水利工程施工中防滲漏技術(shù)研究

◎?qū)O祥志 王義坤 諸衛(wèi)衛(wèi) 南京市長江河道管理處

隨著我國社會經(jīng)濟的高速增長，水利工程建設(shè)規(guī)模不斷擴大。作為基礎(chǔ)水利設(shè)施的水庫，在提供水資源、防治洪澇災(zāi)害方面發(fā)揮著重要作用，截至今日，我國水庫建設(shè)數(shù)量已經(jīng)超8萬座。其中土石壩是水庫建壩的常見壩型，具有施工簡單、價格便宜等優(yōu)勢。然而土石壩在使用過程中，因滲漏失穩(wěn)狀況所造成的安全事故時有發(fā)生，如果水庫大壩出現(xiàn)滲漏問題，不僅威脅著壩體自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且會影響大壩的功能性，造成水資源浪費，從而為我國國民帶來無法挽回的經(jīng)濟損失。因此，在水利工程發(fā)展時期，加強水庫大壩防滲漏技術(shù)已經(jīng)成為必然趨勢。對于水庫大壩而言，降低水量流失、避免壩體失穩(wěn)最有效的手段就是防滲漏施工，并在防滲漏施工過程中做好質(zhì)量控制，實現(xiàn)防患于未然的目標。

1.工程概況

某中型水庫工程建設(shè)等級為Ⅱ等，用于防洪抗?jié)澈透浇r(nóng)田灌溉。該水庫大壩長度約為520m，壩頂?shù)膶挾燃s為5.8m、高程約為365.0m。在水利工程安全管理中心對該大壩進行安全鑒定核查時發(fā)現(xiàn)，在河床與壩體相連部位，已經(jīng)出現(xiàn)多處裂縫，導(dǎo)致現(xiàn)有大壩發(fā)生嚴重滲漏現(xiàn)象。由于該水庫下游為村莊，如果發(fā)生潰壩，將會危害村莊人民的生命安全，所以急需對該水庫大壩進行防滲漏施工。

2.大壩防滲漏施工

綜合考慮該水庫大壩防滲加固工程的施工條件、施工工期等因素，本文選取高壓噴射灌漿技術(shù)來達到防滲漏目的，通過該技術(shù)所形成的防滲墻，具有優(yōu)越的截滲性與耐久性。當(dāng)下，我國高壓噴射灌漿施工技術(shù)中所使用的灌漿管，主要包括：單管、二管及三管這三種，不同類型的灌漿管所形成的防滲墻抗壓強度之間存在一定差異，參考該土壩的土質(zhì)特性，本文決定選取三管的灌漿管進行施工，下面將對高壓噴射灌漿防滲漏技術(shù)的施工方法進行詳細介紹。

2.1 布設(shè)灌漿孔

高壓噴射灌漿施工的第一步就是根據(jù)防滲墻的布置形式來布設(shè)灌漿孔[1]，當(dāng)下高壓噴射防滲墻主要包括折線型、交叉型、微擺型以及直擺型，綜合考慮防滲墻厚度以及施工技術(shù)等因素，本工程的防滲墻最終設(shè)計為交叉型，如圖1所示。

圖1 防滲墻布置形式圖

該防滲墻板面平整、堅硬，具有較好的防滲漏效果。然后本文根據(jù)防滲墻的布置形式，確定鉆取灌漿孔的孔距與孔深[2]，灌漿孔之間的距離對高壓噴射灌漿防滲墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重要影響，計算公式如下所示：

式中，D 表示灌漿孔之間的距離；r 表示高壓噴射灌漿擴散的半徑；w表示防滲墻的厚度。本文結(jié)合現(xiàn)場試驗以及防滲墻指標要求，最終決定最佳孔距為1.5m。關(guān)于灌漿孔的深度，主要由防滲墻的厚度決定，確定為0.4m。按照上述內(nèi)容，本次大壩防滲加固施工共布設(shè)了245個灌漿孔，為避免相鄰兩個灌漿孔在高壓噴射灌漿過程中發(fā)生串漿現(xiàn)象，采用三序布孔法進行鉆孔施工。鉆孔流程如下：首先結(jié)合本次工程的實際特點，選用立軸式液壓回旋鉆機進行鉆孔，該設(shè)備具有較為準確的定位系統(tǒng)，可以鉆取出孔斜率滿足設(shè)計要求的灌漿孔；在鉆機就位之后，通過水平調(diào)校操作讓鉆桿軸線與灌漿孔中心保持在同一直線上，并使用水平尺控制鉆機機身處于平穩(wěn)狀態(tài)；然后開啟鉆機開始鉆取灌漿孔，在此過程中，孔徑偏差不可以超過2cm，并將鉆孔數(shù)據(jù)完整記錄下來，當(dāng)鉆進深度達到灌漿孔深度的設(shè)計要求時，經(jīng)過施工現(xiàn)場監(jiān)理人員確認后方可終孔，控制鉆機反旋，將鉆頭拔出，用測斜儀檢查灌漿孔的孔斜率是否符合設(shè)計要求，如果與設(shè)計不符需要及時糾正；最后將孔內(nèi)泥渣、碎石等雜物清理干凈，并使用清水沖洗灌漿孔。在鉆取灌漿孔過程中，如果鉆頭遇到堅硬石塊無法鉆進，需要及時調(diào)整鉆進方式，確保鉆孔順利[3]，全部灌漿孔鉆進完畢之后，即可進入下一道工序。

2.2 配制漿液

高壓噴射灌漿技術(shù)的特點就是通過加壓為高速噴射流來灌漿，所以灌漿材料對于防滲墻的質(zhì)量[4]來說非常關(guān)鍵。一般情況下，高壓噴射灌漿施工中主要使用水泥漿液作業(yè)灌漿材料，水泥漿液具有穩(wěn)定性高、成本低、可噴性強等特點，適用于高壓噴射灌漿施工中，為提升水泥漿液的凝結(jié)效果，可以根據(jù)工程特點，于漿液中添加一定的氯化鈣、黏土等添加劑。在進行高壓噴射灌漿施工過程中，噴射的水泥漿液會與大壩土體發(fā)生置換，由于水泥漿液與土體所置換的體積并不一致，所以置換后水泥漿液發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，從而形成防滲墻，在二者置換過程中，為使防滲墻的強度以及防滲性達到施工設(shè)計要求，需要噴射的水泥漿液具有良好的穩(wěn)定性以及可噴性，且其凝結(jié)時間也需滿足施工工期的設(shè)計要求。在進行水泥漿液的配制[5]時，需要結(jié)合施工現(xiàn)場土體性質(zhì)進行，不同土質(zhì)類型的土體，其漿液配比也各不相同，如果土體表現(xiàn)為黏性性質(zhì)，那么高壓噴射灌漿所擴散范圍較小，這時采用純水泥漿液作為灌漿材料即可；如果土體表現(xiàn)為砂性性質(zhì)，那么與黏性土體相對應(yīng)，該土體中的灌漿材料擴散范圍較大，這時需要在水泥漿液中添加一定的黏土漿，增加漿液的粘稠度，確保防滲墻成墻質(zhì)量。綜上所述，結(jié)合該大壩防滲加固工程的實際特點，本文選用高強型水泥漿液作為灌漿材料，在配制這種類型的漿液時，以實現(xiàn)高強度的防滲墻為設(shè)計基礎(chǔ)，選用P.C32.5復(fù)合水泥，并添加一定的擴散劑以及石英粉，按照水泥：水：擴散劑：石英粉=1:2.4:0.3:0.1的比例來配制漿液。為防止?jié){液出現(xiàn)離析現(xiàn)象，從而影響成墻質(zhì)量，本次工程中使用的漿液均在施工現(xiàn)場配制，在漿液配制過程中，嚴格控制各原材料的質(zhì)量，如果水泥出現(xiàn)結(jié)塊將會對成墻效果產(chǎn)生影響，不可以使用。將各原材料加入水中后，攪拌15min即可得到高壓噴射灌漿所需的漿液，為避免漿液凝結(jié)，盡快投入施工中。

2.3 高壓噴射灌漿

高壓噴射裝置主要包括噴射漿管、噴嘴、進漿管等，首先需要將三重噴射管放入灌漿孔，為避免放入過程中噴射管內(nèi)進入泥沙等雜物，影響噴射效果，可以向噴射管內(nèi)注入清水，將管內(nèi)雜物排出。在下放噴射管時，由于灌漿孔底部的沉渣較多，可以配合旋提擺裝置控制噴射管一邊旋擺一邊下放，直至噴射管到達設(shè)計深度[6]。在正式灌漿之前，需要選擇一塊空地進行試噴，確保各項設(shè)備可以正常運行。然后在噴射管插入灌漿孔后，調(diào)節(jié)噴射方向，控制噴嘴對準噴射方向，開始于灌漿孔內(nèi)送入水、氣、漿，具體工藝參數(shù)[7]如表1所示。

表1 高壓噴射灌漿施工工藝參數(shù)

按照表1中參數(shù)噴射水與氣，在4min之后開始灌注漿液，在噴射灌漿過程中，當(dāng)灌漿孔口回漿的比重達到1.5g/cm3以上時，由下而上一邊轉(zhuǎn)動、一邊提升噴射管，控制轉(zhuǎn)動速度為12r/min、提升速度為10cm/min，直到噴射管提升至設(shè)計高度。本文考慮到水泥漿液自身的凝固收縮現(xiàn)象，所以在實際施工過程中，將停止噴漿的位置照設(shè)計位置提高了0.8m。那么噴射灌漿工序的原理如圖2所示。

圖2 高壓噴射灌漿成墻效果示意圖

在高壓噴射灌漿過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)一些施工問題，需要作業(yè)人員密切關(guān)注高壓噴射灌漿流程，結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況，發(fā)現(xiàn)并解決問題。如果灌漿孔出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象，首先判斷冒漿量，在灌漿量的10%以下為正?，F(xiàn)象，無需特意處理，如果冒漿量超過灌漿量的10%，需要合理調(diào)節(jié)漿液的噴射壓力或噴射管的旋轉(zhuǎn)速度，來處理冒漿現(xiàn)象。

在一個灌漿孔的漿液噴射結(jié)束之后，需要及時將噴射管清理干凈，不可以有水泥漿液殘渣遺留，避免堵塞噴射管，影響下一個灌漿孔的噴射效果。一般情況下，灌漿孔噴射技術(shù)一段時間內(nèi)，漿液頂部會因為離析現(xiàn)象而出現(xiàn)凹陷，所以需要在噴射相鄰灌漿孔時對該灌漿孔進行回灌操作，直到該灌漿孔的漿液面穩(wěn)定為止。水孔，然后于該孔內(nèi)開始注水，一段時間后根據(jù)各試驗孔測得滲透系數(shù)來判斷防滲墻的防滲透效果。滲透系數(shù)的計算公式如下所示：

3.防滲漏效果檢測

在大壩防滲漏施工結(jié)束后，需要進行為期2個月的養(yǎng)護作業(yè)，然后采用圍井注水試驗來檢測防滲墻的防滲漏效果，從而判斷出本次施工質(zhì)量。首先結(jié)合施工現(xiàn)場的實際環(huán)境，于大壩上游布設(shè)8個試驗孔，形成封閉的圍井，如圖3所示。

圖3 圍井試驗鉆孔布設(shè)圖

同時，在圍井的中心鉆取一個注

式中，λ表示滲透系數(shù)；L表示試驗孔滲水流量；S 表示圍井滲水面積；ΔP表示圍井滲水坡降。根據(jù)《水工建筑物防滲工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》可知，只有滲透系數(shù)在1.0×10-5cm/s以下時，防滲漏施工質(zhì)量合格。那么本次圍井注水試驗所得各試驗孔的滲透系數(shù)如表2所示。

表2 試驗孔滲水檢測結(jié)果表

由表可知，本次圍井試驗中所鉆取的8個試驗孔的滲透系數(shù)均遠遠小于設(shè)計要求，平均滲透系數(shù)僅有1.92×10-6cm/s，說明高壓噴射灌漿形成的防滲墻具有良好的防滲效果。與此同時，經(jīng)過檢測可知，各灌漿孔交接處膠結(jié)牢固，沒有明顯的交接痕跡。進一步驗證了本次高壓噴射灌漿施工質(zhì)量較好，大壩防滲漏施工技術(shù)達到了理想的效果。

4.結(jié)束語

本文以某水庫大壩防滲加固工程為研究對象，針對該項目的具體特點，通過高壓噴射灌漿施工來實現(xiàn)大壩的防滲透。該技術(shù)可以克服傳統(tǒng)防滲墻接觸不良、穩(wěn)定性較差等問題，不僅對原水庫大壩壩體結(jié)構(gòu)影響較小，而且施工技術(shù)簡單、工程造價較低，具有良好的經(jīng)濟效益。高壓噴射灌漿技術(shù)對于水庫大壩的防滲漏施工，具有顯著的優(yōu)越性，如果可以得到廣泛應(yīng)用，將會進一步推動我國水利工程發(fā)展。