海子灣水庫大壩高噴灌漿試驗研究

孫嘉彬

（山西省張峰水庫建設(shè)管理局太原 030002）

1 工程概況

海子灣水庫位于右玉縣海子灣村下游2 km的蒼頭河上，控制流域面積2 022 km2，總庫容980萬m3，工程等別為Ⅳ等，屬?。?）型水利工程。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程1266.0 m，最大壩高10 m，壩頂寬6 m，壩頂長780 m。大壩上、下游壩坡分別為1∶3、1∶2.5。上游壩坡為干砌石護(hù)坡，復(fù)合土工膜防滲，下游壩坡為草皮護(hù)坡。

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

蒼頭河下游河道寬約1 000～1 500 m，壩址區(qū)河道較窄，寬約700 m，主河床高程為1 256 m左右，河谷呈“U”型，開闊平坦，壩基覆蓋層最大厚度34 m。

壩址區(qū)所分布階地類型為侵蝕堆積型階地。河床及河漫灘為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal），巖性主要為低液限粉土、低液限黏土、粉砂、中粗砂、砂礫石，厚10～27 m，滲透系數(shù)為2.02×10-2cm/s。左、右壩肩為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)洪積（Q3epl）、洪沖積（Q3epl），巖性主要為低液限粉土、低液限黏土、底部含有中粗砂、礫砂、卵礫石，厚度15～25 m，滲透系數(shù)為4.00×10-2～1.20×10-3cm/s。下伏基巖為白堊系上統(tǒng)助馬堡組（K2ZM），巖性主要為紫紅色泥巖，滲透系數(shù)為0.6～2.7×10-5cm/s，符合規(guī)范SL274控制在5～10 Lu的規(guī)定，屬壩基相對隔水層。

3 防滲墻工程布置

海子灣水庫壩基、壩肩防滲采用單排柱列型高壓旋噴連續(xù)防滲墻防滲，防滲墻軸線沿上游壩腳平行壩軸線布置。處理范圍樁號為大壩0＋000～0＋780，總長780 m。墻底伸入基巖層1 m，墻頂與上游壩腳復(fù)合土工膜相接，左右壩肩防滲墻各向岸邊延伸100 m。

高噴灌漿防滲墻采用交聯(lián)排列布孔，成樁直徑1.4 m，孔距1.2 m。分兩序灌漿，一序孔間距2.4 m，一、二序孔間距1.2 m，兩次灌漿間隔時間不應(yīng)少于48 h。成墻交聯(lián)部分（重疊部分）的有效厚度70 cm，有效寬度20 cm。壩基、壩肩高噴灌漿防滲墻的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：防滲墻有效厚度不小于70 cm，抗壓強(qiáng)度 C28≥2 MPa、滲透系數(shù) K允許≤1×10-6cm/s。

4 灌漿試驗

根據(jù)規(guī)范SL62、SL174的相關(guān)要求，灌漿工程應(yīng)在施工前或施工初期進(jìn)行現(xiàn)場灌漿試驗，以取得有關(guān)造孔、固壁、墻體澆筑等數(shù)據(jù)資料，論證灌漿施工采用技術(shù)參數(shù)的可行性，確定更加合理的高噴防滲墻施工技術(shù)參數(shù)，指導(dǎo)灌漿工程施工。

結(jié)合壩址區(qū)地質(zhì)勘察成果，灌漿試驗選擇在大壩0＋284.6～0＋288.5段進(jìn)行，此段為第四系上更新統(tǒng)洪沖積層與中粗砂層交互層疊，較能代表壩址區(qū)的地質(zhì)概況。灌漿試驗通過確定方案、施工控制、結(jié)果檢查，選取施工采用的技術(shù)參數(shù)。

4.1 試驗方案

參考類似工程經(jīng)驗，灌漿試驗方案確定為連環(huán)式布置。試驗施工分兩序，首先進(jìn)行一序孔（2＃、4＃、6＃、8＃）的充填灌注作業(yè)，再進(jìn)行二序孔（1＃、3＃、5＃、7＃、9＃）的高噴灌漿作業(yè)，鄰孔間距為1.2 m。實(shí)施后形成試驗圍井，將試驗區(qū)域劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個區(qū)域，如圖1所示。

圖1 試驗孔布置圖

試驗Ⅰ區(qū)的1?！??？资┕?shù)采用設(shè)計參數(shù)，試驗Ⅱ區(qū)的7?！??？资┕?shù)采用比選參數(shù)。比選參數(shù)是在設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，保持水、氣、漿及漿液參數(shù)不變，就旋噴的提升速度、旋轉(zhuǎn)速度針對不同地層進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。各項試驗參數(shù)詳見表1、表2所列。

表1 灌漿試驗設(shè)計參數(shù)

表2 灌漿試驗設(shè)計、比選參數(shù)

4.2 過程控制

4.2.1 鉆孔控制

試驗采用地質(zhì)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、泥漿護(hù)壁工藝，鉆孔過程中通過調(diào)整泥漿濃度、粘度等以確保鉆孔的成孔率。開孔孔徑不小于Φ130 mm，終孔孔徑不小于Φ110 mm。據(jù)規(guī)范SL274防滲墻底宜嵌入基巖0.5～1.0 m的要求，確定試驗鉆孔伸入基巖1.0 m，高噴管的下設(shè)伸入基巖0.5 m。

孔位控制要求鉆孔定孔、軸線定位誤差不大于1 cm，孔位偏差不大于2 cm，鉆機(jī)對準(zhǔn)孔位誤差不超過2 cm。孔斜控制要求鉆孔深度小于30 m時，其偏斜率應(yīng)不大于1%。

4.2.2 材料控制

灌漿用水從庫區(qū)水井取水，水質(zhì)滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)。水泥選擇內(nèi)蒙古烏蘭水泥集團(tuán)生產(chǎn)的強(qiáng)度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，質(zhì)量符合規(guī)范GB175的規(guī)定。

灌漿漿液采用水泥漿，水灰比控制在1:1～0.5:1之間，密度控制在1.5～1.8 g/cm3之間。水泥漿液的攪拌時間不少于30 s。漿液在使用前應(yīng)過篩，自制備至用完時間不大于4 h。

4.2.3 灌漿施工

試驗施工步驟為機(jī)具就位、鉆孔、下入噴射管、噴射灌漿及提升、沖洗管路、孔口回灌等。灌漿試驗開噴前，先進(jìn)行地面試噴，直觀檢查設(shè)備使用正常后，將高噴管下至指定深度供漿開噴。待水、風(fēng)、漿的壓力參數(shù)和流量參數(shù)均達(dá)到設(shè)計要求，且孔口已返出密度大于1.3 g/cm3的漿液時，即可按規(guī)定的提升速度、旋噴速度進(jìn)行灌漿；灌漿結(jié)束后，充分利用回漿對已完成孔進(jìn)行及時回灌，直至漿液面不下降為止。

孔口返漿統(tǒng)一匯入集漿坑，一部分上返漿液直接用于已噴孔的孔口補(bǔ)漿；另一部分上返漿液經(jīng)振動篩除砂、除泥后，送至攪拌機(jī)內(nèi)，加入一定水泥形成原漿，重復(fù)利用，但在黏土層、粉細(xì)砂層的回漿不再回收利用。

高噴灌漿試驗各孔除因拆卸噴射管而有短暫的停頓外，均保持連續(xù)不間斷作業(yè)。因拆卸噴射管而停頓后，重復(fù)高噴灌漿長度（搭接長度）均按0.3 m控制。

4.3 成果檢查及分析

根據(jù)以上試驗方案及參數(shù)選取、工序控制，形成面積約為6.31 m2的連環(huán)式布置高噴圍井。圍井所在區(qū)域壩基覆蓋層厚度約為27 m，灌漿試驗鉆孔深度28 m，高噴墻深度27.5 m，墻頂高程1 257.20 m，墻底高程1 229.70 m。試驗區(qū)域 1?！?＃孔水泥用量為 8 500～14 500 kg，總使用水泥量為99 725 kg，純噴時間為 265～372 min。

灌漿試驗完成、圍井墻體達(dá)到強(qiáng)度后，分別采取鉆孔注水試驗、板墻鉆孔取樣及直觀開挖檢查等方式對高噴墻防滲性能進(jìn)行了檢查分析。

4.3.1 鉆孔注水試驗

注水試驗鉆孔位于試驗Ⅰ、Ⅱ區(qū)中心J1、J2處，樁號分別為大壩0+285.58、0+287.52，孔徑為110 mm。經(jīng)注水試驗數(shù)據(jù)計算得出：J1處在孔深17 m、28 m的滲透系數(shù)分別為5.3×10-9cm/s、1.2×10-7cm/s；J2 處在孔深 17 m、28 m 的滲透系數(shù)分別為 3.7×10-6cm/s、1.9×10-7cm/s。

從鉆孔注水試驗成果看，兩個注水孔J1、J2的全孔滲透系數(shù)均小于允許滲透系數(shù)1×10-6cm/s，滿足設(shè)計要求。其中J2在孔深17 m以上時滲透系數(shù)略大一點(diǎn)，原因是注水時采用的是“常水頭注水法”，而為了便于觀測水位，注水時的水頭略高于高噴墻頂，孔口下設(shè)的PVC管與鉆孔孔壁間沒有進(jìn)行注漿封閉，影響了高噴墻體防滲效果的真實(shí)性。但該孔的全孔注水試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求，說明該試驗區(qū)域的整體防滲效果是好的。

4.3.2 板墻鉆孔取樣

在4號孔中心偏向下游20 cm，孔深1.5～2 m、10～11 m和15～16 m間對高噴墻鉆孔取芯，各取長度不小于10 cm的完整巖樣，巖樣及時送到山西省萬家寨引黃工程管理局中心試驗室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，并委托其進(jìn)行28天抗壓強(qiáng)度檢測。經(jīng)檢測，高噴墻在 1.5～2 m、10～11 m、15～16 m 處的抗壓強(qiáng)度C28分別為 5.2 MPa、4.4 MPa、2.2 MPa，檢測結(jié)果均大于 2 MPa，滿足設(shè)計要求。

4.3.3 直觀開挖檢查

從試驗區(qū)的開挖觀測來看，Ⅰ序孔樁的最大直徑為2號孔的150 cm，最小直徑為6號孔的140 cm；Ⅱ序孔樁的最大直徑為7號孔的155 cm，最小直徑為9號孔的108 cm。Ⅰ序孔樁均被Ⅱ序孔樁緊密包裹，搭接部位密實(shí)完好，最大搭接厚度為2號與3號之間的75 cm，最小搭接厚度為8號與9號之間的72 cm，滿足設(shè)計樁徑、噴射長度、有效厚度等要求。

5 結(jié)語

海子灣水庫大壩于2010年10月16日成功封頂，由于水庫壩高僅為10 m，水庫功能的發(fā)揮其重點(diǎn)在于做好壩基、壩肩防滲措施。從高噴灌漿試驗研究來看：針對壩址區(qū)地質(zhì)條件確定的高噴灌漿防滲型式是可靠的，設(shè)計孔距、孔徑等能夠滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；試驗Ⅰ、Ⅱ區(qū)雖然采用了不同的技術(shù)參數(shù)，但在注水試驗、鉆孔取樣、開挖檢查等方面，均滿足了高噴灌漿防滲墻的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，說明經(jīng)調(diào)整后的比選參數(shù)在灌漿施工中是可取的?？紤]到采用調(diào)整后的比選參數(shù)，與設(shè)計參數(shù)相比，在工期上有較大的縮短，在增效減排上更為有利，因此，主體防滲墻施工時選擇使用比選參數(shù)進(jìn)行控制。目前，防滲墻工程正在依據(jù)高噴灌漿試驗結(jié)果施工。