高壓擺噴灌漿技術在水庫除險加固工程中的應用

侯秀娟,張新利,伏曉娟

(1.陜西省扶風縣水利局,陜西 扶風 722200;2.中國水電建設集團第十五工程局有限公司,陜西 西安 710062)

0 引 言

高壓噴射灌漿技術自20世紀70年代引進我國,之后逐漸在各行業建筑領域推廣,普遍應用于建筑物的地基加固,提高地基承載能力,并且取得了令人滿意的效果。20世紀80年代在水利工程中獲得推廣應用,在水利水電行業中除應用于地基加固外,更廣泛地應用于水工建筑物的防滲工程中[1]。高壓噴射灌漿適用于淤泥質土、粉質粘土、粉土、砂土、礫石、卵(碎)石等松散透水地基或填筑體的防滲加固。它的優點是不需要開挖,不破壞壩體,不需要水庫放空,施工速度快。據統計我國利用該項技術已經成功處理了100多座水庫。與現澆混凝土防滲墻比較,高壓噴射灌漿施工工程量小,工程投資少,成墻工效較高。在滲透和結構方面有著獨特的穩定性。高壓噴射灌漿形成的防滲體彈性模量較低,有較強的變形適應性,在適應地基的變形方面較混凝土防滲墻有明顯的優越性[2]。

本文結合白家窯水庫除險加固工程實踐對高壓擺噴防滲工程適應條件、施工工藝、技術要點和質量控制等方面做了詳細闡述,為今后同類工程提供了可借鑒的經驗。

1 工程概況

白家窯水庫位于陜西省寶雞市扶風縣城北2.5 km處,是一座以灌溉為主,兼顧養殖的小(一)型水庫。水庫樞紐工程由均質土壩、溢洪道、泄水洞等部分組成。該工程建于20世紀70年代初,水庫工程分兩期建成,第一期無設計,1969年動工,至1971年建成壩高為24.5m,壩頂長為150 m,壩頂寬14 m,壩頂高程553.5 m的土壩。1974年另作設計擬將土壩加高,至1977年11月建成壩高為31 m,壩頂長為245 m,頂寬10 m,壩頂高程560.0 m,并在土壩548m高程留有18 m寬的平臺。水庫總庫容440×104m3,水庫防洪標準為設計洪水100 a一遇,校核洪水200 a一遇。泄水洞工程于1974年3月開工,當年7月初竣工。溢洪道于1977年2月開始土方開挖,當年10月底水庫工程基本結束。

水庫投入運行后不久,壩后左岸逢雨滑塌,淤塞河床,使壩后水位抬高,右壩肩在背水坡533.0 m～548.0 m出現明流。1989年11月曾進行劈裂灌漿處理,但效果不很理想,滲漏依然存在,右壩肩18 m平臺長期浸潤并有明水,常流量5 L/s～7 L/s,對壩體穩定很不利。從大壩安全評價綜合結論得知:該工程防洪標準既不能滿足GB50201-94要求防洪標準,又不能滿足水規[1989]21號文近期非常運用洪水標準[3]。通過土工試驗報告得知:原設計壩體下游排水體體積偏小,兩壩肩原狀黃土滲透系數大于壩體滲透系數,但又小于下游排水體滲透系數,因而兩壩肩產生了不同程度的繞壩滲漏。從現場取樣的室內試驗結果看:壩體土為含鈣質結核的中塑性黃土,平均干密度為1.65 g/cm3,但土樣中干密度有33%低于1.55 g/cm3,壩體土滲透系數接近 10-6cm/s數量級[4]。綜合以上因素,擬對該水庫進行除險加固,包括大壩加高、壩肩防滲處理、溢洪道和泄水涵洞加固等。

2 右壩肩防滲設計

根據地質報告和現場勘查,右壩肩壩0+140～0+210段存在繞壩滲漏,需進行工程處理。設計考慮了三種加固處理方案:(1)塑性混凝土防滲墻;(2)高壓擺噴防滲墻方案;(3)劈裂灌漿方案。各方案優缺點見表1所示。

表1 右壩肩防滲方案比較表

劈裂灌漿方案雖然造價低,施工方便,但由于水庫淤積高程達546.0 m,淤積面以下防滲處理范圍土體含水量達飽和,因此較難形成防滲泥墻。塑性混凝土防滲墻方案要求施工作業面大,需擺放較大的挖槽施工機械,施工難度較大,工程造價相對較高;高壓擺噴防滲墻方案要求施工平臺寬度適中,合理選用高素質的施工隊伍,能夠保證本工程的防滲要求,且該方案施工簡單方便,工程造價相對較低。經綜合分析比較,該工程采用高壓擺噴防滲墻較為合理[5]。

右壩肩設計防滲范圍位于壩0+140～0+210段,采用高壓擺噴防滲墻防滲,防滲墻頂線位于原壩頂上,高程561.5 m,防滲墻底線位于高程528 m～535 m之間,最大深度33.5 m,孔距1.3 m,在泄水洞處應加密并減壓,有效成墻厚度應大于0.3 m。根據《水電水利工程高壓噴射灌漿技術規范》(DL/T5200-2004),結合壩區地質情況,確定設計墻體指標為:抗壓強度R28＞3MPa,彈性模量＜1500MPa,滲透系數K＜10-6cm/s。

根據高壓噴射灌漿技術規范及設計要求,重要的地層復雜或深度較大的高噴墻工程,應選擇有代表性的地層進行高噴灌漿現場試驗。試驗宜采用單孔和不同孔距、排距的孔群進行,以確定高噴灌漿的方法及其適用性,求得最佳施工技術參數,從而保證工程質量。由于本工程部位地質條件單一,主要為黃土狀壤土及古土壤,且需灌漿處理區段連續,故依據規范和設計的各項技術參數及相關工程經驗,在將試驗段合理利用的原則下,在樁號0+190.5～0+210段沿壩頂中心線(設計擺噴中心線)按2.0 m、1.3 m、1.0 m三種孔距布孔,每種孔距布置5個孔,孔深均為26 m,共布置鉆孔15個,試驗段總長19.5 m。高壓擺噴灌漿試驗布置見圖1。

圖1 高壓擺噴灌漿試驗孔布置示意圖

經現場試驗及對試驗區段防滲墻墻體厚度、成墻對接連續情況、抗滲強度等檢測后,對原設計孔距、設計擺角等參數進行了適當的調整修正,修正后的擺噴參數見表2。

表2 白家窯水庫高壓擺噴灌漿施工技術參數

3 高壓擺噴灌漿施工

3.1 施工機械準備

考慮到高噴工作的緊迫性,設備配置上力求性能好,效率高的成套設備。主要施工設備配置見表3。

表3 高壓擺噴施工機械設備表

3.2 施工工藝流程

施工準備→確定孔位、鉆孔→高噴機就位→調整擺噴垂直度→供氣、供漿、供水,地面試噴→低壓供水、供漿、供氣,下噴管至設計深度→擺動提升噴射至設計高程→擺噴結束提出噴管→移開高噴臺車→補漿→進入下一流程(見圖2)。

3.2.1 布孔形式

采用三重管法鉆孔,分兩序施工,孔距1.3 m。鉆孔采用CM485鉆機配合壽力750高風壓空壓機,高壓擺噴成墻。其布孔形式見圖3。高噴灌漿分兩序施工,先施工一序孔,后施工二序孔。

圖2 施工工藝流程圖

圖3 布孔形式

3.2.2 孔位放樣

高壓噴射灌漿孔孔距為1.3 m,單排孔布置。

3.2.3 鉆機就位

設置在設計的孔位上并應保持垂直,施工時旋噴管的允許傾斜度不得大于1.0%。鉆機就位后進行水平、垂直校正,鉆桿應與樁位吻合,偏差控制在50mm內。鉆機采用CM485,配合壽力750高風壓空壓機。

3.2.4 鉆孔

造孔采用CM485鉆機,鉆孔方式采用 Φ 146套管跟管鉆進,鉆孔直徑為150mm,鉆孔深入基巖或相對不透水層1.0 m。鉆孔時鉆機要平穩,開孔孔位要準確,滿足孔位偏差要求時方可開鉆。鉆孔垂直度偏差≤1%,確保高噴管能順利導入孔底。

3.2.5 高噴機就位

高壓噴射灌漿采用GP-50高噴臺車和GZB-40BW高壓泵進行灌漿,噴管直徑為Φ 89;臺車塔架全部升起高18 m,在塔架范圍內禁止其它作業,并安排專人進行檢查。

3.2.6 地面試噴,下入孔內

噴漿臺車立架高度18 m,提升速度調整的范圍是:6cm/min～8cm/min,噴嘴通過旋擺器定向,噴管采用三條噴射管,噴嘴直徑1.7mm～2.0mm,可使漿、氣、水同時噴射。

在噴射作業時,當噴射管下到設計深度并對準噴射方向后先靜噴3 min～5 min,送入漿液并按規定的速度提升,擺角為40°,待達到設計高度后停止送漿、送氣并提出噴管。為防止噴嘴堵塞,在下入噴射管前先送水對噴嘴進行檢查,且在下入噴射管時帶壓縮空氣送入或用不干膠帶纏繞噴嘴。

若因故停噴后重新恢復施工前,將噴頭下放50cm,采取重疊搭接噴射處理。停機超過3 h時,應對泵體輸漿管路進行清洗后方可繼續施工。噴射作業時,應將該孔的反漿排入上一孔中進行回灌,直到漿液面穩定為止。在黏土層或淤泥層內進行噴射時,不準將冒漿進行回灌。當噴射完成后應及時將各管路沖洗干凈,不得留有殘渣以防管路堵塞。

3.3 特殊情況處理

白家窯水庫高噴灌漿施工中,在造孔和高噴灌漿施工過程中出現過幾次漏漿、串孔、灌漿中斷等情況,對不同情況采取了相應的處理措施。實踐證明處理措施實用可行,保證了進度也保證了質量。

3.3.1 漏漿處理措施

施工中,個別孔位處由于地層中土層結構松散、密實度差,且存在少量的滲透通道,在造孔及高噴灌漿時漏漿嚴重,孔口返漿量少。在漏漿地段,鉆孔時加大了泥漿濃度,泥漿中摻加了適量的火堿等堵漏材料。灌漿中發生漏漿后,采取了降低提升速度、在漿液中摻人速凝劑、加大漿液密度或水泥黏土漿等措施。采取以上措施但孔口返漿量仍舊很小時,停止噴射管的提升,降低噴射壓力和流量,待處理到孔口返漿量正常后再保持正常擺噴灌漿。

3.3.2 串孔的處理措施

在0+257壓力洞處曾出現了相臨鉆孔間的串漿現象。通過對被串孔的孔口回漿進行測試,發現串漿孔的回漿比重較大,影響灌漿孔的正常返漿量,因此,采取了將串漿孔孔口開挖至一定深度后封閉并壓重,降低漿液外滲量,以保證灌漿孔的正常返漿量。灌漿孔結束后,盡快對串漿孔進行復鉆并完成灌漿。

3.3.3 灌漿突然中斷后處理措施

在施工中,因機械故障、突然停電等原因,曾發生過多次的灌漿突然中斷。對突然中斷灌漿的施工孔,盡快消除中斷因素,及早恢復施工,對中斷時間超2 h的孔段,進行掃孔后重新灌漿,中斷時間2 h內的孔段,重新開噴后按規范要求進行復噴處理,復噴搭接長度不得小于0.5 m。

3.3.4 凹穴的處理

噴射灌漿后漿液逐漸凝固,通常會出現由于表面析水沉淀而出現不同程度的下陷形成凹穴,處理的具體方案是向凹穴內間斷的注入漿液2～3次,待漿液凝結后用壤土夯填。

4 高壓擺噴防滲墻質量檢驗

工程高噴灌漿施工結束后,采取了大開挖直觀檢查和防滲墻體取芯實驗室檢測方法對高噴防滲墻質量進行了檢測。大開挖直觀檢查:即沿擺噴防滲墻體兩側進行了開挖,挖深一般2.0 m～2.5 m。用肉眼直觀檢查噴射效果及墻體銜接情況,在不同部位檢查墻體厚度、強度等項指標,共開挖了3段19m長,板墻對接完好,成墻最小厚度＞30cm。取芯實驗室檢測:在高噴防滲墻樁號 0+150、0+162、0+175、0+182、0+190、0+196 處共取芯 6 組,檢測結果高噴墻體滲透系數 k為 1.1×10-7cm/s～9.08×10-8cm/s,小于設計滲透系數值10-6cm/s,質量滿足設計要求,國家驗收合格。

5 結 語

該工程加固中抓住了從勘測設計到施工檢驗各個環節,建成兩年來,經過枯水季節缺水和汛期行洪考驗,其截滲效果相當好。在今后類似工程中應該著重把握好以下幾點:第一,加固工程在確定加固方案前,一定要對加固方案進行技術論證,經專家評審確認高噴灌漿是最佳方案時,采用該項技術才會收到最好效果[6]。第二,高噴灌漿屬于地下隱蔽工程,對施工參數必須嚴格控制才能保證施工質量。其中,高噴管的提升速度、高壓水的壓力、水泥漿液的比重、回漿量等是高噴施工控制的關鍵。第三,控制好高噴管的提升速度及充分利用回漿是節約水泥消耗量的關鍵,在礫石層、卵石層中,由于地層的滲透性強,高噴管的提升速度不能太快,一般為7cm/s～12cm/s,在沒有回漿的地段要停止提升直到有回漿出現。第四,鉆孔是影響高噴灌漿施工進度的關鍵,尤其是在砂卵石層中鉆孔,進尺較慢,鉆孔護壁難度較大,容易出現塌孔。可考慮使用沖擊回轉鉆進方法提高造孔速度,采用泥粉或純粘土濃漿進行鉆孔護壁[7]。

[1]中國水利水電基礎工程局.DLT 5200-2004.水電水利工程高壓噴射灌漿技術規范[S].北京:中國電力出版社,2004.

[2]張愛華.高壓噴射灌漿在新疆某水庫除險加固中的應用[J].水利與建筑工程學報,2010,8(5):57-59.

[3]王林霞,鄧文君.陜西省扶風縣白家窯水庫大壩安全論證總報告[R].2000:14.

[4]唐倫.陜西省扶風縣白家窯水庫土壩安全鑒定土工試驗報告[R].2000:5-6.

[5]黃士典,薛杰軍,等.陜西省扶風縣白家窯水庫除險加固工程初步設計報告[R].2005:42.

[6]何慶海,王明森.高壓噴射灌漿技術近期發展及存在問題[C]//2004水利水電地基與基礎工程技術——中國水利學會地基與基礎工程專業委員會2004年學術會議論文集,2004:521.

[7]魏雪瑩,姜慧玲,李紅艷,等.高壓擺噴灌漿技術在三刀水庫工程中的應用[J].內蒙古水利,2008,(2):85-86.