高壓噴射灌漿防滲墻技術(shù)在水庫壩體防滲加固中的應(yīng)用

甄新娟

(新疆昌吉方匯水電設(shè)計有限公司，新疆 昌吉 831100)

1 工程概況

貢拜溝水庫位于新疆天山北麓、吉木薩爾縣境內(nèi)貢拜溝泉水河出山口。該工程是一座以防洪、灌溉為主的小(1)型山區(qū)水庫，水庫總庫容289.05萬m3，最大壩高30 m。貢拜溝水庫始建于1965年，目前壩頂高程、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)已不滿足規(guī)范要求，壩體、壩基滲漏嚴(yán)重，嚴(yán)重影響大壩運行安全，必須采取必要的防滲加固措施。

2 工程地質(zhì)條件

貢拜溝水庫大壩為均質(zhì)土壩，填筑料以粉土為主。庫區(qū)地層為三迭系黃山街組，可分為五個巖性段，從上至下依次為第四系上更新統(tǒng)的風(fēng)積黃土(1.5～15 m)、冰水沉積礫卵石(10～15 m)及三迭系砂巖。

水庫主河床壩段壩基處于河槽底部，坐落在微風(fēng)化砂巖上，基巖透水率<5 Lu，設(shè)有深至基巖的黏土截水槽，本次不做處理。而左岸岸坡壩段(樁號0+140～0+450)壩基落在Ⅱ級階地上，存在3～8 m砂卵石層，滲漏問題嚴(yán)重。經(jīng)專家組現(xiàn)場勘察討論，最終確定采用往復(fù)式高壓噴射灌漿防滲墻進(jìn)行壩體、壩基防滲。

3 高壓噴射灌漿防滲墻應(yīng)用設(shè)計

3.1 高壓噴射灌漿管類型設(shè)計

目前，高壓噴射灌漿技術(shù)分為：單管法、二管法、三管法[1]。經(jīng)過大量試驗表明：固結(jié)體強(qiáng)度主要取決于土質(zhì)、漿液、灌漿管類型及提升速度、灌漿量等。對于水工建筑防滲，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定灌漿28 d后強(qiáng)度必須達(dá)到黏土為3～5 MPa；粉土為5～8 MPa；砂土為8～20 MPa[2]。

不同噴射管所形成的防滲固結(jié)體抗壓強(qiáng)度參考值見表1[3]，結(jié)合本項目實際情況，最終確定采用“三管法”對貢拜溝水庫壩體和壩基進(jìn)行防滲加固。

表1 固結(jié)體抗壓強(qiáng)度 MPa

3.2 高壓噴射防滲墻布置形式設(shè)計

目前，高壓噴射防滲墻布置形式主要有圖1所示四種類型[4]，其中折線型防滲墻憑借連接可靠、墻體厚度較大、方便施工等優(yōu)點，應(yīng)用最為廣泛。因此，本項目最終設(shè)計的防滲墻要求最小厚度為0.3 m，板面平整、堅硬，板墻應(yīng)為折線型無縫搭接、連續(xù)完整。

圖1 高壓噴射防滲墻常用布置形式

3.3 孔距、噴射長度及孔深設(shè)計分析

孔距L對于高壓噴射灌漿防滲墻質(zhì)量有著決定性作用，本項目采用理論計算和現(xiàn)場試驗確定最佳孔距L，其中計算公式見式(1)[5]，得出孔距L=1.6 m，現(xiàn)場試驗分別設(shè)置L=1.4、1.5、1.6 m，最終得出當(dāng)L=1.4 m時防滲墻各項指標(biāo)滿足要求，所以選取L=1.4 m。

結(jié)合其他工程經(jīng)驗及現(xiàn)場試驗，確定出折線型防滲墻軸線與折線軸線夾角為120°，擺角30°，采用Ⅲ序孔相間灌漿，即鉆孔按照順序編為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，首先間隔灌注所有Ⅰ#孔，待灌注完畢后再分別灌注Ⅱ#、Ⅲ#孔(如圖2所示)[6]。

(1)

式中：R為漿液擴(kuò)散半徑，cm；b為設(shè)計帷幕灌漿厚度，cm。

圖2 貢拜溝水庫大壩防滲墻鉆孔布置(單位：mm)

4 高壓噴射防滲墻施工應(yīng)用分析

4.1 高壓噴射灌漿施工參數(shù)

4.1.1 灌漿設(shè)備選取

不同的灌漿法對設(shè)備種類要求也不相同，各類灌漿法所用設(shè)備清單見表2[7]。貢拜溝水庫大壩防滲加固工程因使用“三管法”，所以按照清單定型便可，具體選型結(jié)果如下：

表2 各類灌漿法的所用設(shè)備清單

(1)鉆機(jī)。本項目選用GJ-150S型工程鉆機(jī)，適用于砂層、黏土層、基巖等地層，最大鉆進(jìn)能力約100 m，孔徑110～150 mm，本項目鉆孔深度最大60 m，孔徑設(shè)計120 mm。

(2)高壓水泵。要求壓力、流量穩(wěn)定且可調(diào)節(jié)，本項目選用3D2-S型高壓柱塞泵，體積小、流量大，非常適合“三管法”，額定壓力30～50 MPa，流量50～100 L/min[8]。

(3)普通泥漿泵。在“三管”及“多管”施工中，BW系列三缸臥式單作用往復(fù)式普通泥漿泵是較好選擇。

(4)高壓膠管。在高壓噴射灌漿施工中，要求膠管工作壓力大于40 MPa，一般選用四單向雙層、六單向三層鋼絲纏繞式(本項目選用后者)。若在使用中一旦某管路發(fā)生鼓包、外皮射水則應(yīng)整段更換。

4.1.2 漿液制作參數(shù)

不同漿液種類其配料成分及適用環(huán)境均有區(qū)別，主要分類見表3[9]。由于貢拜溝水庫大壩壩基地下水含量較大，因此設(shè)計使用速凝早強(qiáng)型漿液，選用525號普通硅酸鹽水泥，早強(qiáng)劑選用水玻璃，并摻合高效擴(kuò)散劑NNO。

表3 漿液分類及特點

4.1.3 高壓灌注施工參數(shù)

施工參數(shù)合理與否直接決定了高壓噴射防滲墻質(zhì)量及造價，主要涉及到水、氣、漿壓力及流量，噴射壓力越大，相應(yīng)的流量越大，固結(jié)體尺寸也會越大。其次，提升、擺噴、旋轉(zhuǎn)速度等也會影響防滲墻質(zhì)量。本項目通過現(xiàn)場試驗在參考值基礎(chǔ)上調(diào)整20%左右，效果良好。不同噴灌類型下施工參數(shù)參考值見表4。

表4 高壓噴射灌漿施工參數(shù)表

4.2 問題及應(yīng)對措施分析

在高壓注漿過程中偶爾會遇到各類問題，下面是貢拜溝水庫大壩防滲灌漿施工時所遇到的一些問題及應(yīng)對措施。

4.2.1 不冒漿和冒漿處理

當(dāng)冒漿量小于灌注量的20%時屬正?，F(xiàn)象，若超過該值或完全不冒漿，則應(yīng)查明情況。本項目不冒漿是遇到以下幾類情況：①進(jìn)入土質(zhì)松軟地層，為正?，F(xiàn)象，進(jìn)行復(fù)噴；②地層內(nèi)有空洞，不提升灌漿管，持續(xù)灌漿直到冒漿為止。而減少冒漿量措施為：①在灌注量不變的前提下，提高噴射壓力(20%以內(nèi))；②適當(dāng)縮小噴嘴孔徑，并加快提升和旋轉(zhuǎn)速度；③停止灌漿，換為灌注水泥砂漿。

4.2.2 固結(jié)體問題處理

(1)固結(jié)體強(qiáng)度不均，在有機(jī)質(zhì)含量較大土層中強(qiáng)度低，結(jié)合地質(zhì)資料，根據(jù)土層厚度和深度及時調(diào)整噴射參數(shù)，加大噴射壓力、漿液稠度，必要時進(jìn)行復(fù)噴。

(2)固結(jié)體垂直度較差，會嚴(yán)重影響防滲墻強(qiáng)度和防滲性，因此本項目要求每灌漿10 min對灌注管進(jìn)行一次測直，垂直度偏差要求不大于1/100，對于垂直度較差地段可進(jìn)行復(fù)噴。

4.2.3 工程應(yīng)用效果分析

灌漿結(jié)束30 d后采用“頂部開挖、水平取芯”法對灌漿質(zhì)量進(jìn)行檢測，重點測量墻體厚度。本項目共取芯60個，編號1#～60#，檢測厚度見表5。通過檢測，各地層中灌漿帷幕墻厚度均大于20 cm，各序孔交接處無明顯接痕跡，膠結(jié)牢固，無滲水現(xiàn)象，說明防滲效果良好。貢拜溝水庫大壩經(jīng)除險加固投入使用后，防滲性確實得到顯著提升，透水率遠(yuǎn)小于5 Lu。

表5 灌注墻體厚度部分統(tǒng)計 cm

5 結(jié) 論

高壓噴射灌漿防滲墻技術(shù)可顯著提高壩體、壩基防滲性，且施工規(guī)模小、成本低，不需要對壩體進(jìn)行大范圍整修擴(kuò)建，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。貢拜溝水庫壩體經(jīng)過防滲加固并使用多年后，滲漏量始終保持在規(guī)定值以下。但應(yīng)用該技術(shù)時需要緊密結(jié)合工程實際情況，根據(jù)地質(zhì)條件設(shè)計各項參數(shù)，這樣才能做到“因地制宜”。