而是在基坑下游和左側(cè)墻體上選擇了8個孔位施工了一個小“水桶”,在其中進行鉆孔壓水試驗。測得高噴墻體的滲透系數(shù)為1.7×10-6~9.3×10-6cm/s,滿足設(shè)計要求。3.2基坑降水井施工深井井點降水方法是利用鉆孔成井,采用單井單泵(潛水泵或深井泵)抽取地下水的降水方法。深井井點一般適合中、強透水地層,如砂、砂礫及砂卵石等地層。真納廠房基坑降水井共有48口,井間距11~14m,降水井的施工平臺在EL.207.5m,水泵安裝高程設(shè)計在EL.196.0m,設(shè)計井底高程EL.162.5m,水泵的泵頭安裝高程EL.171.0m,鉆孔直徑700mm,成井直徑400mm,井管采用鋼管。降水井采用的水泵均為深井泵,額定排量均在300m3/hr以上。降水井由當?shù)胤职踢M行施工。降水井的施工過程依次包括鉆孔、安裝濾管、下放濾料、洗井、安裝水泵等工序,以下為其中幾個主要工序的簡要介紹:3.2.1施工進度及施工方法當?shù)氐慕邓┕ぜ夹g(shù)隊伍較多,但所采用的施工設(shè)備卻很落后,多為老式的沖擊式鉆機,基本上沒有國內(nèi)已普遍采用的沖擊式正、反循環(huán)鉆機等,因此施工進度比較緩慢。由于降水井的井徑、井深均較大,當?shù)厥┕り犖樵O(shè)備落后,不宜采用跟管鉆進的方法進行施工,而只能選擇泥漿護壁的施工方法。因為孔徑和孔深均較大時,鉆孔完成后護壁套管很難拔出。泥漿護壁鉆孔施工快、操作簡便、成本低,但護壁泥漿易堵塞孔壁孔隙,增加了洗井的難度,最終導致降低管井的出水量。3.2.2濾管開口尺寸的控制由于當?shù)厣a(chǎn)水平有限,濾管生產(chǎn)很難在開口尺寸滿足要求的情況下,同時滿足濾管的開口率到達15%的要求。要保證濾管的開口率,必須在鋼管上開尺寸較大的口。由于濾管開口尺寸較大,在濾管外面包裹了一層孔徑為1mm的鋼絲網(wǎng),以防止濾料進入管內(nèi)。同時,為了保證濾網(wǎng)的強度,又在1mm鋼絲網(wǎng)的外面包裹了一層孔徑為5mm的更為結(jié)實的鋼絲網(wǎng)。濾料為粒徑小于4.75mm的符合ASTM標準要求的天然濾料。3.2.3過濾層的建立洗井是降水井施工過程中的一道重要的工序。洗井的目的就是要徹底的清除井內(nèi)泥漿和滲入含水層中的泥漿和細小顆粒,破壞井壁泥皮,形成良好的過濾層,以保證井內(nèi)的出水量。但事實上,部分降水井在完成后沒有及時的進行洗井,使護壁泥漿中的大量泥皮凝固在井內(nèi)濾料和地層中,降低了降水井的出水量。4基礎(chǔ)沉降過程整個基坑的降水大致可以分為以下三個階段:4.1高噴墻階段5m深的開挖這11.5m深的開挖只采用了明排降水,即在開挖面的四周形成臨時排水溝和集水坑,用3~8臺離心泵從集水坑將水排出基坑。11.5m深的開挖(基坑內(nèi)外水頭差約9.5m)完全采用明排降水,高噴墻發(fā)揮了很大的作用。在這個階段的明排開挖過程中,整個邊坡表面均保持了干燥,地下水只是從邊坡坡腳的部位流入排水溝。但由于砂卵石地層的級配不均勻,其中的砂均為細砂,因而在坡腳滲水的位置出現(xiàn)了流沙的現(xiàn)象。對流砂的部位及時用裝有反濾料的麻袋進行了覆蓋,有效地防止了流沙,保證了邊坡的安全,同時確保了排水的順暢。4.2特殊情況的改善和完善開挖高程已達到水泵安裝高程,開始安裝降水井水泵。繼續(xù)明排水泵的抽水,并隨著開挖深度的增加陸續(xù)增加投入運行的降水井的數(shù)量。當開挖進行到EL.191.0m時,盡管設(shè)計的48口水井已經(jīng)全部投入運行,廠房基坑排水仍顯得比較困難。為繼續(xù)進行開挖,對廠房四周排水溝和集水井進行了加深,并將明排水泵增加至了12臺。但當開挖進行到EL.189.0m時,12臺明排水泵和48口井已經(jīng)無法滿足排水的要求,不能將水位繼續(xù)往下降。而且此時流沙的現(xiàn)象比上一階段的開挖要嚴重,甚至在建基面上還有局部部位出現(xiàn)了管涌現(xiàn)象。從流沙和管涌的程度來看,已不可能再進一步增加明排水泵的數(shù)量來繼續(xù)降低水位。如果進一步增加明排水泵數(shù)量,將造成更為嚴重的管涌和流沙,使得邊坡和建基面保護工作難度增加,而且還無法保證建基面和邊坡的安全。為保證基坑EL.189.0m以下剩余的2m的開挖,項目經(jīng)理部緊急研究決定在廠房建基面上另外施工10口降水井,深度為15m(EL.187.0m以下15m),單井設(shè)計排量為100m3/h。同時,還決定將基坑四周的排水溝的底部高程降低至EL.185.8m,并相應(yīng)地加深臨時集水井的深度,繼續(xù)維持一定程度的明排。為了防止臨時排水溝內(nèi)出現(xiàn)流沙和管涌,在臨時排水溝內(nèi)鋪設(shè)了土工布,并在建基面一側(cè)壓上裝有反濾料的麻袋,在邊坡一側(cè)則采用了鋼筋籠保護坡腳。除在建基面上增加了10口井以外,對已有的48口井的狀況也進行了改善,包括對48口井重新洗井,適當加深降水井水泵安裝深度。增加10口降水井的具體位置,參見圖1。4.3降低地下水位,降低排水系統(tǒng)的出水量在基坑內(nèi)增加了10口井,并對原有48口井進行改善后,廠房基坑的降水能力得到了明顯的加強。地下水位最高的位置也被降到了El.186.0,低于建基面(EL.186.9m)以下90cm,整個基坑開挖表面已經(jīng)完全干燥,剩余的最后2m的開挖也得以順利完成。地下水位降低到EL.186.0m后,廠房四周邊坡表面完全干燥,流沙和管涌現(xiàn)象也完全得到了控制。將廠房地下水位降低到建基面以下90cm,整個排水系統(tǒng)的實際排水量達到了7000m3/h,實際每天運行的深井泵數(shù)量平均為40臺,明排離心水泵為5臺。在廠房四周的48口降水井投入運行后,發(fā)現(xiàn)有幾口降水井的出水量極小,基本上無法正常運行。另外還有一部分降水井的出水量大大低于設(shè)計排量,使得水泵的排水量達不到額定排量,給水泵的運行造成了一定的困難。分析其原因,主要是由于降水井在施工過程中不可避免地出現(xiàn)了一些質(zhì)量問題,再加上大部分降水井在施工完畢后均沒有進行抽水試驗,而且在施工完成后很長一段時間才安裝了水泵開始抽水。5地下水位觀測為保證基坑和邊坡的安全,在廠房基坑四周高噴防滲墻外和基坑建基面上均布置了適當數(shù)量的水位觀測點,用以觀測坑內(nèi)和坑外的地下水位變化情況。同時,每天還對整個排水系統(tǒng)的水泵運行數(shù)量和實際排量進行了密切觀測,根據(jù)水位變化和水泵運行情況,每天有專人負責分析降水系統(tǒng)的運行情況,并及時地采取措施。6設(shè)計、施工過程中的體會和應(yīng)用建議在砂卵石地層很厚且滲透系數(shù)很高的廠房地基中,通過高噴防滲墻延長地下水滲徑,部分堵“截”地下水,同時以深井排水和明排排水進行基坑地下水降水的方案能夠有效地將基坑內(nèi)的地下水位降低到設(shè)計高程,達到在建基面進行干地施工的目的。一般認為在卵石粒徑較大的砂卵石地層中的高壓旋噴截水墻的效果不好,因為卵石粒徑太大會影響高壓水和高壓氣對地層的有效沖擊和擾動,導致水泥漿與土體不能良好結(jié)合,但從真納水電項目高噴墻和降水井的綜合效果來看,盡管地層中大塊卵石的含量較大,甚至偶含漂石,高噴墻的效果還是比較明顯的,達到了設(shè)計預期的效果。從真納水電項目廠房基坑降水系統(tǒng)的設(shè)計和施工中可以總結(jié)出如下經(jīng)驗供類似工程參考:(1)是否采用防滲墻、采用哪種防滲墻以及防滲墻的深度都應(yīng)根據(jù)工程的地質(zhì)條件、工期以及費用來綜合考慮。對于深度不能達到相對不透水層的懸掛式防滲墻,其深度還應(yīng)與降水井的深度綜合考慮,達到最優(yōu)效果。一般來說降水井的深度越深,防滲墻的效果就越不明顯。(2)降水井設(shè)計宜采用多井小排量的方案,即適當增加降水井數(shù)量,而降低每口井的設(shè)計排量。單井的設(shè)計排量過大,易造成降水井施工困難,出水量難保證的情況。(3)對降水井的施工過程要嚴加控制,尤其是濾管和濾料的質(zhì)量要嚴格地控制。濾管和濾料的質(zhì)量不合格或施工質(zhì)量不合格,將大大降低降水井的出水量。對以泥漿護壁方法鉆孔的降水井,在完成濾管、濾料的安裝后應(yīng)及時進行有效、仔細的洗井,并配合抽水試驗來檢查洗井效果。降水井的施工屬于掩蔽工程施工,任何質(zhì)量問題都難以進行整改。(4)如果條件允許,應(yīng)盡可