高噴灌漿與振動沉模組合防滲技術(shù)在水庫大壩除險加固中的應(yīng)用

查 演，陳文斌

(1.貴州普華建設(shè)工程有限公司，貴州 貴陽 550002；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

高噴灌漿與振動沉模組合防滲技術(shù)在水庫大壩除險加固中的應(yīng)用

查 演1，陳文斌2

(1.貴州普華建設(shè)工程有限公司，貴州 貴陽 550002；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

在大壩超薄防滲墻(墻厚15～30 cm)施工中，單一技術(shù)很難兼顧防滲墻既能深入基巖不透水層，又具有較高經(jīng)濟(jì)性.據(jù)此，結(jié)合小型水庫除險加固工程實例，從可實施性、經(jīng)濟(jì)性和防滲加固修復(fù)效果等維度，對采取振動防滲板墻和高壓噴射灌漿相結(jié)合的組合防滲技術(shù)的施工進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)組合防滲技術(shù)較單一高噴灌漿，施工工效要高55%以上，經(jīng)濟(jì)性造價要約低20%.通過探坑開挖檢查、注水試驗和取樣室內(nèi)檢測，結(jié)果表明：防滲墻體整體連續(xù)性和密實度均較好，各項檢測指標(biāo)均滿足設(shè)計規(guī)范要求.

振動沉模；高噴灌漿；滲透系數(shù)；超薄防滲墻

混凝土防滲墻是土石壩除險加固修復(fù)的主要手段，工程實踐應(yīng)用中發(fā)揮較好防滲加固效果.但在實際中單一的防滲技術(shù)也存在不少問題，如槽孔間接縫處理困難、施工機(jī)械設(shè)備利用率不高、施工效率偏低、綜合投資偏高等問題.高壓噴射灌漿防滲技術(shù)具有無需地基開挖、可灌性和可控性好等優(yōu)點，通過高壓(20～40 MPa)噴射漿液沖擊切割土體，讓漿液和土體均勻混合并按一定比例重新排列凝固后形成連續(xù)防滲固體，但由于其自身施工工藝限制，在超薄防滲墻(墻厚15～30 cm)水庫大壩防滲加固修復(fù)工程中，其造價要明顯高于振動沉模防滲技術(shù)[1-2].振動沉模防滲技術(shù)具備施工效率高、工藝設(shè)備簡單、操控便捷、作業(yè)機(jī)械化程度高、墻與壩體變形協(xié)調(diào)性好等特點，在超薄防滲墻工程中具有非常好的進(jìn)度、質(zhì)量和成本控制優(yōu)勢；但該方法受施工設(shè)備制約，其成墻深度不超過25 m，通常不能達(dá)到基巖相對不透水層是其最大不足.基于上述應(yīng)用背景，結(jié)合土石壩防滲除險加固原則，在超薄防滲墻施工中采取防滲技術(shù)集成應(yīng)用理念，將高壓灌漿與振動沉模兩種技術(shù)結(jié)合起來形成組合防滲結(jié)構(gòu)，利用各自優(yōu)點彌補(bǔ)雙方缺點，確保防滲工程具有較高的可實施性和經(jīng)濟(jì)效益.

1 組合防滲施工原理

振動沉模工效相對與高噴灌漿高效要提高1倍以上，采用振動沉模與高噴灌漿相結(jié)合其整體工效相比單一高噴灌漿方案要提高55%以上.組合防滲施工方案其單價，較單一高噴方案要節(jié)省約20%[3].將振動沉模與高噴灌漿相結(jié)合，形成組合防滲方案，不僅可以利用高噴灌漿深度大、可深入巖體內(nèi)部，對基巖地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，同時可以發(fā)揮振動沉模形成墻體厚度均勻、完整性好、工效高和造價低等優(yōu)勢.

1.1 高壓噴射灌漿施工

高壓噴射灌漿技術(shù)(high pressure jet grouting technology)，是利用能量較大的水氣混合漿液同軸噴射通過沖擊切割和強(qiáng)烈擾動，切割摻攪地層與土石粒均勻混合，硬化后形成一定形狀的凝結(jié)體[3].高噴灌漿防滲施工具體包括8個基本工序，即灌漿試驗、測量放線、灌漿孔定位、灌漿孔鉆孔、下噴射管、灌漿、終噴和封孔等(見圖1).

圖1 高壓噴射灌漿施工工藝

高噴灌漿只需在存在滲漏裂縫的部位，鉆一個孔徑約50～300 mm的小孔，便可以在土體內(nèi)部噴射凝結(jié)形成0.4～4.0 m的凝結(jié)體.在漿液噴射過程中，可以根據(jù)工程實際合理調(diào)整旋噴角度、速度和提升速度，合理控制噴嘴大小和增減噴射壓力，確保形成的凝結(jié)體與設(shè)計相匹配.另外，可以通過對單管、二重管和三重管等噴射過程中的壓力、吸漿量和冒漿量等進(jìn)行實時監(jiān)測分析，動態(tài)了解噴射效果及可能存在缺陷，及時調(diào)整施工特性參數(shù)或施工工藝，確保噴射灌漿質(zhì)量.

1.2 振動沉模施工

振動沉模技術(shù)(vibration sinking technology)，是依靠高頻大功率振動錘產(chǎn)生垂直激振力，將空腔模板沉入到預(yù)定位置，形成一定厚度和深度槽體，采用雙模板邊灌漿邊振動拔模套接成槽、護(hù)壁、澆注等為一體的一次連續(xù)成墻施工技術(shù)[4-5].最后形成充盈性、穩(wěn)定性和單元墻體間接縫緊密性均較好的連續(xù)完整防滲墻墻體.振動沉模主要施工工序為：模板就位→A板下沉→B板下沉→A板灌漿并提拔?！鶤板再下沉→B板灌漿并提拔?！鶥板再下沉，A板和B板往返循環(huán)連續(xù)施工，最終形成連續(xù)密實單板墻體，具體施工(見圖2).

圖2 振動沉模施工示意圖

振動沉模施工中，由于模板作為防滲板墻鑿槽造孔的核心設(shè)備，受材料物理特性等因素制約，因此其施工深度和厚度均較高噴灌漿適用性低，最大施工深度≤25 m，很難達(dá)到基巖不透水層；厚度也僅為8～30 cm.但由于該技術(shù)高效施工效率和優(yōu)越經(jīng)濟(jì)性，在小型土石壩除險加固工程超薄防滲墻施工中，得到廣泛推廣應(yīng)用且取得非常良好防滲加固修復(fù)效果.

2 組合防滲在水庫大壩除險加固中的應(yīng)用

2.1 工程概況

工程屬于小(Ⅰ)型已建水庫，壩址以上徑流面積18.23 km2，總庫容760萬m3，興利庫容695.00萬m3，年供水量1 200萬m3.水庫于1968年開始修建，1983年進(jìn)行增高培厚.水庫大壩為均質(zhì)土壩，筑壩材料就地取材，主要以沙壤土構(gòu)成，壩頂高程725.50 m，最高壩高25 m，壩軸線長235 m，壩頂寬6.0 m，正常蓄水位723.68 m.

2.2 大壩病險現(xiàn)狀及防滲加固修復(fù)方案

2.2.1 大壩病險現(xiàn)狀

水庫運行初期各工況運行良好，2007年以后壩體下游面出現(xiàn)大面積濕坡和大流量滲漏現(xiàn)象，局部存在涌水和射流等嚴(yán)重滲漏問題.2009年，大壩進(jìn)行全面安全復(fù)核，鑒定為“三類壩”，主要病險危害有：(1)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，壩頂高程不能滿足防洪要求.(2)壩體結(jié)構(gòu)土填充密實度遠(yuǎn)低于設(shè)計96%～98%要求(僅達(dá)到78%～91%，平均為85%)，填筑質(zhì)量較差.(3)壩體為均質(zhì)土壩，沒有設(shè)置內(nèi)部和面板防滲結(jié)構(gòu)，壩基無截水墻等，防滲性能較差.經(jīng)鉆芯取樣分析，壩基和壩體滲透系數(shù)K為9.68×10-5～5.32×10-4cm/s，屬于中等透水性，大壩存在嚴(yán)重的壩基和壩體滲漏、壩肩與山體結(jié)合部滲漏.壩基和壩體存在較大滲漏通道，易發(fā)生管涌破壞危及大壩安全[5].(4)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析表明，大壩上、下游面存在拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震穩(wěn)定性較差.(5)壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)低于規(guī)范指標(biāo).

2.2.2 防滲加固修復(fù)方案

由于大壩壩基接觸帶為強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖，斷層節(jié)理高度發(fā)育且完整性較差；壩體以沙壤土為主，且接地取材存在草根、樹枝等雜質(zhì)，常規(guī)單一灌漿方式很難滿足工程防滲加固修復(fù)要求[6].鑒于水庫大壩壩體、壩基和壩肩存在嚴(yán)重滲漏問題，結(jié)合壩址區(qū)水文地質(zhì)條件，采用振動沉模防滲板墻和高噴灌漿相結(jié)合的組合防滲方案進(jìn)行防滲修復(fù)除險加固.根據(jù)兩種工藝施工特點，大壩先采用振動沉模施工防滲板墻解決壩體上半部(壩體705.50 m～壩頂725.50 m處，深20 m)滲漏問題，后采用高噴灌漿1 m進(jìn)行搭接，最后采用高噴灌漿解決大壩壩基、岸坡滲透和接觸帶沖刷問題.高噴樁端進(jìn)入壩基開挖線以下不低于3 m，深達(dá)壩基相對不透水層.振動沉模防滲板墻和高噴灌漿相結(jié)合的組合防滲結(jié)構(gòu)(見圖3).

圖3 組合防滲結(jié)構(gòu)示意圖

(1)振動沉模防滲板墻施工

采用振動沉模防滲板墻，以解決壩體上部不滲透破壞問題.采用頻率為1 050次/min的高頻大功率振錘，按照圖2所示施工工藝將A、B兩空腔模板沉入到地層過程中，使模板周邊土體得到充分?jǐn)D壓密實(擠壓范圍2～4倍模板厚度)，并在拔拉模板過程中自下而上同步跟進(jìn)灌漿，通過振搗攪合確保漿液更加均勻密實.根據(jù)《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》(SL174—2014)中的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計振動沉模建槽灌漿形成厚20 cm塑性砂漿防滲墻體，技術(shù)指標(biāo)要求為：28 d抗壓強(qiáng)度≥4 MPa；性模量≤1 000 MPa；滲透系數(shù)K≤9×10-6cm/s；允許水力梯度J允在50～60范圍內(nèi)；采用32.5R級普通硅酸鹽水泥，漿液密度1.9～2.0 g/cm3.振動沉模防滲墻從壩頂725.50 m高程到壩體705.50 m高程(深20 m)，下部接高壓擺噴灌漿防滲墻，搭接深100 cm.

(2)高噴灌漿防滲墻施工

采用高噴灌漿，以解決壩基、壩坡滲透和接觸帶沖刷問題[7].防滲墻頂高程706.50 m，通過1 m深高噴搭接與上部防滲板墻形成連續(xù)完整防滲體.由于壩址區(qū)屬于典型“V”字型河谷，防滲墻體分別深入左、右岸壩肩巖體內(nèi)部，縱深分別為26.2～26.7 m和18.5～19.3 m.高壓擺噴孔距1.5 m，雙排均布，嵌入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖深度≥3 m，以達(dá)壩基相對不透水層.

2.3 防滲加固修復(fù)效果分析

(1)振動沉模板墻防滲加固修復(fù)效果

鑒于振動沉模防滲板墻墻體僅有20 cm厚，厚度較小，采用常規(guī)鉆孔取芯分析進(jìn)行施工效果檢驗和質(zhì)量評價，難度較大[8].綜合工程實際，決定采取探坑開挖(開挖以檢查沉模板墻形狀、結(jié)構(gòu)等是否垂直、平整等)和墻體取樣分析(測試防滲板墻抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)等指標(biāo)是否滿足設(shè)計規(guī)范要求).大壩壩體振動沉模成墻面積2 676.50 m2,施工完成后經(jīng)探坑開挖檢查表明：防滲板墻成墻質(zhì)量良好，板墻整體和與高噴銜接部位連接緊密，墻體上不存在孔洞、斷層、縮板等問題，墻體連續(xù)完整.通過墻體取樣室內(nèi)檢測，結(jié)果(見表1).

表1 振動沉模防滲板墻物理性指標(biāo)檢測結(jié)果

表1表明，振動沉模防滲板墻典型芯樣抗壓強(qiáng)度檢測值最小為4.38 MPa，>4 MPa要求；滲透系數(shù)檢測值最大為1.30×10-6cm/s，<9×10-6cm/s指標(biāo)要求.振動沉模防滲板墻，施工質(zhì)量較好、整體連續(xù)完整密實保護(hù)度高，主要物理性技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，達(dá)到預(yù)期較好的防滲加固修復(fù)效果.

(2)高噴灌漿防滲墻防滲加固修復(fù)效果

大壩壩基及左右岸壩肩高噴灌漿，共計完成鉆孔386孔，鉆孔總進(jìn)尺6 358 m，灌漿總延米6 168.25 m.工程施工完成后，開挖檢查表明：高壓旋噴防滲墻樁間搭接良好，孔位、孔深和入巖深度均達(dá)到規(guī)范要求，攪拌均勻無裂縫等現(xiàn)象.通過注水試驗和取樣室內(nèi)檢測，結(jié)果(見表2).

表2 高噴灌漿物理性指標(biāo)檢測結(jié)果

表2表明，高噴灌漿防滲墻典型芯樣的抗壓強(qiáng)度(3.65～4.75)MPa，>2.5 MPa要求；滲透系數(shù)檢測值0.73×10-6～1.96×10-6cm/s，<9×10-6cm/s指標(biāo)要求.高噴灌漿防滲墻，所采取的防滲加固方案和施工技術(shù)是合理的，施工密實度、抗壓強(qiáng)度和防滲加固修復(fù)效果均較好.

3 結(jié) 論

高噴灌漿與振動沉模技術(shù)，在水利水電已建工程壩體裂縫滲漏等隱蔽性工程處理中得到廣泛推廣與應(yīng)用，且取得良好的應(yīng)用效果.但對于小型水庫大壩超薄防滲墻(墻厚15～30 cm)施工而言，單一防滲加固修復(fù)技術(shù)很難兼顧施工可實施性、技術(shù)可靠性和節(jié)能經(jīng)濟(jì)性.將高噴灌漿與振動沉模技術(shù)相結(jié)合，形成組合防滲體系，不僅可以將防滲墻深達(dá)大壩基巖相對不透水層，同時可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)兩種技術(shù)優(yōu)勢的充分融合.

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Application of Anti-seepage Composite Technology with High-pressure Jet Grouting and Vibration Sinking Technology in Reservoir Dam Reinforcement

CHA Yan1, CHEN Wen-bin2

(1.Guizhou Puhua Construction Engineering Co., Ltd., Guiyang 550002, China; 2.College of Water Resources and Architecture Engineering, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China)

Single anti-seepage technology cannot be good at both the impervious walls embedded into the bedrock impermeable layer and higher economy during the construction of ultra-thin impervious wall with 15～30 cm thickness. The construction feasibility, economy and anti-seepage reinforcement effect of have been analyzed based on engineering case of the small reservoir reinforcement project. Combined with the high-pressure jet grouting technology, the construction efficiency of anti-seepage composite technology is 55% higher, while the economic cost is about 20% lower. Every index of seepage control body with good overall continuity and density is proved to meet the designed requirements by excavating checks, water injection experiments and indoor sampling inspections.

vibration sinking; high-pressure jet grouting; permeability coefficient; ultra-thin impervious wall

2016-09-20

國家科技支撐計劃項目(2015SXC21P35)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項資金(37809506)

查 演(1980-)，男，陜西乾縣人，高級工程師，主要從事水利水電工程建設(shè)與管理工作.

TV543

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1008-536X(2017)04-0011-04