吐魯番市引水工程大壩基礎(chǔ)加固處理技術(shù)

劉洪濱

（新疆水利水電科學(xué)研究院,新疆 烏魯木齊 830049）

1 工程概況

大河沿引水工程位于新疆吐魯番市高昌區(qū)大河沿鎮(zhèn)北部山區(qū),大河沿河上游,大河沿柴場站下游100 m,紅星渠首上游2 km處,距烏魯木齊約120 km,距吐魯番市約60 km,距大河沿鎮(zhèn)約25 km。大河沿引水工程位于大河沿河中上游,是大河沿河上的控制性水利工程,工程壩址位于新疆吐魯番市大河沿鎮(zhèn)境內(nèi),河長36.4 km,壩址以上海拔高程在1555 m～4058 m之間,壩址以上集水面積713 km2,多年平均年徑流量10100 萬m3。

工程主要由擋水大壩、溢洪道、泄洪沖砂放空兼導(dǎo)流洞及灌溉洞組成。最大壩高75.0 m,最高水位下的總庫容為3024 萬m3。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2000）有關(guān)分等指標(biāo),確定本工程為Ⅲ等中型工程。由于該引水工程壩型為土石壩,壩址基礎(chǔ)覆蓋層深度均174 m左右,基礎(chǔ)工程地質(zhì)條件復(fù)雜,再加上下壩址最大壩高超過70 m。

2 工程地質(zhì)條件

本工程河床壩基含漂石砂卵礫石層級(jí)配不良,經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn),含漂石砂卵礫石層最小干密度1.62 g/cm3,最大干密度2.05 g/cm3,顆粒比重2.70 g/cm3。河床淺部（0～3.5 m厚）的含漂石砂卵礫石層天然干密度1.90 g/cm3,相對(duì)密度0.71；3.5 m以下天然干密度2.2 g/cm3,相對(duì)密度0.81,屬密實(shí)狀態(tài)。

水庫工程壩區(qū)地質(zhì)為泥灰?guī)r,缺乏整體性,使得壩基容易被上游積水擊垮,需要采取深層固結(jié)灌漿工藝對(duì)其進(jìn)行加固處理。此項(xiàng)目工程河床位置地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜,特別是壩斜坡位置的巖體存在嚴(yán)重的破碎問題,臨坡開挖邊坡位置的巖層厚度則較厚,在巖體進(jìn)行開挖的過程中因?yàn)閹r體厚度不同易發(fā)生垮塌,開挖建基面不符合項(xiàng)目施工規(guī)范,在進(jìn)行開挖的過程中,致使臨坡巖體發(fā)生滑塌的問題。項(xiàng)目施工探測表明,上部強(qiáng)風(fēng)化巖體易發(fā)生垮塌。

3 注漿加固處理措施

按照對(duì)項(xiàng)目工程開挖和對(duì)地基條件的勘探表明,在大壩加固的過程中需要處理好以下關(guān)鍵環(huán)節(jié)：一是要加強(qiáng)地基的加固,防止地基產(chǎn)生滲漏和破碎的問題；二是要加強(qiáng)左岸壩體的穩(wěn)定性,運(yùn)用上下游拖板、深層固結(jié)灌漿等作業(yè)措施。

3.1 前期工作

首先完成先導(dǎo)孔試驗(yàn)。劃分為以下三個(gè)區(qū)域:壩基段、近壩岸坡段和遠(yuǎn)壩段施工區(qū)域。

按照項(xiàng)目施工勘探結(jié)果,大壩左岸巖層性質(zhì)為泥質(zhì)灰?guī)r,巖體缺乏完整性,容易被上游積水擊垮,致使大壩基礎(chǔ)發(fā)生滲漏的問題。左岸壩肩基礎(chǔ)下部硅質(zhì)巖層具有較好的完整性,具有防水性,構(gòu)成為一層隔水層。

為增強(qiáng)大壩整體的滲流效果,相關(guān)施工方案為：在壩基以及近壩區(qū)域形成止水帷幕,對(duì)于遠(yuǎn)壩區(qū)域隔水層深度高,難以形成隔水層,在施工的過程中應(yīng)按照水位深度和滲透性確定合理的懸掛式帷幕。巖體裂隙充填物的確定：左岸壩區(qū)域?yàn)榱严稁r體,破壞性較大,沿壩區(qū)域則為頁巖層,并伴隨有強(qiáng)風(fēng)化帶,存在滲透性較大的問題。該項(xiàng)目施工中滲透變形主要受裂隙填充物的影響,根據(jù)項(xiàng)目施工的勘測資料,大壩主要以巖屑和粘土作為填充物,巖體存在較大的裂隙,填充密度高。按照項(xiàng)目施工資料,此次施工區(qū)域?qū)⒘严冻涮钗锏臐B透值確定為2.3,臨界坡選擇為1.5。

3.2 左岸基礎(chǔ)帷幕設(shè)計(jì)

在各大壩以及左岸灌漿洞進(jìn)口45 m的范圍內(nèi)增設(shè)間距為0.7 m的3 排帷幕灌漿;左岸灌漿洞內(nèi)增設(shè)2 排間距為2 m的帷幕。按照孔成果確定孔深。帷幕灌漿順序?yàn)椋合掠闻?、上游排、中間排。

3.2.1 左岸帷幕灌漿試驗(yàn)

施工區(qū)域左岸壩肩和壩頂灌漿平洞巖體以頁巖為主,滲水性強(qiáng),在固結(jié)灌漿的過程中出現(xiàn)了超額吸漿的問題,出現(xiàn)回漿問題。為防止出現(xiàn)大規(guī)模滲透,在左岸帷幕灌漿之前進(jìn)行帷幕灌漿先導(dǎo)孔試驗(yàn)[1]。選擇了17 個(gè)Ⅰ序孔進(jìn)行灌漿,試驗(yàn)次序?yàn)橄掠闻拧⑸嫌闻?、中間排。左岸試驗(yàn)區(qū)段帷幕灌漿孔以及檢查孔的孔位設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 左岸試驗(yàn)段帷幕灌漿孔及檢查孔位布置圖

帷幕灌漿試驗(yàn)區(qū)域發(fā)現(xiàn)有5 段檢查孔低于5 Lu,其次區(qū)域檢查孔位于在5 Lu～10 Lu,從項(xiàng)目的探測結(jié)果來看,試驗(yàn)區(qū)域的透水率與施工要求存在一定的差異,大部分孔段透水率低于10 Lu。通過帷幕灌漿施工,局部檢查孔大于5 Lu的區(qū)域在補(bǔ)灌的施工工藝達(dá)到了項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)范。按照帷幕灌漿施工工藝的要求,通過對(duì)滲流值的計(jì)算后對(duì)帷幕底線按照壩基的高度進(jìn)行了加高,使得其滲透值得到了有效降低[2]。

3.2.2 左岸帷幕灌漿后滲流穩(wěn)定計(jì)算

灌漿后滲流值計(jì)算：上游取校核洪水位,下游以最低水位作為標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《防堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中透水堤基均質(zhì)土堤下游坡無排水設(shè)備或有貼坡式排水穩(wěn)定滲流計(jì)算公式：

當(dāng)K≤ ko時(shí),

對(duì)于各種情況下壩體浸潤線可按照下式確定：

式中：k為堤身滲透系數(shù)；K0為堤基滲透系數(shù)；H1為水位到壩腳的距離,m；H2為下游水位,m；H為提防高度,m；q'為單位寬度滲流量,m3/s·m；m1為上游坡坡率；m2為下游坡坡率；b為壩體頂部寬度；h0為下游出逸點(diǎn)高度。

經(jīng)計(jì)算,左岸滲流穩(wěn)定符合項(xiàng)目施工中允許的坡降1.5倍的標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)樯舷掠紊襟w較多,滲流坡較小。對(duì)于1號(hào)壩段來說,因?yàn)閴蔚撞砍尸F(xiàn)出逐漸變窄的特征,坡降值達(dá)到了1.29。2號(hào)壩段同樣存在上述問題,滲流值達(dá)到了0.72。對(duì)于上述施工區(qū)域,為了有效增強(qiáng)大壩的整體強(qiáng)度,降低滲流對(duì)大壩的影響,借助灌漿施工工藝對(duì)其進(jìn)行整體加固,確保帷幕灌漿后滲流穩(wěn)定。

4 帷幕灌漿施工

因?yàn)槭┕^(qū)域的巖體缺乏整體性,在試驗(yàn)段出現(xiàn)多個(gè)灌漿孔注漿超大的問題,針對(duì)此問題,在施工區(qū)域內(nèi)采取先回填以及充填灌漿的措施,并按照灌漿施工經(jīng)驗(yàn),運(yùn)用少灌多復(fù)結(jié)合濃漿間隔的方式,在灌入一定比例的加固漿液后,停止灌輸直到漿液凝結(jié)。在項(xiàng)目施工的過程中通過增添速凝劑的方式增強(qiáng)灌漿的強(qiáng)度。

操作次序?yàn)?①鉆孔無回水的區(qū)域,上下第一次送漿以1∶1純水泥漿按1.6 t/m灌注,在這個(gè)過程中要對(duì)注入量進(jìn)行觀察,如果其未發(fā)生變化,需要增添砂漿灌注,并對(duì)其進(jìn)行充分振搗,使得其與漿液得到充分融合。注入砂漿以1.6 t/m作為參照,注入量如果未發(fā)生變化,需要再次加入速凝劑,當(dāng)灌滿孔段頂部及以上的漿液不再下降則停止作業(yè)施工。②第二排以少灌多復(fù)的方法,采取純水泥進(jìn)行灌注,開灌水灰比例以項(xiàng)目施工方案作為參照,當(dāng)累計(jì)注入量達(dá)到2 t以上的時(shí)候,需要在停灌24 h以上再進(jìn)行掃孔復(fù)灌。當(dāng)設(shè)計(jì)灌漿壓力以及灌漿結(jié)束以后才可以進(jìn)行下一步的施工作業(yè)。③對(duì)水泥砂漿進(jìn)行灌注的時(shí)候,水泥砂漿的配合比設(shè)計(jì)為水:水泥:砂=0.1∶1∶0.5,并按照試驗(yàn)注漿的效果對(duì)用砂量進(jìn)行控制。④運(yùn)用速凝劑進(jìn)行灌注的時(shí)候,水泥和水玻璃質(zhì)量比控制為：水泥:水玻璃=100∶（5～10）,初凝時(shí)間控制在1 min以內(nèi),按照灌漿施工的效果確定水玻璃的使用量[3]。

按照項(xiàng)目施工技術(shù)規(guī)范將灌漿壓力控制如下：

1）帷幕灌漿試驗(yàn)孔壓力逐漸增加到2.0 MPa,在項(xiàng)目施工過程中需要對(duì)第二段的注漿壓力進(jìn)行控制,按照項(xiàng)目施工的效果對(duì)灌漿的壓力進(jìn)行控制。

2）為灌漿盡快達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力,需在注入率較大處加大壓力。

3）對(duì)于壓力表需要增設(shè)保護(hù)設(shè)備,使得能夠精確地讀出壓力值。對(duì)于未發(fā)生回漿和無壓力的區(qū)域,首先進(jìn)行濃漿灌注,在發(fā)生回漿的時(shí)采用分級(jí)升壓灌注的方法,使得壓力灌注符合項(xiàng)目施工要求。

5 固結(jié)灌漿質(zhì)量控制措施

1）固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)。2 號(hào)以及3 號(hào)壩段500 m以下的區(qū)域采取固結(jié)灌漿,各個(gè)壩段的距離為3 m；每次鉆孔距離為11 m,鉆基巖為14 m,采取自上而下的方式進(jìn)行灌漿。

2）在對(duì)左岸壩段進(jìn)行固結(jié)灌漿施工的過程中,存在相關(guān)孔段無法起壓的情況,為能夠盡快增壓到預(yù)設(shè)值,綜合運(yùn)用了濃漿、待凝、掃孔方式進(jìn)行加壓,同時(shí)加大水泥的使用量。

3） 固結(jié)灌漿效果檢驗(yàn)。在項(xiàng)目施工的過程中,對(duì)大壩左岸上下游底部和巖體易碎的區(qū)域采取了固結(jié)灌漿的方式進(jìn)行加固。在灌漿的過程中按照自上而下的順序進(jìn)行灌漿。此施工壩段固結(jié)灌漿施工后,裂縫處的滲流值得到了有效控制,符合壓水試驗(yàn)的要求。對(duì)其他6 個(gè)孔進(jìn)行了壓水試驗(yàn)都達(dá)到了大壩加固的要求。整體上來看,大壩左岸在此次灌漿加固后,基巖體的整體性和完整性得到了有效提升,由最初的較破碎級(jí)提高至較完整級(jí)。

按照固結(jié)灌漿施工方案進(jìn)行了分段阻塞,從項(xiàng)目施工的實(shí)際效果來看,在固結(jié)灌漿以后大壩整體上基巖滲流值得到有效控制,實(shí)現(xiàn)了從滲透到空間相對(duì)封閉,檢查孔壓壓力整體上達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)設(shè)值的要求[4]。

6 灌漿效果

按照大壩左岸地層帷幕灌漿先導(dǎo)孔的施工水文條件,左岸壩基和附近區(qū)域的巖層穩(wěn)定性較差,存在發(fā)規(guī)模巖層破壞的問題,需要在施工的過程中對(duì)此區(qū)域內(nèi)的帷幕灌漿底線進(jìn)行加固。按照項(xiàng)目施工的水文地質(zhì)條件,以待凝復(fù)灌循環(huán)水泥灌漿作為施工主要的方法。在壩肩55 m以外,按照地下水位觀測孔復(fù)核地下水位值進(jìn)行測量以后運(yùn)用了懸掛帷幕進(jìn)行施工。做到了在降低項(xiàng)目施工整體成本的過程中,最大化的增強(qiáng)了項(xiàng)目施工的安全性。從實(shí)際運(yùn)營來看,大壩防滲帷幕高程在385 m以下每相隔42 壩段以10 個(gè)單元作為試驗(yàn),其滲透值均符合項(xiàng)目施工標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)取芯和孔內(nèi)錄像,在裂隙處均灌注了加固漿液,使得裂隙處的滲流得到了有效控制。終檢孔壓水檢查見表1。通過對(duì)施工工程的檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),此項(xiàng)目施工中運(yùn)用的灌漿工藝符合項(xiàng)目施工要求。今后還需要進(jìn)一步對(duì)裂隙滲流進(jìn)行觀測,對(duì)于異常情況要及時(shí)采取加固措施。

表1 終驗(yàn)孔壓水檢查

7 結(jié)論

以吐魯番市引水工程項(xiàng)目為依托,介紹了項(xiàng)目巖層層間結(jié)合差,結(jié)構(gòu)面發(fā)育等地質(zhì)條件,為地基的滲漏和破碎問題,提出帷幕灌漿和深層固結(jié)灌漿等綜合處理措施。通過左岸帷幕灌漿試驗(yàn)、帷幕灌漿后滲流穩(wěn)定計(jì)算總結(jié)了左岸基礎(chǔ)帷幕設(shè)計(jì)方法,并提出了帷幕灌漿施工工藝方法,在此基礎(chǔ)上總結(jié)了固結(jié)灌漿質(zhì)量控制措施,通過已完成終檢孔取芯和孔內(nèi)錄像終檢和孔壓水檢查驗(yàn)證采用固結(jié)灌漿、帷幕灌漿等大壩基礎(chǔ)處理技術(shù)注漿質(zhì)量可靠,加固效果理想。