水電站混凝土圍堰高壓固結(jié)灌漿技術(shù)研究

李星寧

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

水電站的建設(shè)實(shí)際上是一項(xiàng)十分復(fù)雜且繁瑣的工程，具有較強(qiáng)的變動(dòng)性。在設(shè)計(jì)初期，考慮到日常工作的關(guān)聯(lián)性，需要水電站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及承壓效果作出設(shè)定，使用時(shí)還需要對(duì)其他外部影響因素進(jìn)行排除，確保施工建設(shè)的順利完成[1]。一般情況下，水電站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均是由混凝土建設(shè)為主，利用特定的技術(shù)以及施工環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的建設(shè)[2]。在這個(gè)過程之中，往往離不開圍堰技術(shù)的輔助。圍堰灌漿是水電站建設(shè)過程中的一項(xiàng)臨時(shí)建筑物，在施工的過程中，可以十分有效地對(duì)內(nèi)部建筑作出永久性的保護(hù)，同時(shí)還可以排水，發(fā)揮出極強(qiáng)的防護(hù)作用，屬于臨時(shí)性的圍護(hù)防控結(jié)構(gòu)[3]。它的主要作用是防水防土，對(duì)深基坑起到一定的保護(hù)作用[4]。

近幾年來，隨著我國建筑技術(shù)以及模式的升級(jí)與更新，部分水電站的建設(shè)效果有所提升，在實(shí)際施工的過程中，圍堰高壓固結(jié)灌漿技術(shù)的應(yīng)用也為施工人員提供了較大的便利[5]。高壓固結(jié)灌漿處理與圍堰的建設(shè)具有較強(qiáng)的聯(lián)系，因此在處理的過程中，需要實(shí)現(xiàn)構(gòu)建輔助性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，結(jié)合施工的要求，制定具體的灌漿方案[6]。對(duì)水電站混凝土圍堰高壓固結(jié)灌漿技術(shù)進(jìn)行分析與研究。考慮到分析結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，本文會(huì)選取較為真實(shí)的環(huán)境，構(gòu)建穩(wěn)定、靈活的高壓灌漿結(jié)構(gòu)，以水電站的日常工作項(xiàng)目為引導(dǎo)，對(duì)圍堰的整體設(shè)計(jì)作出更為精準(zhǔn)的調(diào)整與更改，獲取更好的處理效果，提升水電站未來的綜合應(yīng)用能力。

1 水電站混凝土圍堰高壓固結(jié)灌漿技術(shù)探究

1.1 無蓋重承壓預(yù)處理

在對(duì)水電站混凝土圍堰高壓固結(jié)灌漿處理之前，結(jié)合施工建設(shè)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無蓋重承壓的預(yù)處理[7]。水電站的建設(shè)規(guī)模通常都是較大的。超重量的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間也存在極大的關(guān)聯(lián)，需要固結(jié)灌漿的部位也很多，需要對(duì)連接處預(yù)處理[8]。將關(guān)聯(lián)墻體根據(jù)承壓的能力增至3.5m厚，在壩基兩側(cè)的約束區(qū)預(yù)留出灌漿的位置[9]。

這部分需要提前劃定，并明確灌漿的高度與深度，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)凝固時(shí)間。由于部分水電站在施工時(shí)，混凝土?xí)艿綔囟取⑻鞖獾韧獠恳蛩氐挠绊懀坏┩Ｖ箶噭?dòng)，便無法達(dá)到預(yù)期的灌漿質(zhì)量。同時(shí)，對(duì)于灌漿層所產(chǎn)生的保溫效果也會(huì)受到影響，可以在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，設(shè)定承壓截面，將固定好的灌漿層中逐一貫穿在關(guān)聯(lián)墻的裂縫、塑性裂縫之中，填平混凝土的內(nèi)部空間，利用灌漿變形模具，測(cè)定無蓋重延伸距離，公式(1)如下所示：

Q=(3n-0.1)+2f

(1)

式中，Q—無蓋重延伸距離，m；n—承壓截面面積，m2；f—圍堰增加寬度，m。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的無蓋重延伸距離[10]。在混凝土圍堰的兩側(cè)，根據(jù)得出的距離值，設(shè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)，形成一道完整的承重?zé)o蓋結(jié)構(gòu)，在壩體基巖強(qiáng)度的影響之下，可以為后續(xù)的固結(jié)灌漿處理營(yíng)造更便利的環(huán)境。

1.2 圍堰壩基升壓

大型水電站的壩基建設(shè)必須穩(wěn)固，具有較強(qiáng)的承載能力，這樣在實(shí)際應(yīng)用的過程中，才能更好地確保自身的穩(wěn)定性與安全程度。而壩基升壓是為了在結(jié)固灌漿處理之前，增加堤壩的壓強(qiáng)，對(duì)站內(nèi)的水流加強(qiáng)控制。可以將水電站大壩的基礎(chǔ)帷幕承載水頭設(shè)定為124～155m之間，計(jì)算出壩基凈水頭的單元承壓量，公式(2)如下所示：

(2)

式中，A—壩基凈水頭的單元承壓量，kPa；x—二段帷幕深度，m；b—單元承壓距離，m。通過上述計(jì)算，最終可以完成對(duì)壩基凈水頭的單元承壓量的計(jì)算。此時(shí)，依據(jù)圍堰的高度，實(shí)現(xiàn)壩基的升壓。

具體的升壓層級(jí)劃定為幾個(gè)部分，最為關(guān)鍵的便是中層、初級(jí)壓力和頂層壓力，在頂層壩基的接觸面之上，修建灌漿圍護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)定單排帷幕[11]，在不同的壓力層級(jí)之下，設(shè)定對(duì)應(yīng)的灌漿目標(biāo)，灌漿的深度會(huì)隨著升壓的變化而發(fā)生改變，選取核心灌漿點(diǎn)，明確加固標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)。

1.3 振沖加密填拋

在完成對(duì)圍堰壩基升壓之后，接下來，需要進(jìn)行振沖加密填拋的處理。水電站的混凝土結(jié)構(gòu)在二期處理時(shí)，對(duì)于圍堰的填充一般會(huì)采用花崗巖、風(fēng)化砂或者石灰?guī)r等一類堅(jiān)硬的巖石，采用雙向拋填的方式，以干填碾壓為輔助。在施工中，對(duì)填充的材料進(jìn)行密實(shí)處理，深基坑的挖掘高度也需要與水電站的極限水深成正比例關(guān)系。在基坑與承壓結(jié)構(gòu)交界處的側(cè)方，對(duì)承壓截面鉆孔，利用加密施工技術(shù)，計(jì)量?jī)?nèi)部巖體形變后的拋填曲線值，公式(3)如下所示：

(3)

式中，J—拋填曲線值；v—干填寬度，m；u—加密系數(shù)。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的拋填曲線值。依據(jù)壩基的拋填曲線距離，劃定振沖加密的區(qū)域。此時(shí)水電站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)處于一致變動(dòng)的狀態(tài)，具有關(guān)聯(lián)性，為了避免出現(xiàn)損毀性的問題，需要增加密實(shí)度，采用振鉆一體化的噴灌振入，在防滲結(jié)構(gòu)中增加固壁材料[12]，同時(shí)預(yù)埋灌漿鋼管，在結(jié)構(gòu)固定位置鉆孔，加強(qiáng)關(guān)聯(lián)墻的防護(hù)效果。控制成本的同時(shí)，還提升了灌漿的作用范圍。

1.4 圍堰高噴灌漿處理

在完成對(duì)振沖加密填拋之后，需要在預(yù)設(shè)建設(shè)范圍之內(nèi)，進(jìn)行圍堰高噴灌漿處理。圍堰構(gòu)建與水電站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，高噴灌漿可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)固性，尤其適合水電站一類的建設(shè)施工處理。調(diào)節(jié)灌漿的密度，與圍堰兩側(cè)上下部分的結(jié)構(gòu)形成搭接，此時(shí)水電站的防滲措施與結(jié)構(gòu)均依靠粘土心墻，在高壓的作用環(huán)境之下，計(jì)算出搭接灌漿的范圍，具體公式(4)如下所示：

(4)

式中，Z—搭接灌漿的范圍，m2；D—承壓?jiǎn)卧籗—兩側(cè)寬度，m；w—心墻高度，m。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的搭接灌漿范圍。設(shè)置高噴灌漿輔助結(jié)構(gòu)，在圍堰的基底處，填充入漿體，并構(gòu)建圍堰界面，實(shí)現(xiàn)層級(jí)雙向搭接。為了提升整體的圍堰灌漿止水效果，還可以把高噴漿液噴射入心墻的裂縫之中，并依據(jù)防水需求，增加低水圍堰的防滲高度，大致范圍在1.45～5.35m之間即可。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，利用交叉填埋的方式，填筑層級(jí)砂卵石料，增強(qiáng)粘土心墻的內(nèi)部穩(wěn)固性，完成圍堰高噴灌漿的處理與施工。

1.5 混凝土圍堰高壓灌漿找平

在完成對(duì)圍堰高噴灌漿的處理之后，根據(jù)后續(xù)的灌漿環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)混凝土圍堰高壓灌漿找平處理。在水電站固結(jié)灌漿的過程中，需要在混凝土核心位置鉆孔，與圍堰帷幕保持一致。在特殊的條件之下，外部因素對(duì)于圍堰的灌漿效果會(huì)出現(xiàn)差異，最為關(guān)鍵的便是結(jié)構(gòu)失衡這一問題。但是，高壓灌漿會(huì)造成混凝土塌陷、斷裂，嚴(yán)重的甚至?xí)斐杀浪默F(xiàn)象。所以，需要在高壓灌漿施工中，實(shí)施找平建設(shè)處理。可以用填塘式的澆筑方法，將混凝土的承壓截面增加至30～40cm厚，對(duì)于澆筑表面凸凹不平的基巖作出磨平處理，最大程度地避免串漿、冒漿等問題出現(xiàn)。在壩基兩側(cè)的約束區(qū)，測(cè)定找平強(qiáng)度，并設(shè)定找平層級(jí)，填平裸露區(qū)域，具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壩基混凝土圍堰找平圖示

根據(jù)圖1，可以完成對(duì)壩基混凝土圍堰的灌漿找平。為了降低封閉、蓋重效應(yīng)，還可以預(yù)埋澆筑和固結(jié)灌漿的承接面，最終完成混凝土圍堰高壓灌漿的找平處理。

1.6 承臺(tái)多灌樁頭關(guān)聯(lián)完成圍堰高壓固結(jié)灌漿

在完成對(duì)混凝土圍堰高壓灌漿找平處理之后，接下來，采用承臺(tái)多灌樁頭關(guān)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)圍堰高壓固結(jié)灌漿。多灌樁頭是水電站的綜合承壓?jiǎn)卧O(shè)計(jì)樁頂并在樁頂以下用混凝土加固，形成平臺(tái)狀，在此基礎(chǔ)之上，嵌入承臺(tái)與核心梁樁的頂端形成垂直，利用鋼筋營(yíng)造穩(wěn)定的高壓固結(jié)區(qū)域，將不同方向的樁頭連接在一起，加強(qiáng)截面的承壓效果如圖2所示。

圖2 承臺(tái)多灌樁頭關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)圖2，可以完成對(duì)承臺(tái)多灌樁頭關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。此時(shí)的圍堰基本已經(jīng)完成灌漿處理，隨機(jī)在建設(shè)的過程中，逐步對(duì)承臺(tái)的寬度與厚度進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)圍堰高壓固結(jié)灌漿處理。

2 實(shí)例分析

本次主要是對(duì)水電站混凝土圍堰高壓固結(jié)灌漿技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析與驗(yàn)證。考慮到測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，測(cè)定以比照的形式展開，在相同的測(cè)試環(huán)境之下分析與驗(yàn)證。

2.1 D水電站圍堰灌漿施工現(xiàn)狀分析

D水電站是一座大型地跨河流高層級(jí)的建設(shè)工程，在施工初期，預(yù)設(shè)的軸線上游大致為75m，軸線全長(zhǎng)為259.55m。在水電站地側(cè)上方，為了降低水流對(duì)于承壓墻體的沖擊力與侵蝕，需要修建填筑土石的圍堰。與傳統(tǒng)類型的圍堰對(duì)比，填筑土石的圍堰地防護(hù)范圍以及控制節(jié)點(diǎn)相對(duì)更為廣泛，具有更強(qiáng)的抵御效果。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，對(duì)于水電站混凝土結(jié)構(gòu)的連接更加緊密，確保橫縱雙向距離一致。左岸的水流湍急，沖擊力更強(qiáng)一些，所以，混凝土圍堰的整體厚度較大，采用C15混凝土，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的連接。經(jīng)過調(diào)研可知，D水電站的水流量為2360m3/s，上下游地水位較難控制，一般在138.60m左右。橫縱圍堰的頂寬設(shè)定為6.5m和8.5m。填筑土石圍堰在修建過程中整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的把控較難，不僅如此，土石圍堰的特征雖然是阻擋砂石，加大承壓效果，但是由于D工程水電站的規(guī)模較大，內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)的粘土斜墻較為固定，使得水電站的日常應(yīng)用出現(xiàn)偏差，影響工作質(zhì)量。在灌漿的過程中，對(duì)于承壓截面和關(guān)聯(lián)墻的處理也并不規(guī)范，后期施工中出現(xiàn)斷裂、崩塌等問題，影響實(shí)際施工進(jìn)程。

2.2 D水電站圍堰灌漿處理實(shí)證

經(jīng)過上述對(duì)D水電站工程施工現(xiàn)狀的分析與研討，接下來，對(duì)其灌漿效果進(jìn)行更為具體的實(shí)證。設(shè)定電站高壓內(nèi)承參數(shù)，具體見表1。

表1 水電站高壓內(nèi)承參數(shù)預(yù)設(shè)表

根據(jù)表1，可以完成對(duì)水電站高壓內(nèi)承參數(shù)的預(yù)設(shè)。接下來，在高壓的環(huán)境之下，進(jìn)行開挖檢測(cè)。在土石圍堰的密室圍體中，關(guān)聯(lián)高噴墻的內(nèi)側(cè)，最大程度上提高水電站防滲的效果，可以采用臨江側(cè)，也就是單側(cè)開挖的方式，在墻體周圍開孔，形成對(duì)稱的軸線，測(cè)定土石圍堰的整體程度，同時(shí)計(jì)算單相承壓軸線的距離，如公式(5)所示：

(5)

式中，H—單相承壓軸線距離，m；d—延申長(zhǎng)度，m；e—孔距軸線比。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的單相承壓軸線距離。預(yù)設(shè)D水電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要灌漿的區(qū)域，以單相承壓軸線距離作為核心灌漿節(jié)點(diǎn)，在原本的距離基礎(chǔ)之上，采用反鏟開挖的形式，增加孔距，使各孔段向外延伸0.5m。

與此同時(shí)，承壓截面的壓力會(huì)發(fā)生改變，可以在水電站的防滲結(jié)構(gòu)中，增加層級(jí)向壓架構(gòu)，并控制滲透系數(shù)，一般需要控制在0.42～0.75之間，對(duì)于整體的土石圍堰會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的加固作用，進(jìn)一步穩(wěn)定整體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)于水電站的關(guān)聯(lián)部分，也具有同樣的加固作用。隨即測(cè)定D水電站需要加固灌漿的位置，并核定此時(shí)土石圍堰的承壓值，根據(jù)滲透系數(shù)檢測(cè)透水率，依據(jù)轉(zhuǎn)換格式換算沖擊力，實(shí)現(xiàn)雙向灌漿，在預(yù)設(shè)的環(huán)境之下，計(jì)算出D水電站灌漿的段長(zhǎng)，如公式(6)所示：

(6)

式中，G—灌漿段長(zhǎng)，m；E—滲透系數(shù)；c—灌漿壓力值，kPa。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的灌漿段長(zhǎng)，在此距離范圍之內(nèi)，調(diào)整水電站截面的承壓程度如圖3所示。

圖3 水電站截面灌漿承壓程度圖示

根據(jù)圖3，可以完成對(duì)水電站截面灌漿承壓程度的控制。此時(shí)，可以計(jì)算獲取水電站的灌漿透水率，如公式(7)所示：

(7)

式中，T—灌漿透水率，%；m—滲透距離，m；r—加固總比值。通過上述計(jì)算，可以得出實(shí)際的灌漿透水率。將得出的結(jié)果比照分析見表2。

表2 測(cè)試結(jié)果比照分析表

根據(jù)表2，可以完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析：與基礎(chǔ)的加固灌漿測(cè)試組相對(duì)比，高壓固結(jié)灌漿測(cè)試組最終得出的透水率相對(duì)較低，表明在實(shí)際施工中，灌漿加固的效果更佳，透水量得到了極大地控制，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值與意義。

3 結(jié)語

本文研究的高壓固結(jié)灌漿技術(shù)在水電站混凝土圍堰的施工中得到較好的效果。能夠提高水電站混凝土圍堰的防滲性和穩(wěn)定性，采用雙向定點(diǎn)固結(jié)的灌漿模式，減少混凝土結(jié)構(gòu)中的氣泡，從多個(gè)方面提升水電站截面的承壓能力。但是由于時(shí)間限制，本文未能夠?qū)υ撍娬净炷羾呤┕ず蟮某休d力進(jìn)行測(cè)試。因此，在接下來的研究中，將對(duì)通過一系列的承載力測(cè)試，來驗(yàn)證高壓固結(jié)灌漿技術(shù)的優(yōu)越性，以期建設(shè)更為堅(jiān)固、穩(wěn)定的水電站圍堰，為水利工程建設(shè)提供技術(shù)支持。