中小型水庫灌漿防滲技術(shù)探討

賴偉清,馮 波

(中國水利水電第五工程局有限公司,成都 610066)

0 引言

水庫是人類利用水資源的重要工程,水庫的安全運(yùn)行直接關(guān)系到人民群眾的生活和國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。水庫壩體的滲漏是影響水庫安全性能的重要因素之一,嚴(yán)重的滲漏會(huì)導(dǎo)致壩體結(jié)構(gòu)破壞,甚至引發(fā)壩體潰決等災(zāi)難性后果。因此,對水庫壩體進(jìn)行有效的防滲處理,是保障水庫安全運(yùn)行的必要措施。

灌漿防滲是一種常用的水庫壩體防滲技術(shù),它是通過在壩體內(nèi)注入灌漿材料,填充和封堵壩體內(nèi)部的裂縫、孔隙和空洞,從而提高壩體的抗?jié)B能力和抗?jié)B系數(shù),降低壩體的滲流量和滲流速度,減少壩體的滲透壓力和滲透力,增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性和耐久性。灌漿防滲技術(shù)具有施工方便、效果顯著、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),適用于各種類型和規(guī)模的水庫壩體。近年來,隨著水利工程建設(shè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,灌漿防滲技術(shù)也不斷得到改進(jìn)和完善。國內(nèi)外學(xué)者在灌漿防滲技術(shù)的理論研究、試驗(yàn)研究、工程應(yīng)用等方面都取得了一些成果。例如李靖[1]介紹了沙田水庫除險(xiǎn)加固工程中采用的灌漿防滲處理技術(shù),分析了灌漿方案的設(shè)計(jì)原則、灌漿材料的選擇、灌漿參數(shù)的確定等,總結(jié)了灌漿施工的注意事項(xiàng)和效果評價(jià)方法;趙曉軍[2]提出了一種改進(jìn)的灌漿技術(shù),即在帷幕灌漿的基礎(chǔ)上增加一道斜孔灌漿,以增強(qiáng)防滲效果和穩(wěn)定性,通過工程實(shí)例驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性和優(yōu)越性;韋明景等[3]探討了水利工程防滲處理中灌漿施工技術(shù)的相關(guān)問題,包括灌漿材料的選擇、配比、檢驗(yàn)等,以及灌漿方案的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等,提出了一些改進(jìn)和優(yōu)化建議;丁晉[4]介紹了防滲灌漿施工技術(shù)在水庫大壩基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用,重點(diǎn)分析了防滲灌漿施工過程中應(yīng)注意的問題和解決辦法,以及防滲灌漿效果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法。

本文旨在探討中小型水庫灌漿防滲技術(shù)的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用實(shí)例及存在問題,并提出改進(jìn)措施和建議。

1 中小型水庫灌漿防滲技術(shù)的原理和特點(diǎn)

1.1 灌漿防滲的基本原理

灌漿防滲技術(shù)采用了液壓、氣壓及電化學(xué)的相關(guān)原理。該技術(shù)的實(shí)施需要將漿液均勻地注入地層,使得地層得到充分的填充,經(jīng)過一定時(shí)間的滲透及擠密,排除地層中存在的空氣及水分。最終,原本松散的土壤地層或者開裂的巖石重新膠結(jié)成新的結(jié)合體。這樣形成的結(jié)合體具有新的結(jié)構(gòu)特性,如強(qiáng)度大、防水性能高和化學(xué)性良好。灌漿防滲的主要方法和工藝有單液灌漿、雙液灌漿、劈裂灌漿等。灌漿防滲技術(shù)具有效果好、適應(yīng)性好、經(jīng)濟(jì)性高的優(yōu)點(diǎn)。在中小型水庫中得到了廣泛的應(yīng)用,解決了壩體和基礎(chǔ)的滲漏問題,提高水庫的安全性和運(yùn)行效率。

1.2 灌漿防滲的主要方法和工藝

灌漿防滲的主要方法和工藝有:(1)單液灌漿法,即將注漿材料全部混合攪拌均勻后,用一臺注漿泵注漿的系統(tǒng),該法適用于凝膠時(shí)間大于30 min的注漿;(2)雙液灌漿法,即用兩臺注漿泵或一臺雙缸注漿泵,按照一定比例分別壓送甲、乙兩種漿液,在孔口混合器或孔內(nèi)混合后,再注入到巖層中;(3)高壓噴射灌漿法,即采用高壓輸送的方式,通過高壓泵及特制噴嘴的結(jié)合,將漿液以高速噴射流的形式注入地層,高速噴射流在進(jìn)入地層后可以進(jìn)行地層的切削,最終和地層中的砂、土等顆粒發(fā)生混合、凝結(jié);(4)復(fù)合土工膜灌漿法,在地層中設(shè)置復(fù)合土工膜作為隔水帶,并在其內(nèi)部進(jìn)行灌漿加固。

2 打石窿水庫灌漿防滲技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 打石窿水庫灌漿防滲工程概況

本文選取了位于廣東省白云區(qū)的小(2)型水庫作為灌漿防滲技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例,該水庫是一座以灌溉為主,兼顧防洪、生態(tài)和供水的綜合性水利工程。該水庫壩址處殘積層、全風(fēng)化巖或強(qiáng)風(fēng)化巖石上,土壤類型以黏土、沙壤土和壤土為主,土壤有機(jī)物積累多,風(fēng)化層較深,較肥沃,壩基滲透系數(shù)較大,存在較大的滲漏風(fēng)險(xiǎn)。壩型為重力式混凝土壩,壩高程為36.1m,壩高8.6 m,壩長275 m。壩體與壩基接觸部位出現(xiàn)滲透現(xiàn)象,原防滲效果一般～較差,滲透穩(wěn)定存在威脅。為了進(jìn)一步提高壩基的防滲能力,同時(shí),考慮到工程經(jīng)濟(jì)性和施工可行性,本文采用了單液漿法對壩基進(jìn)行二次灌漿防滲處理。

2.2 打石窿水庫灌漿防滲工程設(shè)計(jì)方案

本文根據(jù)壩基的巖層結(jié)構(gòu)、裂隙特征、滲透性能等因素,綜合考慮了灌漿材料的選擇、灌漿孔的布置、灌漿壓力的控制及灌漿量計(jì)算等。經(jīng)過綜合評估,本工程使用分段灌注方法進(jìn)行灌漿,并制定了合理的灌漿防滲設(shè)計(jì)方案:施工準(zhǔn)備→樁機(jī)定位→鉆孔→沖洗清孔→孔口預(yù)埋護(hù)壁套管→下導(dǎo)漿管→設(shè)置阻漿蓋→制漿→灌漿→終孔→封孔→樁機(jī)移位。

2.2.1 施工準(zhǔn)備

(1)確定觀測點(diǎn)位置,埋設(shè)好必需的觀測標(biāo)點(diǎn),沿軸線的方向設(shè)置觀測標(biāo)點(diǎn),每個(gè)標(biāo)點(diǎn)之間間隔10m,每組實(shí)驗(yàn)需要同時(shí)在堤頂?shù)纳嫌渭跋掠翁幎荚O(shè)置一個(gè)觀測標(biāo)點(diǎn),標(biāo)點(diǎn)用樁或混凝土樁。

(2)準(zhǔn)備觀測和試驗(yàn)儀器及觀測紀(jì)錄表和成果表。

(3)準(zhǔn)備機(jī)械設(shè)備和布置好制漿和灌漿機(jī)械及土料堆放位置,具體施工設(shè)備為:地質(zhì)鉆機(jī)(150A型)額定功率11 kW、空壓機(jī)(V3/8)28 kW、泥漿泵(BW-120)14 kW、雙層制漿桶(0.4m3)7.5 kW、灌漿泵(SGB-10)11 kW、攪拌機(jī)(JB-300)11 kW。

(4)在施工前,應(yīng)進(jìn)行灌漿試驗(yàn),選擇具有代表性的壩段,并按照灌漿設(shè)計(jì)進(jìn)行布孔、造孔、制漿和灌漿操作。在試驗(yàn)過程中,需要觀測灌漿壓力、吃漿量、泥漿容重及壩體位移和裂縫等指標(biāo),至少要設(shè)置3個(gè)試驗(yàn)孔。試驗(yàn)結(jié)束后,需要對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),并進(jìn)行參數(shù)的修正,以完善和熟練掌握灌漿工藝,確保施工的全面進(jìn)行。

(5)針對土料及漿液開展必要的試驗(yàn)。灌漿所使用的土料和漿液都應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)。土料試驗(yàn)包括顆粒分析、有機(jī)質(zhì)含量和可溶鹽含量等指標(biāo)的測定。漿液試驗(yàn)包括容重、粘度、穩(wěn)定性、膠體率和失水量等性質(zhì)的檢測。

2.2.2 鉆孔

(1)首先按設(shè)計(jì)要求把每個(gè)孔的位置放樣好。造孔順序先上游排,后下游排,分2序跳躍式造孔。

(2)應(yīng)用干法造孔,不得用清水循環(huán)鉆進(jìn),鉆孔時(shí)保持鉛直,孔斜率<2 %,沉渣≤20 cm。

(3)在鉆孔結(jié)束之后,注漿管下放要及時(shí),施工過程中,保證注漿管和孔壁貼緊,同時(shí)保證密封性。

具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1,設(shè)計(jì)材料如表2。

表1 水庫灌漿防滲工程設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 水庫灌漿防滲工程設(shè)計(jì)材料

2.2.3 充填灌漿

(1)先灌第一序孔(上游孔),再灌第二序孔(下游孔),各排按鉆孔順序分序進(jìn)行灌注。

(2)采用由下而上分段法灌注,每段5 m左右;采用“少灌多復(fù)”的方法灌注,每個(gè)灌漿孔的灌漿次數(shù)宜在5次及以上,每米孔深每次平均灌漿量控制在0.5～1.0m3。

(3)在灌漿過程中,初始階段應(yīng)使用稀漿,經(jīng)過3～5 min后逐漸增加泥漿的濃度。如果觀察到孔口壓力下降和注漿管出現(xiàn)負(fù)壓(壓力表讀數(shù)低于0),則應(yīng)立即增加漿液的濃度。同時(shí),漿液的容重應(yīng)根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行控制。

(4)做好灌漿記錄和成果匯總,并繪制圖表。

2.3 打石窿水庫灌漿防滲工程施工過程和效果評價(jià)

本文對打石窿水庫灌漿防滲工程的施工過程和效果進(jìn)行了詳細(xì)的記錄和分析,主要包括以下幾個(gè)方面:

(1)灌漿施工進(jìn)度

打石窿水庫灌漿防滲工程的施工時(shí)間為2022年5月至2022年12月,共計(jì)8個(gè)月。

(2)灌漿施工質(zhì)量檢驗(yàn)

打石窿水庫灌漿防滲工程的施工質(zhì)量檢驗(yàn)主要包括以下幾個(gè)方面:灌漿孔位的準(zhǔn)確性、灌漿孔的封堵情況、灌漿液的配比和性能、灌漿壓力和量的控制、灌漿效果的監(jiān)測。各方面的具體檢驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 打石窿水庫灌漿防滲工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

(3)灌漿施工效果評價(jià)

打石窿水庫灌漿防滲工程的施工效果評價(jià)主要通過對比分析灌前和灌后的壩基滲透系數(shù)、壩基水位、壩下游滲流量等指標(biāo)來進(jìn)行。對比分析結(jié)果如表4。

表4 打石窿水庫灌漿防滲工程施工效果對比分析

表4顯示,打石窿水庫灌漿防滲工程施工后,壩基滲透系數(shù)和壩下游滲流量均降低達(dá)到設(shè)計(jì)要求,壩基水位也降低且滿足蓄水需要,說明灌漿防滲技術(shù)有效地提高了壩基的防滲能力,減少了水庫的滲漏損失,保證了水庫的安全運(yùn)行。

3 中小型水庫灌漿防滲技術(shù)的存在問題和改進(jìn)措施

3.1 灌漿防滲技術(shù)在中小型水庫中的應(yīng)用面臨的主要問題

灌漿防滲技術(shù)是一種常用的水庫壩體防滲加固方法,它通過在壩基或壩體內(nèi)注入水泥漿或其他材料,充填和封閉裂縫、孔隙和滲透通道,提高壩體的抗?jié)B性能和強(qiáng)度。然而,灌漿防滲技術(shù)在中小型水庫中的應(yīng)用也存在一些問題,主要有以下幾方面:

(1)灌漿設(shè)計(jì)不合理。灌漿設(shè)計(jì)是灌漿防滲工程的重要環(huán)節(jié),它涉及到方案計(jì)劃、參數(shù)選擇、材料比例及工藝制定等。如果灌漿設(shè)計(jì)不合理,可能會(huì)導(dǎo)致灌漿效果不佳,甚至造成灌漿失敗。

(2)灌漿施工質(zhì)量差。灌漿施工質(zhì)量直接影響到灌漿防滲效果和工程安全。然而,在中小型水庫中,由于施工條件限制、施工人員技術(shù)水平低、施工管理不嚴(yán)格等原因,往往導(dǎo)致灌漿施工質(zhì)量差。

(3)灌漿后期維護(hù)不到位。灌漿防滲技術(shù)雖然可以提高壩體的抗?jié)B性能和強(qiáng)度,但并不能完全消除壩體的滲漏問題。因此,在完成灌漿防滲工程后,還需要進(jìn)行后期的維護(hù)和管理,以保證防滲效果的持久性和穩(wěn)定性。然而,在中小型水庫中,由于資金缺乏、管理松懈、技術(shù)落后等原因,往往導(dǎo)致灌漿后期維護(hù)不到位。

3.2 灌漿防滲技術(shù)在中小型水庫中的改進(jìn)措施和建議

根據(jù)水庫的不同類型、規(guī)模和滲漏情況,灌漿防滲技術(shù)在中小型水庫中的改進(jìn)措施和建議如下:

(1)對于壩基滲漏較嚴(yán)重的水庫,可以采用垂直防滲技術(shù),即在壩基上鉆孔灌漿,形成封閉式防滲帷幕,切斷滲透通道。灌漿時(shí)應(yīng)注意控制灌漿壓力、量和速度,避免引起壩體變形或破壞。灌漿材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度、高抗?jié)B性、高耐久性的水泥漿或化學(xué)漿。

(2)對于壩體滲漏較嚴(yán)重的水庫,可以采用劈裂灌漿技術(shù),即在壩體上鉆孔灌漿,充填裂縫和孔隙,提高壩體的密實(shí)度和強(qiáng)度。灌漿時(shí)應(yīng)注意選擇合適的鉆孔位置、方向和深度,以覆蓋可能存在的裂縫區(qū)域。灌漿材料應(yīng)選擇具有良好流動(dòng)性、膠凝性和穩(wěn)定性的水泥漿或化學(xué)漿。

(3)對于涵管滲漏較嚴(yán)重的水庫,可以采用高壓噴射灌漿技術(shù),即利用高壓噴射設(shè)備將漿液噴射到涵管周圍和地板以下的土層中,實(shí)現(xiàn)對土層的防滲加固處理。灌漿時(shí)應(yīng)注意控制噴射壓力、量和角度,以充分?jǐn)嚢柰翆雍蜐{液。灌漿材料應(yīng)選擇具有高強(qiáng)度、高抗?jié)B性、高粘結(jié)性的水泥漿或化學(xué)漿。

(4)對于壩后滲漏較嚴(yán)重的水庫,可以采用復(fù)合土工膜技術(shù),即在壩后鋪設(shè)復(fù)合土工膜,形成防滲屏障,減少滲流量。復(fù)合土工膜應(yīng)選擇具有高抗?jié)B性、高延展性、高耐久性的聚乙烯或聚丙烯等材料。復(fù)合土工膜施工時(shí)應(yīng)注意與壩體有效連接,避免裂縫或損壞,并做好保護(hù)措施。

4 結(jié)論

本文以打石窿水庫為例,介紹了中小型水庫灌漿防滲技術(shù)的原理、特點(diǎn)、設(shè)計(jì)、施工和效果評價(jià),分析了灌漿防滲技術(shù)在中小型水庫中的應(yīng)用問題和改進(jìn)措施。對中小型水庫灌漿防滲技術(shù)進(jìn)行了初步的探討,為該技術(shù)在實(shí)際工程中的推廣和應(yīng)用提供了一定的參考依據(jù)。但由于筆者水平有限,文中難免存在不足之處,敬請讀者批評指正。