土石壩除險(xiǎn)加固超薄防滲墻組合防滲技術(shù)研究

吳天奇 翟澤冰

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工結(jié)構(gòu)工程技術(shù)中心，江西 南昌 330029)

混凝土防滲墻作為一種可靠的垂直防滲設(shè)施，在水利防滲工程中得到廣泛應(yīng)用并取得了較好的防滲加固效果[1]?；炷练罎B墻施工方法較多，有樁柱式、板樁灌輸式、槽板式、泥漿槽灌注式等，各有其適應(yīng)性和優(yōu)勢(shì)。受制于工程水文地質(zhì)、防滲體結(jié)構(gòu)體型、防滲深度和墻板厚度等因素，工程實(shí)踐應(yīng)用中單一防滲技術(shù)很難兼顧技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和施工等方面，如：高噴灌漿噴射工藝對(duì)于地質(zhì)適應(yīng)性和防滲深度有很強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于薄(超薄)防滲墻而言，因其工程量較小，工程投資經(jīng)濟(jì)效益不高[2]；振動(dòng)沉模技術(shù)因其施工工藝簡(jiǎn)單，對(duì)工程量較小的防滲墻，具有施工工效高、價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯的特點(diǎn)，但其防滲深度受施工機(jī)械設(shè)備的制約，最佳防滲深度為15～20m,最深僅達(dá)25m[3]。采用2種及以上技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合防滲，取各自優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，對(duì)于壩高超過25m的中小型土石壩薄(超薄)混凝土防滲墻的施工質(zhì)量保障尤為重要。鑒于此，本文探討聯(lián)合傳統(tǒng)高噴灌漿與新型振動(dòng)沉模，對(duì)七里坡水庫(kù)黏土心墻土石進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理，在獲得較好防滲效果的前提下，經(jīng)兩種施工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了施工工效，降低了防滲墻綜合造價(jià)。

1 組合防滲施工技術(shù)工作原理

對(duì)于地層相對(duì)較復(fù)雜、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求較低的中小型土石壩除險(xiǎn)加固工程的防滲措施，設(shè)計(jì)要綜合考慮地質(zhì)適應(yīng)性、防滲深度和工程造價(jià)等因素。振動(dòng)沉模技術(shù)作為一種新型防滲技術(shù)，通過雙模板交叉施工可實(shí)現(xiàn)無接縫、不開叉、一次連續(xù)平整成墻，成墻厚度為8～25cm，可實(shí)現(xiàn)薄(超薄)防滲墻成墻，在20m深度范圍內(nèi)具有明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但其防滲深度淺，不能深入基巖相對(duì)不透水層成為其應(yīng)用的制約因素[4]。高噴防滲墻作為一種傳統(tǒng)防滲技術(shù)，在地質(zhì)適應(yīng)性、防滲深度和可深入基巖等方面均具有優(yōu)勢(shì)，但造價(jià)較高。針對(duì)中小型土石壩(壩高超過20m)的特點(diǎn)，考慮20m范圍內(nèi)采用振動(dòng)沉模，超出及深入基巖部分則采用高噴灌漿進(jìn)行聯(lián)合施工，實(shí)現(xiàn)兩種防滲技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在滿足防滲的基礎(chǔ)上，降低工程投資。

1.1 振動(dòng)沉模工作原理

振動(dòng)沉模防滲墻施工主要設(shè)備包括壓模系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)兩部分，目前我國(guó)水利工程領(lǐng)域主要以“雙模板振動(dòng)沉?！睘橹?，其施工程序?yàn)椋孩偻ㄟ^機(jī)械式振動(dòng)錘將模板A沉入到設(shè)計(jì)深度土層中→②緊挨著上一模板A將模板B沉入土層中→③向壓入模板A內(nèi)部灌注漿液，并振動(dòng)提升模板A→④啟動(dòng)步履式樁機(jī)沿防滲軸線前移，并再次壓入模板A→⑤向壓入模板B內(nèi)部灌注漿液，并振動(dòng)提升模板B→⑥啟動(dòng)步履式樁機(jī)沿防滲軸線前移，并再次壓入模板B，如此循環(huán)直至完成整道防滲墻的施工。雙模板振動(dòng)沉模防滲墻施工程序如圖1所示。

圖1 雙模板振動(dòng)沉模施工程序

1.2 高壓噴射灌漿工作原理

高壓噴射灌漿(簡(jiǎn)稱高噴灌漿)采用鉆機(jī)鉆孔，將裝有特制噴嘴的注漿管下沉至設(shè)計(jì)預(yù)定深度，利用高速射流束沖擊、切割土體，通過強(qiáng)烈擾動(dòng)摻攪后凝結(jié)成連續(xù)防滲結(jié)構(gòu)體，改變?cè)貙拥慕Y(jié)構(gòu)和組成，達(dá)到提高地基或填筑體防滲性能和承載力的目的[5-6]。高噴灌漿施工程序?yàn)椋孩俟酀{試驗(yàn)(現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定灌漿施工參數(shù))→②測(cè)量放線、灌漿孔定位(按照施工圖紙及規(guī)范要求進(jìn)行樁位放樣定位，并進(jìn)行定位樁編號(hào)標(biāo)識(shí))→③鉆孔(地質(zhì)鉆機(jī)回旋轉(zhuǎn)進(jìn))→④下噴射管(高噴臺(tái)車就位，并試噴調(diào)試噴漿系統(tǒng))→⑤供氣、供漿、灌漿(輸送水泥漿、壓縮空氣及高壓水進(jìn)行噴射灌漿)→⑥終噴、封孔(回灌至施工平臺(tái)頂部封孔)，如圖2所示。

圖2 高噴灌漿施工程序

2 組合防滲應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 大壩病險(xiǎn)現(xiàn)狀

七里坡水庫(kù)修建于1977年，竣工于1980年，是一座以灌溉為主兼引水發(fā)電、城市供水等綜合利用的小(1)型水庫(kù)。水庫(kù)控制流域面積7.52km2，總庫(kù)容357.5萬m3。大壩為黏土心墻壩，壩基高程561.75m，壩頂高程593.25m，最大壩高31.5m。大壩心墻基礎(chǔ)直接置于強(qiáng)風(fēng)化巖石上，由于受當(dāng)時(shí)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)和投資資金等因素制約，大壩未做地質(zhì)勘探，且屬于典型“三邊”工程，質(zhì)量監(jiān)管缺失，施工質(zhì)量較差。建成蓄水試運(yùn)行時(shí)就發(fā)現(xiàn)局部滲漏點(diǎn)，給水庫(kù)留下較大安全隱患，長(zhǎng)期低水位帶病運(yùn)行。1996年和2003年，分別對(duì)水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理，但僅限于大壩局部培厚加固、溢洪道改建等，未進(jìn)行全面的安全鑒定。2015年，現(xiàn)場(chǎng)踏勘和鉆芯取樣試驗(yàn)表明，大壩砌筑質(zhì)量整體較差，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，未發(fā)現(xiàn)明顯變形及塌鼓等現(xiàn)象。在大壩下游壩坡右側(cè)排水溝及壩肩山坡低洼處存在明顯滲水現(xiàn)象，滲流量為1.2L/s。使用雷達(dá)探測(cè)和大地電導(dǎo)率法分別對(duì)滲水區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，表明下游壩坡馬道以下樁號(hào)0+075.500～0+086.500、0+123.500～0+129.000壩段2.6～13.5m深度范圍內(nèi)存在軟弱層，透水性較強(qiáng)，且呈現(xiàn)從壩體內(nèi)至外逐漸向右偏移的發(fā)展趨勢(shì)。大壩壩體填筑質(zhì)量較差、壩基巖石強(qiáng)分化、壩體局部滲漏嚴(yán)重等，致使工程存在較多安全隱患且呈逐年增加趨勢(shì)，急需采取合理防滲措施進(jìn)行加固處理，確保水庫(kù)功能正常穩(wěn)定發(fā)揮。

2.2 除險(xiǎn)加固防滲方案

防滲心墻直接置于強(qiáng)風(fēng)化巖石上，深2.8m左右，風(fēng)化巖石質(zhì)地及完整性較差且節(jié)理裂隙發(fā)育，承載力較低導(dǎo)致壩體出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。鑒于壩體土石填筑料均勻度較差、壩基巖石風(fēng)化承載力低、壩體局部滲漏等問題，須通過灌漿和修筑防滲墻來提高壩基彈模、承載力和增強(qiáng)壩體防滲性能。鑒于七里坡土石壩最大壩高只有31.50m、防滲墻須貫穿壩頂至壩基等特點(diǎn)，經(jīng)與劈裂灌漿和復(fù)合土工膜等防滲方案進(jìn)行對(duì)比，振動(dòng)沉模防滲墻施工技術(shù)不僅適用于20cm超薄防滲墻施工，同時(shí)其經(jīng)濟(jì)效益和防滲效果更佳?？紤]到壩高31.50m已經(jīng)超過振動(dòng)沉模技術(shù)的最優(yōu)防滲深度20m以內(nèi)，設(shè)計(jì)優(yōu)化確定分段聯(lián)合振動(dòng)沉模和高噴灌漿兩種施工技術(shù)，通過兩者間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在滿足防滲的基礎(chǔ)上，提高工程施工工效和投資經(jīng)濟(jì)效益，即：壩體中上部(20m)采用振動(dòng)沉模技術(shù)施工超薄防滲墻，厚20cm；壩基采用高壓噴射灌漿以提高壩基承載力，并向上與振動(dòng)沉模防滲墻連接(高12.5m)，厚5～30cm；高噴灌漿與振動(dòng)沉模間搭接1m。在壩基和壩體內(nèi)部自下而上澆筑施工形成連續(xù)完整的垂直防滲幕墻，經(jīng)防滲墻截水、阻水達(dá)到防滲目的。大壩除險(xiǎn)加固組合防滲方案如圖3所示。

圖3 大壩除險(xiǎn)加固組合防滲結(jié)構(gòu)

2.2.1 高噴灌漿施工

壩基至相對(duì)不透水層3m以上及壩體574.25m高程以下12.5m范圍內(nèi)均采用高壓旋噴工藝進(jìn)行灌漿施工，鉆孔孔距0.8～1.2m(粒徑大取小值),孔徑不小于90mm；高壓水泥漿比重1.4～1.5，泥漿壓力不小于35MPa，漿量70～100L/min；壓縮空氣壓力不小于0.6～0.8MPa,流量0.8～1.2m3/min；噴漿管提升速率6～12cm/min(漏漿嚴(yán)重時(shí)取小值)；噴漿管旋轉(zhuǎn)速度8～10r/min，擺角360°；灌漿嵌入基巖深度不小于3m，達(dá)相對(duì)不透水層。按三序加密施工，相鄰間隔要求在24h以上，嚴(yán)格控制施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況合理調(diào)整灌漿參數(shù)。對(duì)灌漿過程中質(zhì)量把握不定的孔應(yīng)待原因查明后，嚴(yán)格進(jìn)行復(fù)灌處理。

2.2.2 振動(dòng)沉模施工

鑒于七里坡水庫(kù)原防滲心墻的黏土特點(diǎn)，振動(dòng)沉模防滲加固施工以水泥和優(yōu)質(zhì)黏土為主要材料。防滲板墻布置在壩體中上部20m，并分別向左右兩壩肩嵌入山體10m。防滲漿液采用普通硅酸鹽水泥和優(yōu)質(zhì)黏土配置(水泥∶黏土∶水的配比為1∶0.3∶1)，漿液比重不小于1.6。高頻液壓振動(dòng)錘激振力為570kN，頻率為1050次/min。放樣測(cè)量誤差不大于2cm，平整6m寬作業(yè)平臺(tái)，并沿防滲墻軸線設(shè)置40cm(寬)×60cm(深)漿液導(dǎo)向槽，槽中心誤差不大于5cm；漿液泵灌漿量30m3/h；模板漿液灌滿后振動(dòng)上拔提升速率2～3m/min。灌漿中要嚴(yán)格控制灌漿間隔時(shí)間和模板傾斜度，對(duì)于漏漿、冒漿等問題要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況合理采取限流、嵌縫、濃漿等補(bǔ)救措施，確保整個(gè)防滲板墻具有完整連續(xù)性和良好防滲質(zhì)量。

3 黏土心墻土石壩防滲效果分析

3.1 壩基及壩體高噴灌漿防滲

七里坡水庫(kù)土石壩壩基與基巖接觸帶及壩體下部12.5m范圍內(nèi)采用高壓旋噴工藝施工，共計(jì)完成鉆孔496孔，鉆孔總進(jìn)尺8255m。防滲墻施工結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)采用圍井鉆孔壓水和取芯樣室內(nèi)試驗(yàn)等方法進(jìn)行墻體施工質(zhì)量檢查。根據(jù)大壩整體布置在典型部位設(shè)置4處圍井，開挖進(jìn)行外觀質(zhì)量觀察，防滲墻墻體連續(xù)完整，搭接質(zhì)量良好，有效墻厚(墻體最薄處墻厚約5.8cm、最寬處墻厚約30.5cm，平均墻厚約23.8cm)滿足規(guī)范要求。為檢測(cè)墻體抗壓強(qiáng)度和滲透指標(biāo)能否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對(duì)高噴灌漿試驗(yàn)的4個(gè)圍井進(jìn)行鉆孔取芯樣室內(nèi)抗壓強(qiáng)度檢測(cè)和注水試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 高噴灌漿圍井鉆孔檢測(cè)結(jié)果

表1檢測(cè)結(jié)果表明，圍井鉆孔檢測(cè)的滲透系數(shù)為6.50×10-8～9.13×10-8cm/s，滿足不大于1×10-7cm/s規(guī)范指標(biāo)要求；墻體單根芯樣連續(xù)完整，均勻密實(shí)度好，抗壓強(qiáng)度為2.96～4.25MPa，滿足不小于2.5MPa規(guī)范指標(biāo)要求。通過高噴灌漿，壩基滲漏得到合理處理。

3.2 振動(dòng)沉模防滲板墻防滲

大壩高噴灌漿結(jié)束后即進(jìn)入壩體中上部20m深振動(dòng)沉模防滲板墻施工，總歷時(shí)72天，共完成板墻(厚20cm)面積5168.80m2。通過圍井鉆孔取芯樣直觀觀察，在大壩中上部形成一道連續(xù)、完整的防滲墻帷幕。防滲板墻取芯樣室內(nèi)試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2檢測(cè)結(jié)果表明，圍井鉆孔檢測(cè)的滲透系數(shù)為1.89×10-8～4.25×10-8cm/s，滿足不大于1×10-7cm/s規(guī)范指標(biāo)要求；破壞滲透坡降大于500；墻體單根芯樣連續(xù)完整，均勻密實(shí)度好，抗壓強(qiáng)度為4.65～6.28MPa，滿足不小于4.0MPa規(guī)范指標(biāo)要求。通過振動(dòng)沉模施工充填了壩體裂隙、空洞等滲漏通道，壩體整體滲透穩(wěn)定得到提高，防滲加固修復(fù)效果明顯。

表2 振動(dòng)沉模圍井鉆孔檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

為解決七里坡水庫(kù)土石壩除險(xiǎn)加固工程中防滲墻墻厚超薄、防滲深度深、須深入基巖相對(duì)不透水層和投資經(jīng)濟(jì)效益低等問題，探討將高噴灌漿與振動(dòng)沉模兩種防滲技術(shù)聯(lián)合。通過技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，取得了較好防滲效果和投資經(jīng)濟(jì)效益。主要研究結(jié)論如下：

a.振動(dòng)沉模具有施工工效高、經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)，但其防滲深度和難以深達(dá)基巖相對(duì)不透水層是其應(yīng)用制約因素；高噴灌漿雖可克服振動(dòng)沉模的不足，但其造價(jià)高、經(jīng)濟(jì)性較低。將高噴灌漿與振動(dòng)沉模聯(lián)合，利用優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)分段進(jìn)行組合防滲，其技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上優(yōu)越。

b.七里坡水庫(kù)大壩壩基及壩體下部12.5m范圍內(nèi)采用高噴灌漿，壩體中上半部20m采用振動(dòng)沉模施工防滲墻，有效阻斷了壩基和壩體滲漏通道。圍井鉆孔試驗(yàn)表明，防滲墻體連續(xù)完整、密實(shí)度高，抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)均滿足規(guī)范要求，防滲加固效果好。

c.防滲墻竣工投運(yùn)后，大壩壩基及壩體滲漏問題得到有效治理。組合防滲技術(shù)應(yīng)用于地層相對(duì)較復(fù)雜、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求較低的中小型土石壩除險(xiǎn)加固工程，防滲效果好、施工工效高、投資經(jīng)濟(jì)效益高，具有較好的推廣應(yīng)用前景。