三管高壓旋噴防滲墻在溪兜水庫除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用

王瑞鑫

(福州市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350000)

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三管高壓旋噴防滲墻在溪兜水庫除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用

王瑞鑫

(福州市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350000)

溪兜水庫距今已運(yùn)行30多年，為當(dāng)?shù)匕l(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，但是由于運(yùn)行年限較長(zhǎng)，水庫存在滲漏等問題，需對(duì)壩體進(jìn)行除險(xiǎn)加固。文章從水庫存在的滲漏問題出發(fā)，經(jīng)過方案比選，介紹了三管高壓旋噴防滲墻在除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范和計(jì)算軟件得出：采用三管高壓旋噴防滲墻方案可以良好解決壩體滲透及穩(wěn)定性問題。

溪兜水庫；除險(xiǎn)加固；防滲墻；三管高壓旋噴；方案比選

1　工程概況

溪兜水庫位于閩侯縣青口鎮(zhèn)聯(lián)豐村相思嶺下和福清市紅星村交界處，緊靠福廈公路。水庫于1973年9月開工興建，主體工程于1977年5月完成，并于1981年9月竣工。所在河流為仙井底溪，長(zhǎng)約5.1km，平均坡降47.5‰。溪兜水庫是一座以供水為主結(jié)合灌溉和防洪等綜合利用的小(1)型水庫。該庫下游涉及青口鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、汽車城、福廈公路以及福廈高速公路等重要設(shè)施。水庫供下游一座日產(chǎn)1萬噸水廠，灌溉面積為達(dá)366.7 hm2。水庫距今已運(yùn)行30多年，存在諸多問題，需對(duì)水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固以保證水庫的正常運(yùn)行。

2　水庫滲漏分析

經(jīng)過多年運(yùn)行，大壩迎水坡部分生有雜草，同時(shí)壩頂及背水坡雜草叢生，雜草根系雖能保持壩體表面土體，但是叢生雜草易因自然衰亡而導(dǎo)致透水性增強(qiáng)；同時(shí)大壩壩體有白蟻活動(dòng)，白蟻是一種穴生昆蟲，數(shù)量眾多，聚集在一起可使壩體內(nèi)形成網(wǎng)狀通道，從而導(dǎo)致壩體滲漏。

在實(shí)地勘察過程中發(fā)現(xiàn)放水涵洞漏水明顯，原因是運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，建筑材料老化和被沖刷，從而也導(dǎo)致了壩體滲漏，為局部滲漏。大壩下游護(hù)坡存在明顯濕坡現(xiàn)象，標(biāo)明壩體滲漏。大壩因建造時(shí)間早同時(shí)考慮到歷史原因，大壩未安裝位移觀測(cè)設(shè)施，即沒有沉陷位移、測(cè)壓管和壩后量水堰等觀測(cè)設(shè)施，顯示出大壩不確定因素明顯存在。

2.1防滲加固設(shè)計(jì)

水庫大壩原保壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50 a一遇設(shè)計(jì)，500 a一遇校核，本次設(shè)計(jì)總庫容為251.27 萬 m3，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252—2000)規(guī)定，為小(1)型水庫，屬Ⅳ等工程，攔河壩等主要永久性建筑物為4級(jí)。本次設(shè)計(jì)洪水采用50 a一遇洪水設(shè)計(jì)，500 a一遇洪水校核。

2.2方案比選

根據(jù)對(duì)現(xiàn)狀大壩的滲流穩(wěn)定安全復(fù)核和分析結(jié)果，對(duì)壩體滲透坡降超出允許坡降的不足，擬采用建垂直防滲墻，并與壩基緊密結(jié)合的防滲加固方法。初步擬定采用三管高壓旋噴防滲墻、C15塑性低彈模混凝土防滲墻二種防滲方案進(jìn)行比選。

三管高壓旋噴防滲墻。三管高壓旋噴的原理與單管高壓旋噴一樣，以高壓形成噴射流沖擊破壞土體，噴射出的漿液與土體混合摻攪，在土體中形成凝結(jié)體。三管法是使用分別輸送水、氣、漿三種介質(zhì)的三管，在壓力達(dá)到30～60MPa(我國一般在30～50MPa)左右的超高壓水噴射流的周圍，環(huán)繞一股0.7～0.8MPa左右的圓筒狀氣流，利用水氣同軸噴射，沖切土體，再另由泥漿泵注入壓力為0.1～1.0MPa，漿量為50～80 L/min的稠漿。漿液可采用水泥漿或黏土水泥漿。新三管法除了利用高壓水沖擊切割底層外，還利用約40MPa的高壓漿液進(jìn)行充填，可以形成較大的樁徑。根據(jù)土層的性質(zhì)其樁徑可達(dá)到1.0～1.5m，本次除險(xiǎn)加固按1.0m進(jìn)行鉆孔布置。三管高壓旋噴防滲墻雖然造價(jià)較單、雙管高，但可形成止水帷幕樁，防滲效果較前兩者好。

C15塑性低彈模混凝土防滲墻。采用“兩鉆三抓”形成一期槽孔，“兩步法”形成二期槽孔，采用黏土泥漿固壁來防止槽孔坍塌，泥漿下直升導(dǎo)管法澆筑混凝土，澆筑完成后形成混凝土防滲墻。具體施工方法如下：①一期槽孔施工，首先采用兩臺(tái)沖擊反循環(huán)鉆機(jī)鉆槽孔兩端的先導(dǎo)孔，接下來采用液壓抓斗抓取先導(dǎo)孔之間的土體，完成之后再采用鉆機(jī)沖鉆，并深入巖基0.5m；②二期槽孔施工，使用沖擊反循環(huán)鉆機(jī)和相配套的雙反弧接頭施工工具采用兩步法進(jìn)行成槽，并深入巖基0.5m；③固壁施工，固壁材料采用浸泡后的黏土，用立式高速攪拌機(jī)制漿。當(dāng)抓斗或鉆機(jī)成槽達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，先進(jìn)行清淤處理直到符合槽孔驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，接著下設(shè)導(dǎo)管進(jìn)行清孔換漿，先把導(dǎo)管下至孔底，然后用泵把泥漿經(jīng)導(dǎo)管送至孔內(nèi)，使得漿液流動(dòng)攜帶鉆渣出槽孔，以達(dá)到清孔換漿的目的；④混凝土澆筑，混凝土拌和采用錐形反轉(zhuǎn)出料混凝土拌和機(jī)集中拌和，澆筑采用直升導(dǎo)管法。成墻后，滲透系數(shù)可達(dá)1×10-7cm/s，28d抗壓強(qiáng)度R28>9.0MPa。

兩種方案技術(shù)參數(shù)比較見表1。

表1　防滲處理方案技術(shù)參數(shù)比較表

方案一具有造墻深>30m，質(zhì)量穩(wěn)定，施工工期短，防滲效果較好，投資費(fèi)用較低，其噴射形成的防滲體與巖石界面結(jié)合緊密等優(yōu)點(diǎn)，我省中小型水庫除險(xiǎn)加固較多采用此方案。方案二成墻深度深，厚度大，成墻具有較好的塑性，適應(yīng)壩體變形能力較好，可直接進(jìn)入全、強(qiáng)、弱風(fēng)化基巖，施工成槽可視，澆筑混凝土較直觀，分段長(zhǎng)，接頭較少。但投資費(fèi)用較高，所需施工場(chǎng)地范圍較大，工藝環(huán)節(jié)較多，要求較高的技術(shù)能力和管理水平，進(jìn)入壩基施工后壓力大，對(duì)壩體產(chǎn)生一定的震動(dòng)，施工進(jìn)度較慢。綜合比較，方案一投資較低，可灌性好，可控性好，連接可靠，機(jī)動(dòng)靈活，適應(yīng)地層廣、深度較大、施工場(chǎng)地要求不高，施工技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，防滲效果好，有成熟的施工經(jīng)驗(yàn)[1]。因此本設(shè)計(jì)推薦方案一，壩體采用三管高壓旋噴防滲墻。

2.3方案實(shí)施

根據(jù)方案比選結(jié)果，本次設(shè)計(jì)就壩體防滲問題擬采取三管高壓旋噴水泥防滲墻來進(jìn)行處理，同時(shí)對(duì)舊涵洞進(jìn)行封堵，并在右岸山體新建放水隧洞。針對(duì)溪兜水庫大壩不高(最大壩高30.5m)的情況，防滲墻最大深度31m，防滲墻平均深度20m。

高壓旋噴樁水泥防滲墻設(shè)計(jì)。沿壩軸線設(shè)一排三管高壓旋噴樁，有效樁徑φ1.0m，孔距0.8m，旋噴樁范圍為樁號(hào)(壩左0+000)至樁號(hào)(壩0+200)，孔深至基巖下0.5m，高壓旋噴樁施工時(shí)應(yīng)注意涵洞位置，并沿涵管兩側(cè)加密。

1)防滲墻厚度。防滲墻墻體厚度主要由結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗?jié)B強(qiáng)度、耐久性及施工條件等確定。對(duì)于抗?jié)B強(qiáng)度，墻厚t應(yīng)滿足下式：

(1)

式中：H為上下游水頭差；[J]為防滲填料允許水力梯度。

混凝土防滲墻允許水力梯度80。經(jīng)過計(jì)算大壩混凝土防滲墻需要厚約0.4m，三管高壓旋噴樁徑1.0m，孔距0.8m，理論成墻厚度0.6m，滿足要求。

2)漿液配置。高壓旋噴灌漿漿液采用32.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥漿。漿液的水灰比為1.5:1～0.6:1(密度約為1.4g/cm3～17.g/cm3)。

3)有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。噴射注降方法：三重管旋噴法；水壓力：≥35MPa，流量75 L/min；氣壓力：0.8MPa，風(fēng)量1.0m3/min；漿流壓力：0.3～0.5MPa，流量80 L/min；提升速度：8～10cm/min；旋轉(zhuǎn)速度：10r/min。以上設(shè)計(jì)參數(shù)，開工前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)所取得的符合實(shí)際情況的施工技術(shù)參數(shù)進(jìn)行修正。

4)要求水泥土固結(jié)體的28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于500kpa，滲透系數(shù)小于10-7cm/s數(shù)量級(jí)。

5)旋噴樁范圍為主壩全壩段。

3　除險(xiǎn)加固效果分析

3.1大壩滲流

本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)大壩滲流計(jì)算，計(jì)算參數(shù)采用2012年12月福建省力巖巖土工程有限公司提供的《閩侯縣溪兜水庫除險(xiǎn)加固工程地質(zhì)勘察報(bào)告》中的滲透系數(shù)以及臨界水力坡降，水泥旋噴樁防滲墻滲透系數(shù)為1.0×10-7m/s。計(jì)算斷面選用最大斷面進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算依據(jù)的規(guī)范是《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)。滲流計(jì)算過程采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所編寫的“水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)(AutoBANKv 5.6)”計(jì)算程序，該程序?yàn)榧尤脒吔鐥l件后應(yīng)用有限元進(jìn)行分析[2]。副壩因壩底高程高于死水位因此在計(jì)算中不計(jì)算死水位工況。主壩考慮5種工況：工況Ⅰ：上游水位為死水位84.8m，下游無水；工況Ⅱ：上游水位為正常蓄水位99.3m，下游無水；工況Ⅲ：上游水位為設(shè)計(jì)洪水位101.40m，下游無水；工況Ⅳ：上游水位為校核洪水位102.14m，下游無水；工況Ⅴ：上游水位為校核洪水位102.14m驟降至99.30m，下游無水。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　大壩滲流計(jì)算結(jié)果(主壩)

從上表成果可知，①經(jīng)過加固后大壩理論的單寬滲流量比加固前小較多。②大壩加固后在各種工況下，最大水力坡降均小于允許水力坡降。③在各種工況下，加固后壩體浸潤線明顯降低，防滲墻后的壩體浸潤線溢出點(diǎn)位置很低，說明水泥防滲墻的防滲效果較好，解決了壩體滲漏問題。

3.2壩體穩(wěn)定性

本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)大壩穩(wěn)定計(jì)算，本次穩(wěn)定計(jì)算主要采用河海大學(xué)編制的“土石壩邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)(HH-SLOPE R1.2)”程序進(jìn)行計(jì)算，該軟件按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)編制，土料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用快剪指標(biāo)。在進(jìn)行壩坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，特征水位采用本次洪水復(fù)核后的成果，設(shè)計(jì)水位101.40m，校核水位102.14m；計(jì)算斷面選取最大斷面；土料的物理力學(xué)指標(biāo)參考算參數(shù)采用2012年12月福建省力巖巖土工程有限公司提供的《閩侯縣溪兜水庫除險(xiǎn)加固工程地質(zhì)勘察報(bào)告》中物理力學(xué)指標(biāo)。計(jì)算工況及結(jié)果見表3。

表3　大壩計(jì)算工況及穩(wěn)定安全系數(shù)(主壩)

從表3可知，主壩上、下游壩坡在各種工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

4　結(jié)　語

溪兜水庫運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，壩體存在諸多問題，本文通過對(duì)水庫存在問題進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出兩種設(shè)計(jì)方案，通過方案比較，三管高壓旋噴防滲墻在造價(jià)及施工難度方面具有優(yōu)勢(shì)，作為設(shè)計(jì)方案。本文對(duì)防滲措施進(jìn)行了較為深入的分析，且根據(jù)相應(yīng)規(guī)范和計(jì)算軟件得出：采用三管高壓旋噴防滲墻方案可以良好解決壩體滲透及穩(wěn)定性問題。本文結(jié)果可以為類似工程提供一定的參考。

[1]王勇.振動(dòng)射沖混凝土防滲墻在水庫中的應(yīng)用[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2014(01)：89-91.

[2]吳華歡.簡(jiǎn)論水利水電工程中混凝土防滲墻施工技術(shù)[J].中華民居：下旬刊，2013(12)：99-102.

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2016-03-18

王瑞鑫(1982-)，福州永泰人，工程師，研究方向?yàn)樗姽こ獭?/p>

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