新疆某水電站引水渠道變形處理技術(shù)措施

于云飛

(新疆伊犁特克斯河水電開發(fā)有限公司，新疆伊犁835000)

1 概 述

新疆某水電站引水渠道工程樁號(hào)K3+500—4+400段渠道設(shè)計(jì)采用矩形斷面，重力墻結(jié)構(gòu)形式，墻頂寬0.6 m，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，墻底寬3 m，渠道底板為現(xiàn)澆0.5 m厚混凝土板。該渠道基礎(chǔ)以下存在全新統(tǒng)(Q4dl)坡積含礫粉土層，具中等—強(qiáng)烈濕陷性，工程性質(zhì)差，設(shè)計(jì)采用換填卵礫石的方案予以處理。其中3+500～3+900段坡積物厚度較大，換填深度以渠基底以下8 m控制，坡積物厚度大于8 m時(shí)，開挖至8 m深進(jìn)行試挖，所剩坡積物厚度小于1 m全部進(jìn)行換填，大于1 m換填厚度為8 m；3+900～4+200段坡積物厚度相對(duì)較小，對(duì)渠基以下坡積物全部挖出，采用砂礫石料換填至渠道建基，渠道基礎(chǔ)處理方案及施工過程中的具體實(shí)施情況如下所示(見圖1)。

圖1 3+800～4+200段渠道施工斷面

2 渠道變形情況

渠道底板與邊墻裂縫寬度為2～102 mm，左側(cè)裂縫寬度明顯大于右側(cè)，裂縫較寬部位混凝土結(jié)構(gòu)底部砂礫石細(xì)顆粒流失。渠道右側(cè)邊墻基本上無裂縫，左側(cè)邊墻出現(xiàn)不同程度的錯(cuò)位；渠道左堤伴行路外側(cè)出現(xiàn)明顯沉陷，形成凹坑。經(jīng)現(xiàn)場察看，渠道左堤邊坡中下部發(fā)現(xiàn)滲水出溢點(diǎn)(見圖2)。

圖2 渠道變形情況現(xiàn)場照片

3 原因分析

(1)外水影響

經(jīng)現(xiàn)場察看，該渠段右側(cè)坡面融雪水和雨水匯流至擋墻外側(cè)低洼區(qū)。由于無排水通道，坡面匯水沿回填區(qū)下滲至渠基底部，誘發(fā)渠基不良土體發(fā)生變形；因此，渠道右岸坡面外水入滲是造成渠道變形的主要誘因。

(2)渠堤外側(cè)坡積物變形

根據(jù)渠基坡積物換填范圍、開挖斷面及施工地質(zhì)資料，該段渠道開挖斷面底部地層為卵礫石層，坡積含礫粉土層在基底部位已清除，左、右側(cè)開挖邊坡存在含礫粉土層，在飽和工況下存在變形的可能。受右側(cè)坡面外水入滲的影響，含礫粉土層達(dá)到飽和狀態(tài)，發(fā)生明顯的沉降變形，進(jìn)而引發(fā)換填砂礫石層發(fā)生側(cè)向沉降變形，導(dǎo)致渠道邊墻發(fā)生沉降變形。由于渠基換填砂礫石層左側(cè)側(cè)限相對(duì)較弱，沉降變形量較大，右側(cè)靠近山體，側(cè)限相對(duì)較大，沉降變形量較小。

(3)換填區(qū)自身沉降變形分析

該段渠基采用砂礫石換填,設(shè)計(jì)要求壓實(shí)相對(duì)密度不小于0.8,施工單位自檢及監(jiān)理質(zhì)量檢測均符合設(shè)計(jì)要求。該段渠道渠基換填砂礫石厚度為8 m左右，自身沉降量很小，不是渠道發(fā)生變形的主要原因。

(4)地基滑動(dòng)破壞分析

從該段渠道地形條件看，渠道基本座落于山體坡腳位置，右岸山體天然坡度較緩，渠道左側(cè)為階地平臺(tái)，渠道距階地臨空面距離較遠(yuǎn)，渠基發(fā)生深層滑動(dòng)的可能性不大。從渠基地層結(jié)構(gòu)來看，渠基產(chǎn)生深層滑動(dòng)的條件是地層結(jié)構(gòu)中存在軟弱結(jié)構(gòu)面，軟弱結(jié)構(gòu)面在水的作用下才有可能發(fā)生滑動(dòng)。本工程渠基地層結(jié)構(gòu)中無明顯的軟弱結(jié)構(gòu)面，且無地下水，渠道通過采取外水排水措施、內(nèi)水防滲措施后，不存在渠基產(chǎn)生滑動(dòng)的外界條件，渠基不會(huì)產(chǎn)生深層滑動(dòng)。

(5)左渠堤外側(cè)沉陷凹坑對(duì)渠道變形影響的分析

發(fā)生該情況主要因?yàn)橐陨蟽商幬恢檬┕挝徊捎猛诰驒C(jī)挖掘了4 m左右深的探坑,后期由于回填不夠密實(shí),填筑渠堤時(shí)未引起足夠重視,導(dǎo)致施工后遇水基礎(chǔ)沉降,渠堤頂伴渠路出現(xiàn)沉陷和凹坑。渠堤凹坑距離左側(cè)重力墻基礎(chǔ)較遠(yuǎn)，對(duì)渠道變形影響較小，不是造成渠道沉降變形的主要原因。

4 處理方案

經(jīng)過現(xiàn)場察看以及結(jié)合渠道變形原因分析，對(duì)該段渠道裂縫及其他隱患部位主要采取以下處理措施。

4.1 截水、排水措施

為了保證渠道右側(cè)坡面水快速進(jìn)入渠道，不下滲至渠基，將右側(cè)邊墻至Y011線道路間低洼區(qū)采用黃土回填整平，上部采用30 cm水泥土封閉，水泥含量4%，黃土和水泥土填筑壓實(shí)度不小于95%，水泥土頂面高于渠頂10 cm，填筑頂面橫向向渠內(nèi)側(cè)設(shè)4%橫坡，將坡面水疏導(dǎo)至梯形斷面渠道排入渠道。

4.2 左渠堤加固

為了保證運(yùn)行維護(hù)車輛通行安全，對(duì)左側(cè)渠堤伴行路外側(cè)塌陷區(qū)采用砂礫石補(bǔ)填至現(xiàn)狀伴渠路高度，填筑壓實(shí)相對(duì)密度不小于0.75；并對(duì)兩個(gè)塌陷區(qū)進(jìn)行充填灌漿，灌漿深度根據(jù)鉆孔情況確定，打穿塌陷區(qū)松散土體即可。每個(gè)塌陷區(qū)沿渠道縱向布置1排灌漿孔，每排3個(gè)灌漿孔，孔距2.0 m。盡量采用小的灌漿壓力進(jìn)行充填灌漿，將左側(cè)渠堤頂面修整為向伴渠路外側(cè)4%的橫坡。

4.3 基礎(chǔ)加固處理

4.3.1 加固范圍及措施的確定

根據(jù)本次渠道變形原因分析，其主要誘因?yàn)橥馑霛B，在無外水入滲及渠道內(nèi)水無大量滲漏的條件下，渠基基本不會(huì)產(chǎn)生沉降變形。因此本次渠基加固處理范圍主要以已發(fā)生沉降變形段為主，并向上、下游各延伸10 m。具體方案為對(duì)已經(jīng)發(fā)生變形的渠道段重力邊墻基礎(chǔ)采用水泥漿充填灌漿，將渠基以下一定范圍內(nèi)的換填砂礫石地層充填密實(shí)。

4.3.2 可灌性分析

砂礫石地層的可灌性與緊密程度、膠結(jié)情況及顆粒級(jí)配等有關(guān)。本次根據(jù)顆粒級(jí)配曲線，分析地層的可灌性。

(1)可灌比值

可灌比值是砂礫石地層能否接受某種灌漿材料進(jìn)行有效灌漿的一種指標(biāo)，通常用下式表示：

式中，M為可灌比值；D15為砂礫石地層中含量為15%的顆粒粒徑(mm)，查料場補(bǔ)勘砂礫石換填料級(jí)配曲線D15=1.1 mm；d85為灌漿材料中含量為85%的顆粒的粒徑(mm)，初選水泥采用425，d85=0.06 mm。

經(jīng)計(jì)算，可灌比值M=18，當(dāng)M≥15時(shí)可以采用灌注水泥漿。

(2)小于0.1 mm顆粒含量

一些工程的實(shí)踐表明，對(duì)于小于0.1 mm顆粒含量少于5%的砂礫石地層都可接受水泥漿的有效灌注。根據(jù)換填料級(jí)配曲線，換填砂礫石中小于0.1 mm顆粒含量為4.8%，換填層砂礫石具有可灌性。

通過以上分析，本次砂礫石地層具備可灌性，灌漿采用水泥漿，水泥采用425普通硅酸鹽水泥。

4.3.3 灌漿孔布置

引水渠3+870～3+990段沿渠道縱向布置4排灌漿孔，具體為矩形渠道左、右重力式邊墻墻踵和墻趾各布置1排孔，共計(jì)4排孔；孔邊距墻腳距離為5 cm，可根據(jù)施工情況進(jìn)行調(diào)整，但灌漿孔不得損壞渠槽內(nèi)縱向止水帶，孔距為2.0 m(見圖3、圖4)。

圖3 灌漿孔平面布置

圖4 灌漿孔布置橫斷面

4.3.4 灌漿技術(shù)指標(biāo)

(1)水灰比

水泥漿的水灰比一般變化范圍為0.6～2，初擬水灰比為1∶1，具體水灰比根據(jù)灌漿試驗(yàn)確定，灌漿試驗(yàn)水灰比可按0.6∶1、0.8∶1、1∶1和1∶2的比級(jí)進(jìn)行調(diào)整。邊排孔宜采用水泥含量較高的漿液，中間孔可采用水泥含量較低的漿液。灌漿施工過程中，必須嚴(yán)格按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》(SL 62—2014)執(zhí)行，避免漿液對(duì)換填砂礫石地層造成二次破壞。

(2)灌漿壓力

灌漿壓力選擇以不會(huì)使地面產(chǎn)生變化和渠道底板受到影響前提下可能采用的最大壓力。初擬灌漿壓力：渠道邊墻外側(cè)灌漿壓力不超過0.2 MPa，具體由灌漿試驗(yàn)結(jié)果確定。

(3)灌漿量

斷面每延米灌注所需的漿液用量Q參照下式計(jì)算：

Q=KVn

式中，Q為漿液總用量(m3)；V為注漿對(duì)象的土量(m3)；n為土孔隙率(%)；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，砂礫石取0.9。

根據(jù)選定灌漿深度，灌漿量計(jì)算分灌漿區(qū)灌漿量和影響區(qū)灌漿量(包括灌漿影響深度1 m)。灌漿橫向影響寬度為灌漿孔外側(cè)1 m。

本次灌漿以將灌漿范圍內(nèi)砂礫石孔隙率控制在10%以內(nèi)為準(zhǔn)，根據(jù)砂礫石層孔隙率和施工檢測資料估算的換填層砂礫石孔隙率，經(jīng)計(jì)算總灌漿量為266 m3。灌漿過程控制采用控制灌漿，依據(jù)灌漿范圍、灌漿深度及灌漿孔布置，總灌漿量折算至灌漿孔每米灌漿量為0.73 m3，即初擬砂礫石灌漿以每米灌漿量0.73 m3為控制指標(biāo)。實(shí)際每米灌漿量可通過灌漿試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)核調(diào)整。

(4)灌漿順序

考慮本次灌漿地基為砂礫石，灌漿方法采用套管灌漿法。施工工序是：套管護(hù)壁鉆孔→下入注漿管→起拔套管→安裝灌漿塞→灌漿→再次拔套管及灌漿管→安裝灌漿管→灌漿→重復(fù)上述工序，灌漿至止?jié){高度。

各道工序應(yīng)注意如下技術(shù)要點(diǎn)：套管護(hù)壁鉆進(jìn)灌漿孔至設(shè)計(jì)深度，包括先打管后鉆進(jìn)和先鉆進(jìn)后打管的方法，以及使用擴(kuò)孔鉆頭鉆孔套管跟進(jìn)的方法，直至終孔。然后在套管內(nèi)下入下端帶有花管的灌漿管至孔底段，起拔套管至第一灌漿段段頂，安裝灌漿塞對(duì)第一段進(jìn)行灌漿；之后再分別上提套管和灌漿管，自下而上的逐段灌漿。

由于拔管后容易塌孔，每個(gè)灌漿段不能太長，視地層的穩(wěn)定情況，一般為1～2 m。按渠道斷面橫向，應(yīng)先灌渠道邊墻外側(cè)，后灌邊墻內(nèi)側(cè)。

(5)灌漿結(jié)束條件與封孔

各孔段灌漿的結(jié)束條件應(yīng)根據(jù)地層情況以及灌漿孔所在的部位等由試驗(yàn)確定，具體參照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》(SL 62—2014)執(zhí)行。

4.3.5 質(zhì)量檢查

本次砂礫石層灌漿的目的是提高換填砂礫石層可能存在的松動(dòng)區(qū)和裂隙的密實(shí)度，灌漿后質(zhì)量檢查按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行。

4.4 裂縫處理措施

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，渠道底部縱縫裂開的范圍為3+876～3+980段，局部段落裂縫發(fā)育導(dǎo)致止水帶被拉裂，因此必須對(duì)裂縫進(jìn)行處理。底板縱橫縫處理措施：基礎(chǔ)灌漿處理完成后，對(duì)現(xiàn)狀開展的底板縱橫縫采用水泥砂漿灌縫。邊墻裂縫處理措施:對(duì)邊墻止水已破壞和兩邊墻錯(cuò)縫超過1 cm的分縫設(shè)置表止水，表止水采用5 mm厚橡皮止水帶，通過膨脹螺栓固定于邊墻。

5 保證措施

(1)由于該填方渠道段變形原因復(fù)雜，通過變形特征結(jié)合地質(zhì)條件分析終究缺乏驗(yàn)證，在此次維修加固完成后，建議在變形部位布置豎井及進(jìn)行相關(guān)現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證該渠道發(fā)生變形破壞的原因。

(2)在該變形區(qū)段增設(shè)永久安全監(jiān)測設(shè)施，永久監(jiān)測類別主要為變形監(jiān)測，監(jiān)測項(xiàng)目為水平位移和垂直位移監(jiān)測。在后期運(yùn)行過程中進(jìn)行安全監(jiān)測能夠及時(shí)了解渠道變形是否進(jìn)一步發(fā)展，具有科學(xué)評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)加固質(zhì)量、安全預(yù)報(bào)等職能。

(3)該填方渠道段在此次修復(fù)加固后應(yīng)引起足夠重視，在渠道通水或者遭遇較大降雨后，應(yīng)作為水工運(yùn)行人員重點(diǎn)巡視和檢查對(duì)象，發(fā)現(xiàn)問題做好記錄并及時(shí)上報(bào)處理。

6 結(jié) 語

填方渠道發(fā)生沉降變形是渠道建成后普遍存在的一種現(xiàn)象，沉降變形會(huì)大大降低渠道的抗?jié)B能力，并嚴(yán)重影響渠道的使用功能。本案中，此段渠道剛好位于一處村莊上方，幸好此時(shí)渠道還未通水，如在渠道通水情況下，后果將不堪設(shè)想。新疆北部冬季漫長，積雪厚度較深，一般到來年4月是專門人員操作。

(4)供水可靠性高。在水源供水中斷情況下，儲(chǔ)存凈水滿足設(shè)備用水需求，確保連續(xù)供水。

(5)運(yùn)行可靠。本創(chuàng)造發(fā)明采用機(jī)械自動(dòng)排污，運(yùn)行可靠性高。

(6)具有預(yù)警功能。極端情況導(dǎo)致供水中斷，裝置可提前預(yù)警，預(yù)留出足夠時(shí)間進(jìn)行處理。

(7)性價(jià)比高。優(yōu)化后水過濾裝置結(jié)構(gòu)科學(xué)，制作安裝成本很低，不存在易損件，各部件牢固耐用，尤其適用于小型水電站。

(8)具有二次砂石沉淀功能。砂石在經(jīng)過過濾罐過濾后，進(jìn)入沉沙池，進(jìn)行二次沉淀，確保水質(zhì)更加純凈。

(9)機(jī)械自動(dòng)清洗。濾網(wǎng)堵塞后，自動(dòng)打開排沙管，進(jìn)行排污。

(10)砂石、樹枝排污渠道分離，互不影響。

(11)智能化程度高。預(yù)警信號(hào)可以直接與管理人員手機(jī)中斷鏈接，便于第一時(shí)間掌握現(xiàn)場情況。

7 結(jié) 語

該系統(tǒng)自2015年投運(yùn)以來，先后經(jīng)歷了3個(gè)主汛期，沒有因?yàn)榧夹g(shù)供水中斷導(dǎo)致機(jī)組被迫停機(jī)，大大提高了技術(shù)供水系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。經(jīng)向周邊電廠推廣使用，技術(shù)供水連續(xù)性、安全性均大大提高。