高壓擺噴灌漿技術(shù)在水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

侯秀娟,張新利,伏曉娟

(1.陜西省扶風(fēng)縣水利局,陜西 扶風(fēng) 722200;2.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)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(shù)自20世紀(jì)70年代引進(jìn)我國(guó),之后逐漸在各行業(yè)建筑領(lǐng)域推廣,普遍應(yīng)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(mǎn)意的效果。20世紀(jì)80年代在水利工程中獲得推廣應(yīng)用,在水利水電行業(yè)中除應(yīng)用于地基加固外,更廣泛地應(yīng)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(zhì)土、粉質(zhì)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(yōu)點(diǎn)是不需要開(kāi)挖,不破壞壩體,不需要水庫(kù)放空,施工速度快。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)利用該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功處理了100多座水庫(kù)。與現(xiàn)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(jié)構(gòu)方面有著獨(dú)特的穩(wěn)定性。高壓噴射灌漿形成的防滲體彈性模量較低,有較強(qiáng)的變形適應(yīng)性,在適應(yīng)地基的變形方面較混凝土防滲墻有明顯的優(yōu)越性[2]。

本文結(jié)合白家窯水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程實(shí)踐對(duì)高壓擺噴防滲工程適應(yīng)條件、施工工藝、技術(shù)要點(diǎn)和質(zhì)量控制等方面做了詳細(xì)闡述,為今后同類(lèi)工程提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

白家窯水庫(kù)位于陜西省寶雞市扶風(fēng)縣城北2.5 km處,是一座以灌溉為主,兼顧養(yǎng)殖的小(一)型水庫(kù)。水庫(kù)樞紐工程由均質(zhì)土壩、溢洪道、泄水洞等部分組成。該工程建于20世紀(jì)70年代初,水庫(kù)工程分兩期建成,第一期無(wú)設(shè)計(jì),1969年動(dòng)工,至1971年建成壩高為24.5m,壩頂長(zhǎng)為150 m,壩頂寬14 m,壩頂高程553.5 m的土壩。1974年另作設(shè)計(jì)擬將土壩加高,至1977年11月建成壩高為31 m,壩頂長(zhǎng)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(tái)。水庫(kù)總庫(kù)容440×104m3,水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)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(kāi)工,當(dāng)年7月初竣工。溢洪道于1977年2月開(kāi)始土方開(kāi)挖,當(dāng)年10月底水庫(kù)工程基本結(jié)束。

水庫(kù)投入運(yùn)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(xiàn)明流。1989年11月曾進(jìn)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(tái)長(zhǎng)期浸潤(rùn)并有明水,常流量5 L/s～7 L/s,對(duì)壩體穩(wěn)定很不利。從大壩安全評(píng)價(jià)綜合結(jié)論得知:該工程防洪標(biāo)準(zhǔn)既不能滿(mǎn)足GB50201-94要求防洪標(biāo)準(zhǔn),又不能滿(mǎn)足水規(guī)[1989]21號(hào)文近期非常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)[3]。通過(guò)土工試驗(yàn)報(bào)告得知:原設(shè)計(jì)壩體下游排水體體積偏小,兩壩肩原狀黃土滲透系數(shù)大于壩體滲透系數(shù),但又小于下游排水體滲透系數(shù),因而兩壩肩產(chǎn)生了不同程度的繞壩滲漏。從現(xiàn)場(chǎng)取樣的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果看:壩體土為含鈣質(zhì)結(jié)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(shù)接近 10-6cm/s數(shù)量級(jí)[4]。綜合以上因素,擬對(duì)該水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)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(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)勘查,右壩肩壩0+140～0+210段存在繞壩滲漏,需進(jìn)行工程處理。設(shè)計(jì)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(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)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(jià)低,施工方便,但由于水庫(kù)淤積高程達(dá)546.0 m,淤積面以下防滲處理范圍土體含水量達(dá)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(yè)面大,需擺放較大的挖槽施工機(jī)械,施工難度較大,工程造價(jià)相對(duì)較高;高壓擺噴防滲墻方案要求施工平臺(tái)寬度適中,合理選用高素質(zhì)的施工隊(duì)伍,能夠保證本工程的防滲要求,且該方案施工簡(jiǎn)單方便,工程造價(jià)相對(duì)較低。經(jīng)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(shè)計(jì)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(xiàn)位于原壩頂上,高程561.5 m,防滲墻底線(xiàn)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(yīng)加密并減壓,有效成墻厚度應(yīng)大于0.3 m。根據(jù)《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》(DL/T5200-2004),結(jié)合壩區(qū)地質(zhì)情況,確定設(shè)計(jì)墻體指標(biāo)為:抗壓強(qiáng)度R28＞3MPa,彈性模量＜1500MPa,滲透系數(shù)K＜10-6cm/s。

根據(jù)高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求,重要的地層復(fù)雜或深度較大的高噴墻工程,應(yīng)選擇有代表性的地層進(jìn)行高噴灌漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)宜采用單孔和不同孔距、排距的孔群進(jìn)行,以確定高噴灌漿的方法及其適用性,求得最佳施工技術(shù)參數(shù),從而保證工程質(zhì)量。由于本工程部位地質(zhì)條件單一,主要為黃土狀壤土及古土壤,且需灌漿處理區(qū)段連續(xù),故依據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),在將試驗(yàn)段合理利用的原則下,在樁號(hào)0+190.5～0+210段沿壩頂中心線(xiàn)(設(shè)計(jì)擺噴中心線(xiàn))按2.0 m、1.3 m、1.0 m三種孔距布孔,每種孔距布置5個(gè)孔,孔深均為26 m,共布置鉆孔15個(gè),試驗(yàn)段總長(zhǎng)19.5 m。高壓擺噴灌漿試驗(yàn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 高壓擺噴灌漿試驗(yàn)孔布置示意圖

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及對(duì)試驗(yàn)區(qū)段防滲墻墻體厚度、成墻對(duì)接連續(xù)情況、抗?jié)B強(qiáng)度等檢測(cè)后,對(duì)原設(shè)計(jì)孔距、設(shè)計(jì)擺角等參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整修正,修正后的擺噴參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 白家窯水庫(kù)高壓擺噴灌漿施工技術(shù)參數(shù)

3 高壓擺噴灌漿施工

3.1 施工機(jī)械準(zhǔn)備

考慮到高噴工作的緊迫性,設(shè)備配置上力求性能好,效率高的成套設(shè)備。主要施工設(shè)備配置見(jiàn)表3。

表3 高壓擺噴施工機(jī)械設(shè)備表

3.2 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備→確定孔位、鉆孔→高噴機(jī)就位→調(diào)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(shè)計(jì)深度→擺動(dòng)提升噴射至設(shè)計(jì)高程→擺噴結(jié)束提出噴管→移開(kāi)高噴臺(tái)車(chē)→補(bǔ)漿→進(jìn)入下一流程(見(jiàn)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(jī)配合壽力750高風(fēng)壓空壓機(jī),高壓擺噴成墻。其布孔形式見(jiàn)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(jī)就位

設(shè)置在設(shè)計(jì)的孔位上并應(yīng)保持垂直,施工時(shí)旋噴管的允許傾斜度不得大于1.0%。鉆機(jī)就位后進(jìn)行水平、垂直校正,鉆桿應(yīng)與樁位吻合,偏差控制在50mm內(nèi)。鉆機(jī)采用CM485,配合壽力750高風(fēng)壓空壓機(jī)。

3.2.4 鉆孔

造孔采用CM485鉆機(jī),鉆孔方式采用 Φ 146套管跟管鉆進(jìn),鉆孔直徑為150mm,鉆孔深入基巖或相對(duì)不透水層1.0 m。鉆孔時(shí)鉆機(jī)要平穩(wěn),開(kāi)孔孔位要準(zhǔn)確,滿(mǎn)足孔位偏差要求時(shí)方可開(kāi)鉆。鉆孔垂直度偏差≤1%,確保高噴管能順利導(dǎo)入孔底。

3.2.5 高噴機(jī)就位

高壓噴射灌漿采用GP-50高噴臺(tái)車(chē)和GZB-40BW高壓泵進(jìn)行灌漿,噴管直徑為Φ 89;臺(tái)車(chē)塔架全部升起高18 m,在塔架范圍內(nèi)禁止其它作業(yè),并安排專(zhuān)人進(jìn)行檢查。

3.2.6 地面試噴,下入孔內(nèi)

噴漿臺(tái)車(chē)立架高度18 m,提升速度調(diào)整的范圍是:6cm/min～8cm/min,噴嘴通過(guò)旋擺器定向,噴管采用三條噴射管,噴嘴直徑1.7mm～2.0mm,可使?jié){、氣、水同時(shí)噴射。

在噴射作業(yè)時(shí),當(dāng)噴射管下到設(shè)計(jì)深度并對(duì)準(zhǔn)噴射方向后先靜噴3 min～5 min,送入漿液并按規(guī)定的速度提升,擺角為40°,待達(dá)到設(shè)計(jì)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(duì)噴嘴進(jìn)行檢查,且在下入噴射管時(shí)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(fù)施工前,將噴頭下放50cm,采取重疊搭接噴射處理。停機(jī)超過(guò)3 h時(shí),應(yīng)對(duì)泵體輸漿管路進(jìn)行清洗后方可繼續(xù)施工。噴射作業(yè)時(shí),應(yīng)將該孔的反漿排入上一孔中進(jìn)行回灌,直到漿液面穩(wěn)定為止。在黏土層或淤泥層內(nèi)進(jìn)行噴射時(shí),不準(zhǔn)將冒漿進(jìn)行回灌。當(dāng)噴射完成后應(yīng)及時(shí)將各管路沖洗干凈,不得留有殘?jiān)苑拦苈范氯?/p>

3.3 特殊情況處理

白家窯水庫(kù)高噴灌漿施工中,在造孔和高噴灌漿施工過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)幾次漏漿、串孔、灌漿中斷等情況,對(duì)不同情況采取了相應(yīng)的處理措施。實(shí)踐證明處理措施實(shí)用可行,保證了進(jìn)度也保證了質(zhì)量。

3.3.1 漏漿處理措施

施工中,個(gè)別孔位處由于地層中土層結(jié)構(gòu)松散、密實(shí)度差,且存在少量的滲透通道,在造孔及高噴灌漿時(shí)漏漿嚴(yán)重,孔口返漿量少。在漏漿地段,鉆孔時(shí)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(fā)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(shí),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(xiàn)了相臨鉆孔間的串漿現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)被串孔的孔口回漿進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)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(kāi)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(jié)束后,盡快對(duì)串漿孔進(jìn)行復(fù)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(jī)械故障、突然停電等原因,曾發(fā)生過(guò)多次的灌漿突然中斷。對(duì)突然中斷灌漿的施工孔,盡快消除中斷因素,及早恢復(fù)施工,對(duì)中斷時(shí)間超2 h的孔段,進(jìn)行掃孔后重新灌漿,中斷時(shí)間2 h內(nèi)的孔段,重新開(kāi)噴后按規(guī)范要求進(jìn)行復(fù)噴處理,復(fù)噴搭接長(zhǎng)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(huì)出現(xiàn)由于表面析水沉淀而出現(xiàn)不同程度的下陷形成凹穴,處理的具體方案是向凹穴內(nèi)間斷的注入漿液2～3次,待漿液凝結(jié)后用壤土夯填。

4 高壓擺噴防滲墻質(zhì)量檢驗(yàn)

工程高噴灌漿施工結(jié)束后,采取了大開(kāi)挖直觀檢查和防滲墻體取芯實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法對(duì)高噴防滲墻質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)。大開(kāi)挖直觀檢查:即沿?cái)[噴防滲墻體兩側(cè)進(jìn)行了開(kāi)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(qiáng)度等項(xiàng)指標(biāo),共開(kāi)挖了3段19m長(zhǎng),板墻對(duì)接完好,成墻最小厚度＞30cm。取芯實(shí)驗(yàn)室檢測(cè):在高噴防滲墻樁號(hào) 0+150、0+162、0+175、0+182、0+190、0+196 處共取芯 6 組,檢測(cè)結(jié)果高噴墻體滲透系數(shù) k為 1.1×10-7cm/s～9.08×10-8cm/s,小于設(shè)計(jì)滲透系數(shù)值10-6cm/s,質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,國(guó)家驗(yàn)收合格。

5 結(jié) 語(yǔ)

該工程加固中抓住了從勘測(cè)設(shè)計(jì)到施工檢驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié),建成兩年來(lái),經(jīng)過(guò)枯水季節(jié)缺水和汛期行洪考驗(yàn),其截滲效果相當(dāng)好。在今后類(lèi)似工程中應(yīng)該著重把握好以下幾點(diǎn):第一,加固工程在確定加固方案前,一定要對(duì)加固方案進(jìn)行技術(shù)論證,經(jīng)專(zhuān)家評(píng)審確認(rèn)高噴灌漿是最佳方案時(shí),采用該項(xiàng)技術(shù)才會(huì)收到最好效果[6]。第二,高噴灌漿屬于地下隱蔽工程,對(duì)施工參數(shù)必須嚴(yán)格控制才能保證施工質(zhì)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(guān)鍵。第三,控制好高噴管的提升速度及充分利用回漿是節(jié)約水泥消耗量的關(guān)鍵,在礫石層、卵石層中,由于地層的滲透性強(qiáng),高噴管的提升速度不能太快,一般為7cm/s～12cm/s,在沒(méi)有回漿的地段要停止提升直到有回漿出現(xiàn)。第四,鉆孔是影響高噴灌漿施工進(jìn)度的關(guān)鍵,尤其是在砂卵石層中鉆孔,進(jìn)尺較慢,鉆孔護(hù)壁難度較大,容易出現(xiàn)塌孔?？煽紤]使用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法提高造孔速度,采用泥粉或純粘土濃漿進(jìn)行鉆孔護(hù)壁[7]。

[1]中國(guó)水利水電基礎(chǔ)工程局.DLT 5200-2004.水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)電力出版社,2004.

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