高壓噴射灌漿在九京灌溉供水工程中的應用

李紅星

(晉中市水利勘測設計院 山西晉中 030600)

1 工程概況

和順縣九京灌溉供水工程位于清漳東源中游,縣城以上3km處,控制流域面積251km2。工程利用原九京水庫壩址筑的部分舊土壩,興建閘壩攔蓄地表水,修建地下防滲墻,并在庫區修建三眼大口井,實現地表水地下水聯合運用,向下游縣城居民、工礦企業及附近的農村人畜飲水、農業灌溉提供用水。工程于1999年8月開工,2000年6月主體工程竣工.投入運行九年來,運行狀況良好。

九京灌溉供水工程日供水能力4000m3,控制灌溉面積466.67hm2,最高蓄水位1267.5m,相應庫容30×104m3,年調節水量290×104m3,設計洪水標準為20年一遇洪水,屬四等工程,主要建筑物為四等四級。

本工程由土壩、橡膠壩、泵房、地下防滲墻及大口井等組成。

土壩為均質土壩,最大壩高6m,壩頂長191m,壩頂寬4m,上游邊坡1︰2.5,下游邊坡1︰2.0,壩頂高程1269.0m。橡膠壩高4m,長30m,底板高程1263.5m。

2 工程、水文地質條件及防滲處理方案

壩址區沿壩軸線分布的地層巖性為第四系全新統沖洪積 (Q4al+pl)、松散層及二迭系上石盒子組(P2S)基巖地層。其后者巖性主要為黃綠色中粗粒砂巖及砂質頁巖,出露于河谷兩岸山體或下伏于全新統沖洪積松散層;而前者第四系全新統 (Q4)沖洪積松散層巖性主要為亞砂土,粉細砂,中粗砂及砂卵石層,根據鉆孔揭示,沿壩軸線最大厚度約26.6m可分為8層,自上而下依次為 (詳見圖1)。

1、人工填筑土 (原九京水庫碾壓土壩體)層厚約5.0m;

2、淺黃色亞砂土,質較純,結構疏松,層厚約3.0m;

3、砂卵石層,層厚1.0～2.2m;

4、中粗砂層,結構松散,層厚2.5～4.2m;

5、褐黃色亞粘土層,層厚0～8.0m;

6、棕色粉細砂層,層厚約0～3m;7、亞粘土,層厚0～2.2m);

8、砂卵石層,層厚0～6.0m,覆于二迭系基巖層之上。

經測試各地層滲透系數見表1。

表1 各地層滲透系數

河床覆蓋層厚約18m左右,經研究論證,確定順壩軸方向,距壩軸線上游17.25m位置采用高壓噴射灌漿構筑地下防滲墻。

3 高壓噴射灌漿技術在工程中的應用

高壓噴射灌漿是利用工程鉆機鉆孔至設計處理的深度后,用高壓泥漿泵通過安裝在鉆桿(噴桿)桿端置于孔底的特殊噴嘴,向周圍土體高壓噴射固化漿液(一般使用水泥漿液);同時,鉆桿(噴桿)以一定的速度,邊旋轉邊提升,高壓射流使一定范圍內的土體結構破壞,并強制與固化漿液混合,凝固后便在土體中形成具有一定性能的固結體,從而起到防滲抗滲的作用,是處理中低水頭水利工程基礎防滲的一項有效措施。

圖1 高壓噴射防滲墻設計剖面圖

固結體的形狀與噴射流的移動方向有關。一般分為旋噴和擺噴。旋噴樁主要用于加固地基,提高地基的抗剪強度。定噴和擺噴通常用于地基防滲,改善地基土的水力條件及邊坡穩定等的工程中。本工程選擇擺噴構筑地下防滲墻。

4 高噴防滲板墻結構設計

(1)高噴軸線與壩軸線方向平線,位于壩軸線上游17.25m。兩端與山體基巖相連,高噴范圍為0+004～0+573。

(2)高噴板墻下部深入新鮮基巖0.5～1.0m。上部頂高程在舊土壩段(0+040～0+343)為1267.0m,在新壩段(0+343～0+573)為1263.0m。

(3)高噴灌漿材料采用425#普通硅酸鹽水泥漿,板墻頂部以上部分用粘土漿封孔。

(4)高噴板墻厚度,依據工程防滲要求和高壓噴射灌漿在砂卵礫石層中所能形成凝結體的形狀大小,以及包住卵石等因素要求,設計板墻成形厚度在砂卵石層中定為40cm。

(5)噴射型式,為確保板墻可靠穩定連接,連接形式采用單孔成形凝結體,為啞鈴形的擺噴折擺型。擺角30°,噴射方向與軸向夾角15°,相應凝結體的連接角度為150°。鉆孔間距1.5m。

(6)施工分序,要求按兩序孔進行施工,單號孔為Ⅰ序孔,雙號孔為Ⅱ序孔。

板墻成型后,要求用圍井做注水試驗檢查施工質量,圍井注水試驗所得的滲透系數要小于10-5cm/s。在施工前應進行現場試驗,以確定與實際情況相符,滿足設計要求的施工技術參數。

5 高噴混凝土防滲板墻施工

5.1 高噴參數的確定

根據設計要求進行施工技術參數試驗以最終確定施工技術參數值。試驗選擇在代表性地段進行,在軸線上游采用多種技術參數噴射成墻。試噴成墻初凝后,進行開挖檢查,可直觀看到墻體的連接形式、噴射長度、厚度、形狀、強度等,根據現場量測:凝結墻體有效延伸長度115～175cm,砂卵石層中墻體厚度40～95cm。并結合設計技術參數及施工單位以往施工經驗,確定本工程高噴型式采用高壓擺噴,孔距1.5m,噴射角度15°,擺角 30°,施工技術參數表2。

表2 高壓噴射灌漿施工技術參數

5.2 施工設備及工藝流程

采用的灌漿設備包括:(1)造孔系統:一般用XJ-100巖心鉆機,合金鉆頭泥漿護壁造孔。

(2)漿系統:選用山東黃河機械廠生產的WJG80-2型攪灌機,該機輸漿量可達80～100L/min;(3)水系統:高壓水泵、壓力表、高壓截止閥、高壓膠管等。其中高壓泵使用天津通用機械廠生產的3×B系列三柱塞高壓泵,其額定流量為75L/m in,額定壓力為50MPa;(4)氣系統:空壓機、轉子流量計、輸氣膠管等。其中空壓機采用移動式2V-6/8型空壓機,排氣量為 6m3/min,壓力采用 0.7～0.8MPa;(5)噴射系統:高噴臺車、噴頭、噴射管(三孔式)及孔口裝置,擺動提升設備等。

一般工序為:布孔→鉆孔→下噴射裝置→制漿→噴射→定向、擺動(旋轉)提升→成板墻→沖洗→靜壓灌漿。施工工藝流程見圖2。

圖2 高壓噴射施工工藝流程圖

(1)灌漿布孔施工按由疏到密的原則,分兩序孔施工。

(2)高噴前應進行灌漿試驗,選擇代表性地段,按照灌漿工藝要求布孔、選孔、制漿,灌漿及開挖檢查,以使準確的確定合適的高噴技術參數。試噴之前,須慎重選擇噴射參數,若一次試噴不滿足設計要求,須進行復試,直至滿足設計要求。

(3)選孔力求保持垂直,孔斜最大允許值為孔深的1%,鉆孔要深入新鮮基巖0.5～1.0m。

(4)灌漿結束后,在代表性地段,施工板墻上游側加噴2個孔,與原板墻形成三角形圍井,進行壓水或注水試驗,檢查板墻質量。

5.3 高噴施工的質量控制

為保證高噴的施工質量,工程施工中采取了如下幾方面的質量控制措施。

(1)要求施工單位建立健全較完善的“三檢”制度,責任到人,積極配合工程監理檢查施工過程中的各個環節,對每道工序都要檢查認可合格后方可進入下一道工序施工。

(2)嚴把材料質量關。按設計要求選用了縣水泥廠生產的425#普通硅酸鹽水泥,每批水泥進場都必須有合格證和化驗單,進場后分批堆放,按先后順序使用,并定期抽檢水泥安定性和強度指標,保證施工用的水泥全部符合設計要求,并保證庫存量不小于一個孔的用量,以免中斷噴射作業。

(3)做好噴前質量檢查。下管前后,要準確確定擺噴方向和角度,并對水、氣、漿管路進行檢查,防止堵塞,此外下管必須達到設計深度,并需經質檢和監理人員確認簽字后方可開噴。

(4)施工過程中主要技術參數的準確控制。高壓水、氣、漿的壓力、流量、比重等指標都必須控制在試驗確定的施工技術參數值范圍內。

(5)如因各種原因停噴時間超過20min,需漿噴管下降0.5m以上深度進行復噴。如因堵塞、停電等原因停噴時間超過2h以上,需進行復鉆,而后再進行復噴。

6 高噴板墻的防滲效果

灌漿結束后,在代表性地段,施工板墻上游側加噴2個孔,與原板墻形成三角形圍井,進行壓水或注水試驗,檢查板墻防滲質量。

經業主、監理代表指定在N 56#、N57#孔間和N115#、N116#孔間,設置Ⅰ#、Ⅱ#兩個圍井。均為等邊三角形,圍井施工完畢后,在圍井中部鉆注水試驗孔,然后以含礫亞粘土為頂板隔水層,下注水管至其下的砂卵石層內,注水管內徑108mm,按注水試驗中的經驗公式(1)計算注水滲透系數k值。

式中:a——吉林斯基系數,一般為1.32;

s——作用水頭,m;

L——試驗段長,m;

r——鉆孔半徑,m;

Q——單位注水量,m3/s;

經計算:K=2.65×10-6cm/s。

由此可見,其注水滲透系數小于10-5cm/s,滿足設計要求,證明高噴防滲墻的防滲性能是可靠的。

7 結論

(1)構筑地下防滲墻后可充分利用河床砂礫層蓄水,與低壩蓄水相結合,實現地表水與地下水的聯合運用,具有淹沒少、投資省等特點,特別適宜在北方山丘區季節性河流上修建,是山丘區水資源開發利用的重要途徑,具有很好的推廣價值和廣闊的發展前景,該工程投入運行七年來,運行狀況良好。。

(2)高壓噴射防滲技術適用于各種松散地層的防滲處理,具有設備簡單,適用范圍廣,成本較低,施工速度快,防滲效果好等優點,用于地下防滲墻的構筑中具有巨大的經濟效益和社會效益。

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