孔口封閉器在小浪底工程帷幕灌漿中的應用

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1、概述
    小浪底水利樞紐工程帷幕灌漿采用孔口封閉，孔內循環(huán)，自上而下的灌漿方法。孔口封閉灌漿法是目前國內較先進的施工工藝。其優(yōu)點為：①孔內不需下入灌漿塞，施工簡便，可以節(jié)省大量時間和人力；②每段灌漿結束后，不需待凝，即可開始下一段的鉆進，加快了施工進度；③多次重復灌注，有利于保證灌漿質量；④可以使用大的灌漿壓力等。近期許多工程相繼采用此法施工。灌漿質量比較好，采用孔口封閉灌漿法施工,其主要缺點是灌漿管容易在孔內凝住,通常稱為“固管”。固管的因素很多，人為因素和機械設備都會直接影響固管。灌注濃漿時間較長時容易發(fā)生固管，防止固管的主要措施：灌漿過程需要經常轉動和升降灌漿管，要求使用性能良好的孔口封閉器。小浪底帷幕灌漿施工有數(shù)十家單位，唯有黃委會設計院地勘隊(以下簡稱黃勘隊)，使用的孔口封閉器性能較好，灌漿管在灌漿過程中始終作勻速轉動，在轉動中還能升降灌漿管，在高壓４ＭＰa灌漿中不發(fā)生漏漿，解決了帷幕灌漿中固管的技術難題，使固管率從根本上減少。在小浪底大壩左岸主帷幕補強３號灌漿洞中使用，效果很好。有借鑒之處。
    2、孔口封閉器的構造和工作原理
    2.1孔口封閉器的構造
    黃勘隊現(xiàn)在使用的孔口封閉器是在原孔口封閉器基礎上改進的。改進型孔口封閉器是采用Ф９１mm鐵砂鉆頭料和Ф１１０mm圓鋼及高壓接頭經加工焊接而成，主要由三部分組成：①孔口封閉器基座；②壓蓋；③橡膠圈?？卓诜忾]器高２６０mm，上部外徑Ф１１０ mm，下部外徑Ф９１mm，壓蓋外徑Ф１１０mm，內徑Ф５５mm，具體構造見剖面圖１－１；橡膠圈高度５０mm，外徑Ф７５mm，內徑Ф５０mm。
    2.2工作原理
    改進型孔口封閉器是利用橡膠圈的彈性和韌性在壓蓋壓力作用下膨脹抱緊灌漿管，封閉孔內漿液形成孔內循環(huán)，并在鉆機動力作用下使灌漿管在孔口封閉器中心靈活轉動和升降、且不漏漿。從而使灌漿管像攪拌棒一樣攪擾孔內流動漿液，改變漿液流態(tài)，緩解漿液凝結速度，達到克服固管的目的。升降灌漿管可以降低漿液的內聚力，刮涮粘附在孔壁和灌漿管壁上的水泥漿，在攪拌作用下迫使其液化分解參與新漿中循環(huán)，起到克服固管的作用。改進型孔口封閉器的安裝使用很簡單：當每灌漿孔段造孔結束后，提出鉆具。配好灌漿管(一般采用Ф５０mm平頭鉆桿作為灌漿管)下至孔底，然后把孔口管護絲冒御下，再逐個套入孔口封閉器基座、橡膠圈、壓蓋?；c孔口管上緊后，灌漿管提離孔底５０cm，把橡膠圈壓入基座，上緊壓蓋。連接高壓膠管，開動鉆機對好前車，孔口封閉器安裝完畢。連接循環(huán)管路，架冷卻水管，開泵開始灌漿。
    3、大壩左岸帷幕補強３號洞帷幕灌漿
    3.1灌漿材料和灌漿設備
    灌漿材料：采用洛陽鐵門525#普通硅酸鹽水泥，制成0.75：1穩(wěn)定漿液，摻膨潤３％，減水劑１%。灌漿設備：灌漿泵使用ＳＧＢ６－10型多缸柱塞式高壓泵，排漿量100L/min，使用平接頭鉆桿作為射漿管，XY－２型地質鉆機配合使用，灌漿使用ＧＪＹ－Ⅲ型自動灌漿記錄儀記錄。
    3.2帷幕灌漿
    帷幕灌漿一律采用孔口封閉、孔內循環(huán)、自上而下的灌漿方法。灌漿使用孔口封閉器，射漿管距孔底５０cm ，先導孔孔徑Ф75mm，帷幕灌漿孔孔徑Ф59mm，最大孔深89m，40m以上為補強帷幕，以下為加深帷幕，單排孔孔距2m，灌漿段長為５m，４段以后灌漿壓力為４ＭＰa，帷幕灌漿結束標準：在4ＭＰa 壓力下，注入率不大于1Ｌ／min時連續(xù)灌注60min，且在設計壓力下的灌漿時間不少于90min。３#洞帷幕有斷層破碎帶Ｆ238，F(xiàn)236，Ｆ240穿過帷幕線，Ｆ238斷層破碎帶較寬，寬度達22m，破碎帶的孔吃漿量較大，200號先導孔第12段，灌入水泥25Ｔ，灌漿待凝８次，先導孔和一序孔大約平均單耗水泥240Ｋg／m左右，技術規(guī)范要求：帷幕灌漿孔Ⅲ序終孔段單耗水泥不大于50Ｋg／m，其它各序不大于100Kg/m，方可以終孔，否則應繼續(xù)加深，直至滿足上述要求。
    ３號洞帷幕灌漿工程量23028m，合同要求工期一年，其中Ｆ238，F(xiàn)236斷層段和山體斜坡底段３段工程量9160 m，合同要求應在2000年６月30號汛前完成。投入鉆機14臺，灌漿泵９臺，截止８月２號已完成灌漿帷幕15400m，完成工程的66％。全部工程2000年11月底完工。工期提前4個月。
    ３號洞帷幕灌漿工程投入的設備，人力與同期小浪底帷幕工程其它標段相比是比較少的，合同工期要求比較緊張，2000年6月30號汛前工程量已按時完成，除其它有利條件外，使用改進后的孔口封閉器灌漿不發(fā)生固管事故起重要作用。工程質量與合同工期都得到保障。
    4、孔口封閉器灌漿工藝評述
    ３號洞帷幕灌漿深度范圍的地層是以Ｔ１３－２為主的Ｔ１１－Ｔ１４碎屑巖系，從鉆孔巖石取心看，巖性中硬、脆、裂隙較發(fā)育。灌漿情況很復雜：很多孔段在１－２ＭＰa壓力作用下地層不吃漿，升至３ＭＰa吃漿率在10－15Ｌ／min，超過了３ＭＰa吃漿率發(fā)生突變，增至30Ｌ／min，待凝數(shù)次后結束不了。為保證帷幕灌漿質量和不浪費水泥，采取降壓限流10L以下長時間灌注，實踐證明降壓限流10Ｌ以下灌注，灌漿效果顯著。問題是在灌漿施工中，孔口封閉法灌漿容易發(fā)生固管，黃勘隊改進的孔口封閉器，可以限流10Ｌ以下灌注，且長時間連續(xù)灌注而不發(fā)生固管事故。在３號洞帷幕灌漿施工中，施工比較順利。
    小浪底帷幕灌漿一律采用孔口封閉灌漿法，與３號洞同期施工中的其它帷幕灌漿標段固管率較高，在限流灌注過程中多發(fā)生固管事故，防止的辦法，在灌注中灌漿管每間隔一定時間暫停灌漿降壓轉動和升降一次灌漿管，記錄儀上打印顯示暫停２min。黃勘隊改進的孔口封閉器，不用降壓循環(huán)，灌漿管在孔口封閉器中心部位靈活轉動和升降且不漏漿，不易發(fā)生固管。帷幕灌漿連續(xù)不間斷灌注有利于帷幕灌漿質量。
    小浪底帷幕灌漿結束標準：在4ＭＰa 壓力下，注入率不大于1Ｌ／min時繼續(xù)灌注60min，在施工中也易發(fā)生固管事故，針對其它灌漿標段固管率較高的實際情況，監(jiān)理工程師現(xiàn)場指令允許在達到結束壓力，注入率小于5L/min時，繼續(xù)灌注60min內可改變?yōu)?：1的稀漿灌注。個別標段結束時間縮短為30min，3號洞帷幕灌漿中一般都沒有變3：1的稀漿灌注，不變稀漿有利于工程質量。
    帷幕灌漿固管因素很多，帷幕的深孔段更容易固管，深孔段灌漿固管事故的處理非常麻煩，對人力物力消耗是非常大的，對“固死”的管要重新移位開孔，特別是對鉆進難度較大的地段；近百米的進尺要重新開孔對人力物力浪費是驚人的。孔口封閉器的改進對解決帷幕深孔灌漿固管問題，經濟效益顯著。
    5、結語
    孔口封閉器的改進解決了帷幕灌漿中固管的技術難題。黃勘隊改進的孔口封閉器也是在灌漿實踐中摸索出來的，起初９７年在小浪底４號洞帷幕灌漿中使用改進前的孔口封閉器，固管率較高，逐步摸索改進花費了很大的心血，多次改進才完善成現(xiàn)在這種程度，水利部天津基礎工程局曾前來３號洞現(xiàn)場觀模學習，黃勘隊改進的孔口封閉器給施工帶來了效益，且構造簡單，易加工制造。９7年榮獲黃委會設計院科技成果三等獎。