气举反循环清孔技术在158m深墙中的应用

石峰

中国水电基础局有限公司

陈红刚

中国水电基础局有限公司

梁荣

中国水电基础局有限公司

谭修桥

中国水电基础局有限公司

王虎山

中国水电基础局有限公司

陈北祥

中国水电基础局有限公司

洛桑旺扎

西藏旁多水利枢纽工程管理局

张俊涛

西藏旁多水利枢纽工程管理局

尹永双

西藏旁多水利枢纽工程管理局

1 引言

西藏旁多水利枢纽大坝地基处理工程中，防渗墙工程设计深度为158m的悬挂墙，局部靠近两岸山体段为嵌入基岩内1m的封闭防渗墙。墙厚为1m，单个槽段长度在4～7.4m之间，是迄今为止世界上最深的防渗墙。防渗墙清孔方式采用气举反循环法进行清孔施工。经实践验证，158m深墙中气举反循法清孔技术的应用得到了良好的施工效果，在发挥其准确技术参数的同时，也保证了防渗墙的清孔质量。

2 气举反循环清孔技术

2.1 工程概况

西藏旁多水利枢纽大坝地基处理工程坝址区属高山地形，谷底高程4027～4034m。两岸山顶高程5300m左右。右岸高程4060m以下坡角较陡，为50°左右，高程4060m以上坡角变缓，为30°左右。右岸山坡大部分基岩裸露，局部为混合土碎（块）石覆盖；左岸高程4240m以下为混合土碎（块）石覆盖，坡角较缓，为15°左右，高程4240m以上基岩裸露，坡度大于45°。地震基本烈度为Ⅷ度。防渗墙施工轴线桩号为0-125.00～0+959.25，全长1073m。其中左岸河漫滩桩号0+060.00～0+359.00范围内坝基覆盖层厚大于150m，地下水位较低，施工时先对防渗墙部位坝基覆盖层进行局部开挖，使其厚度小于150m，再采用混凝土防渗墙全封闭防渗处理，混凝土防渗墙嵌入基岩内1m；其余覆盖层厚度小于150m的基础，均采用混凝土防渗墙全封闭防渗处理。防渗墙厚1.0m，墙深150m。为充分发挥气举反循环法的清孔施工效果，保证防渗墙清孔质量，符合设计指标的要求，本工程结合地质情况及特制固壁泥浆的选用，0～20m深防渗墙段清孔方式采用抽桶法，20～158m深防渗墙段清孔方式采用气举反循环法。

2.2 清孔方式的选取

2.2.1 抽桶法

利用造孔钻具中的抽桶进行槽孔清孔的方法。该抽桶底部设有活门，在槽孔内向下放置时，抽桶底部活门张开，向上提升抽桶时，抽桶底部活门关闭，将钻渣及稠浆带至孔口处排出。

该方法多适用于防渗墙较浅槽孔，孔深一般不超过40m。由于本工程槽孔深度大多为152m，每次抽桶抽渣需花费2～3min。经实践分析，待槽孔清孔达标后，清孔完成时间多为7～10天，并且需要换掉槽孔2/3的泥浆，不利于生产成本及整体槽孔工期的控制，且清孔后的指标多数接近规范要求指标的临界值，影响后序的混凝土浇筑施工质量，所以本工程不宜采用此法。

2.2.2 泵吸法

泵吸法清槽是利用砂石泵，通过泵吸反循环抽排含渣泥浆至孔口泥浆净化机的清孔方法。

鉴于泵吸法施工具有局限性，即底部泥浆较为黏稠，清孔前孔底淤积均在2～3m左右；槽孔深度较深，砂石泵向上抽渣的功率需求超过额定的最大功率。因此本工程不宜采用此清孔方法。

2.2.3 气举反循环法

气举反循环清孔是利用空压机的压缩空气，通过安装在导管内的风管送至槽孔内，高压气与泥浆混合，在导管内形成一种密度小于泥浆的浆气混合物，浆气混合物因其比重小而上升，在导管内混合器底端形成负压，下面的泥浆在负压的作用下上升，并不断补浆，从而形成流动。因为导管的内断面积大大小于导管外壁与桩壁间的环状断面积，便形成了流速、流量极大的反循环，携带沉渣从导管内反出，排出槽孔以外。

三种方法相比而言，气举反循环方法的可行性及优越性较高，对于158m深墙清孔来说，施工效率及清孔质量都得到了保证，因此根据本工程的特殊性，以及借鉴泸定工程110m防渗墙采用气举反循环方法清孔施工所取得的良好效果，本工程采用了气举反循环法进行防渗墙的清孔施工（图1）。

2.3 设备选用

气举反循环清孔所需的主要设备是空气压缩机、排渣管、风管和泥浆净化机。本工程选用的气举反循环设备见表1。

2.4 清孔流程

（1）根据本工程的特殊性，防渗墙施工用的固壁泥浆为特制泥浆。

由于槽孔底部泥浆经长期膨化及钻具的副作用后，底部泥浆较为黏稠，泥浆各项指标均超过规范要求，经实验总结后，如直接下设气举排渣管后，底部泥浆过于黏稠，导致底管及混合器经常堵管，影响正常的清孔施工，所以在下管前，利用抽桶法将底部过于黏稠的钻渣及浆液抽出，同时加注新制泥浆，待抽出的泥浆较稀时，抽测孔底淤积及泥浆指标，一般控制在含砂量不大于6%，淤积厚度不大于1m为准，再由钻机或吊车下设排渣管。由于大部分槽孔均为152m深，一般先下设排渣管至100m左右进行气举法清孔，再由钻机及吊车提升排渣管在槽孔主、副孔位依次进行，孔口泥浆净化机无钻渣及泥砂排出后，再加1根排渣管，如此循环直至孔底。如槽底沉淀过多，则反复清孔。槽底含砂量较高的泥浆经泥浆净化机进行处理后返回槽孔，直到净化机的出渣口不再筛分出砂粒为止。槽底高差较大时，清孔应由高端向低端推进。

（2）清孔结束前在回浆管口取样，测试泥浆的全性能，其结果作为换浆指标的依据。

（3）根据清孔结束前泥浆取样的测试结果，确定需换泥浆的性能指标和换浆量。用膨润土泥浆置换槽内的混合浆，换浆量一般为槽孔容积的1/3～1/2。

（4）换浆量根据成槽方量、槽内泥浆性能和新制泥浆性能综合确定。

清孔换浆结束标准：

清孔换浆结束后1h，在槽孔内取样进行泥浆试验。如果达到结束标准，即可结束清孔换浆的工作。

结束标准：清孔换浆结束1h后，槽孔内淤积厚度不大于10cm。使用膨润土时，孔内泥浆密度不大于1.15g/cm³；泥浆黏度不小于32s（马氏）；含砂量不大于3%。

3 技术要点及相关参数

3.1 清孔设备的参数选择

本工程施工地层为砂卵石地层，其砂卵石中还带有大块孤石，易发生塌孔漏浆事故。为保证槽孔尽快达到清孔标准，满足浇筑条件，每个槽孔清孔用风都是选用空压机直给的形式。施工的防渗墙单个槽孔分为一期槽及二期槽，槽孔宽度在4.0～7.0m间，槽孔深度在80.0～158.0m间，根据以前施工的泸定电站工程110m防渗墙及其他工地的百米深墙工程，本工程风管深度采取沉没比参数为40%，起始风管底部距孔口深度控制为30m，随着孔深加深，同时按照40%的沉没比加深风管，这样排渣能力对于超过80m的深孔来说效果最佳（见表2）。

对于排渣管的选择采取生产性实验进行比较分析，发现在同等深度、压力相差不大的情况下，φ165型排渣管要比φ114型排渣管出渣能力要大得多，而且对于百米深的防渗墙槽孔，φ114型排渣管由于管径小，在向下清孔的过程中，管道整体抗折性能较差，加长管路时底管碰到孔壁及起风排渣时底管晃动并碰到孔壁后都会引起管路整体变形，导致不能对孔位进行清孔，影响清孔工作正常进行，所以排渣管的选择采用管壁厚且大孔径的φ165型排渣管进行清孔。

对于空压机及送风管路的选择主要根据墙深选配，根据百米墙深，送风的额定压力要大于等于1MPa，上述提到的空压机设备的额定风压均大于1MPa，满足超过百米深墙的清孔要求。风管采用φ25钢编管即可，其管内能承受10MPa的荷载压力，满足实际施工要求。

3.2 清孔的泥浆性能指标

3.2.1 槽孔的一次清孔

本工程地层为漏失性较大的砂卵石地层，易发生塌孔漏浆事故，针对砂卵石层的这种特性，本工程泥浆配比采用清水、膨润土、纯碱、烧碱及正电胶配制而成的膨润土浆。这样搅拌出的新制泥浆密度一般在1.07～1.10g/cm³，黏度在35～40s之间，含砂量基本为0。提高泥浆黏度及密度使其孔内形成较大浆压，增强孔内泥浆的悬浮能力，以及加速上下游两侧墙壁内的桥塞区及侵染区的形成能力，保护施工中的槽孔安全。槽孔在清孔过程中，由于防渗墙施工用的泥浆为特制泥浆，在槽孔内孔底以上10～20m间的泥浆经过长期沉积膨化后，泥浆3项指标全部提升并且超标，经过气举反循环法除渣后，孔内的泥浆黏度及密度控制值均超出规范要求，这样对于最后的浇筑施工会有一定的影响。根据本工程的特殊性，决定对槽孔底部10～20m间的超标泥浆进行新浆置换，满足验收要求并保证后序浇筑施工的正常进行。

3.2.2 槽孔的二次清孔

在一次清孔验收后，由于槽孔较深，下设浇筑导管、灌浆预埋管及一些检测预埋件占用了较长时间，超过了清孔验收后4小时内开浇混凝土的规范要求。而且导管下设后，不利于清孔排渣管的下设及横向移动，这样就要求一次清孔的彻底性，严格控制一次清孔后的泥浆三项指标值。根据本工程特性，一次清孔后的泥浆三项指标值为：黏度≥32s，密度≤1.15 g/cm³，含砂量≤3.0%。如未达到上述指标，需进行二次清孔。二次清孔采用气举法在导管中清孔（见表3）。

3.3 清孔中送风压力的参数控制

根据本工程特性，超过150m深墙清孔所需风压较大，本工程使用送风设备的最小额定风压为1MPa，这样在气举反循环清孔过程中，应根据进尺及时调整风包，即调整混合器的位置，保证向下清孔时所需的送风压力。防渗墙最大孔深为158m，在向下清孔中每加深10m就要增加0.1MPa的压力，所以在清孔的过程中就要换次风包，从20～80m换一次，90m以下换一次，每次风包的起始位置控制在距孔口30m处，保证沉没比控制40%时发挥最好作用。在设计好压力情况下，如果起风后达不到预期效果，还应考虑到气压的损失，一般压力损失在0.1～0.2MPa（见表4）。

3.4 清孔中事故预防及处理

本工程使用的空压机额定风压较大，这样在送风前首先调试空压机超过额定风压时是否能够自动卸载；其次检查送风管路及出浆管路的畅通性，防止管路堵塞后引起风压迅速上升后排渣软管脱落导致安全事故发生。

在清孔间歇时，务必利用冲击钻机副卷扬向上提升排渣管5～6m，防止送风停止时排渣管内的浆液较为黏稠，堵塞排渣管底部混合器，导致重新起管，延误正常清孔施工；排渣管在槽孔内各孔位间移动时，务必将上部排渣弯管拆掉，再利用冲击钻机副卷扬向上提起排渣管7～8m（冲击钻机桅杆高度10m），防止因下部泥浆过稠排渣管底部没有移动，导致移动后排渣管底没有移到对应的孔位吸渣，达不到预期清孔效果；清孔时排渣管清孔接近孔底时，要事先排好排渣管的准确长度，由于槽孔较深，排渣管过长后，管道整体抗折能力较差，将排渣管触到孔底后，下部管道发生弯曲，由于孔口上较难发现下面的管道变化，因而影响正常的清孔施工

4 结语

旁多水利枢纽工程防渗墙轴线长度1084.25m，80%的单元槽段设计孔深为150m，槽孔清孔方式均采用气举反循环法施工，经过施工过程中的清孔验收指标及混凝土浇筑过程中的验证，气举反循环法清孔取得的良好效果，为防渗墙的质量起到了保驾护航的作用，该法具有施工效率高、可控性强及成槽质量高的特点，尤其在这种漏失性地层环境下，能够使防渗墙槽孔较快具备浇筑条件，较好地防止了塌孔事故发生，为防渗墙百米深槽的成墙提供了可靠的质量保证，是施工150m混凝土防渗墙成功的关键条件之一。