帷幕灌漿方案在東風(fēng)水庫(kù)中的防滲效果評(píng)估

畢仁芬

(貴州省興仁市水務(wù)局,貴州 興仁 562300)

0 引 言

帷幕灌漿方案在東風(fēng)水庫(kù)中的防滲效果評(píng)估,旨在深入研究和評(píng)估一項(xiàng)關(guān)鍵的水資源工程措施即帷幕灌漿技術(shù),在東風(fēng)水庫(kù)中的應(yīng)用效果[1]。作為重要的水利工程項(xiàng)目,東風(fēng)水庫(kù)承擔(dān)著供水、防洪、灌溉等多重任務(wù),對(duì)周邊地區(qū)的生活和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出至關(guān)重要[2]。

水庫(kù)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中,可能會(huì)受到地下水位上升、土壤滲透、土壤松動(dòng)等因素的影響,進(jìn)而引發(fā)水庫(kù)防滲問(wèn)題。而帷幕灌漿技術(shù)作為一種常見(jiàn)的工程手段,被廣泛應(yīng)用于水庫(kù)工程的防滲措施。它通過(guò)注漿材料的注入,形成一道堅(jiān)固的防滲墻,從而有效降低滲水風(fēng)險(xiǎn)[3]。但帷幕灌漿方案的具體效果以及對(duì)水庫(kù)安全性和效益的貢獻(xiàn)仍需深入研究和評(píng)估。

因此,本文深入探討帷幕灌漿技術(shù)在東風(fēng)水庫(kù)中的防滲效果,并將其與傳統(tǒng)的灌漿方法進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比。通過(guò)全面的對(duì)比分析,展示帷幕灌漿技術(shù)相較于傳統(tǒng)灌漿方法的創(chuàng)新性和優(yōu)越性。研究成果可為類似水庫(kù)工程提供科學(xué)依據(jù),推動(dòng)帷幕灌漿技術(shù)在水資源工程中的更廣泛應(yīng)用。

1 帷幕灌漿技術(shù)在東風(fēng)水庫(kù)中的防滲應(yīng)用

1.1 東風(fēng)水庫(kù)工程概況

興仁市東風(fēng)水庫(kù)位于貴州省黔西南州興仁市大山鎮(zhèn)野納村,距離興仁市區(qū)約35km,距離大山鎮(zhèn)政府約11km。該小型水庫(kù)主要用于農(nóng)田灌溉和人畜飲用水,工程等級(jí)為V等。水庫(kù)集雨面積1.52km2,總庫(kù)容77×104m3,正常蓄水位1 565.5m,設(shè)計(jì)洪水位1 566.0m,防洪標(biāo)準(zhǔn)20年一遇。水庫(kù)設(shè)計(jì)灌溉面積1 666.667hm2,供水人口10 000人,供水牲畜2 280頭。水庫(kù)周邊交通便利,有通村公路,該水庫(kù)對(duì)于滿足農(nóng)田灌溉和人畜飲水需求至關(guān)重要[4]。

東風(fēng)水庫(kù)的特點(diǎn)在于不設(shè)大壩,主要依賴位于庫(kù)區(qū)西南角的天然埡口地形和相對(duì)隔水層作為主要擋水體以及輔助工程防滲措施,以確保庫(kù)區(qū)的水庫(kù)形成。庫(kù)區(qū)地質(zhì)特征呈現(xiàn)侵蝕型低中山地區(qū)的山體鞍部地形,地表覆蓋層以殘坡積黏性土為主,平均厚度不超過(guò)2m。對(duì)于天然埡口地形,未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重流水沖刷破壞跡象,也未見(jiàn)規(guī)模較大的不良地質(zhì)體分布,表明其地質(zhì)穩(wěn)定性相對(duì)較好。

目前,水庫(kù)坪口段下伏巖體滲漏嚴(yán)重,直接影響水庫(kù)的正常蓄水和運(yùn)行。此外,水庫(kù)經(jīng)過(guò)2010年的除險(xiǎn)加固工程,新增溢洪道等基礎(chǔ)設(shè)施,調(diào)查結(jié)果表明溢洪道的邊墻和底板質(zhì)量良好,未出現(xiàn)嚴(yán)重崩塌或下滲等質(zhì)量問(wèn)題。但受防滲體局部失效的影響,水庫(kù)發(fā)生了嚴(yán)重的滲漏現(xiàn)象,無(wú)法正常蓄水和運(yùn)行。

圖1 東風(fēng)水庫(kù)防滲處理工程現(xiàn)狀平面圖

東風(fēng)水庫(kù)存在兩個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題:①經(jīng)過(guò)2010年的除險(xiǎn)加固工程后,水庫(kù)正常運(yùn)行了兩年,但隨后出現(xiàn)了防滲體局部失效的情況,導(dǎo)致水庫(kù)發(fā)生嚴(yán)重的滲漏問(wèn)題,無(wú)法維持正常的運(yùn)行狀態(tài)。②取水隧洞圍巖也存在著嚴(yán)重的滲漏問(wèn)題,對(duì)水庫(kù)的運(yùn)行造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。

對(duì)于滲漏問(wèn)題的分析顯示,水庫(kù)主要的滲漏通道位于斷層帶,該斷層帶兩側(cè)的巖性主要包括灰?guī)r和砂頁(yè)巖。由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和水體作用的影響,斷層帶內(nèi)的巖溶作用相對(duì)較為發(fā)育,為水庫(kù)滲漏提供了一條有效通道。另一方面,取水隧洞周圍的巖體主要處于強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài),但在部分埋深較大的地段存在著弱風(fēng)化巖體,總體上表現(xiàn)出相對(duì)的隔水性。同時(shí),取水隧洞的施工質(zhì)量較差,圍巖支護(hù)和防滲處理效果不盡如人意,加之多年的運(yùn)行期間養(yǎng)護(hù)不完善,導(dǎo)致隧洞圍巖在長(zhǎng)期滲流作用下逐漸發(fā)生滲漏的嚴(yán)重現(xiàn)象。

觀測(cè)表明,2020年?yáng)|風(fēng)水庫(kù)修復(fù)前,水庫(kù)的正常蓄水過(guò)程中,每天水位下降約0.03m,最大滲漏時(shí)段的滲漏流量約900m3/d,與下游泉點(diǎn)和取水設(shè)備的排泄量相當(dāng)。可以推測(cè),除險(xiǎn)加固工程中設(shè)計(jì)的防滲帷幕在斷層滲漏帶的部分位置失效,從而導(dǎo)致水庫(kù)水體的嚴(yán)重滲漏問(wèn)題。因此,帷幕灌漿技術(shù)作為一種有效的地下工程防滲手段被引入,以期解決水庫(kù)滲漏問(wèn)題,確保水庫(kù)的正常運(yùn)行和穩(wěn)定性。

1.2 帷幕灌漿技術(shù)在東風(fēng)水庫(kù)防滲中的應(yīng)用

帷幕灌漿技術(shù)是一種地下工程防滲方法,通過(guò)在地下巖土中鉆孔,將一定濃度的漿液注入鉆孔中,再將漿液壓力推動(dòng)至巖土的裂隙或孔洞內(nèi)[5]。這個(gè)過(guò)程會(huì)在地層中形成一道堅(jiān)固的、具有一定結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的屏障,即“幕墻”。幕墻的主要作用是阻止地下水或其他液體從地層中滲漏出來(lái),從而達(dá)到防止?jié)B漏和堵漏的目的[6]。灌漿技術(shù)中,壓力是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),灌漿壓力即灌漿段鉆孔受到的所有壓力,其表達(dá)式如下:

F=Fi+Fj+Fk

(1)

式中:F為灌漿壓力;Fi為孔口處壓力表指示的壓力;Fj為壓力表至灌漿段間漿柱的壓力;Fk為壓力表處至灌漿段間管路摩擦壓力[7]。

帷幕厚度通常取決于兩個(gè)主要方面的考慮:①為了滿足帷幕的長(zhǎng)期滲流穩(wěn)定要求,其厚度可根據(jù)帷幕允許的水力坡降來(lái)確定。②還需要考慮設(shè)幕地層的地質(zhì)條件、密實(shí)性和防滲設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等因素[8]。帷幕厚度的一般表達(dá)式如下:

(2)學(xué)訓(xùn)交替。采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)和“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)模式，課程教學(xué)以項(xiàng)目任務(wù)為主線，充分利用校內(nèi)外實(shí)訓(xùn)基地。以學(xué)生為中心、項(xiàng)目為載體，項(xiàng)目任務(wù)完成即教學(xué)內(nèi)容完成，項(xiàng)目任務(wù)分析探討過(guò)程即技術(shù)研討、知識(shí)傳授的過(guò)程。使用與企業(yè)一致的工具、開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)及組織模式，以及來(lái)自企業(yè)的真實(shí)項(xiàng)目，使校內(nèi)實(shí)訓(xùn)室類似企業(yè)研發(fā)中心，實(shí)訓(xùn)過(guò)程類似實(shí)戰(zhàn)過(guò)程。將真實(shí)項(xiàng)目用于教學(xué)/實(shí)訓(xùn)，促進(jìn)學(xué)生職業(yè)能力的形成，即學(xué)生從“新手”到“熟手”到“能手”的技能轉(zhuǎn)變。

(2)

式中:Ia、δ、H分別為帷幕前后的允許水力坡降、水頭衰減系數(shù)、水頭。

為了解決滲漏問(wèn)題,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查情況,提出防滲帷幕的布置方案。根據(jù)方案,帷幕的布置將從滲漏帶的集中位置即庫(kù)區(qū)西南角坪口開(kāi)始,并垂直延伸至該址口的左岸山體,最終終止于右岸山體內(nèi)。帷幕的布置考慮了兩岸地層的巖性情況,底部位于取水隧洞底板下方不小于5m,并進(jìn)入穩(wěn)定的相對(duì)隔水巖層[9]。此外,防滲帷幕進(jìn)入透水率小于5Lu或穩(wěn)定的隔水巖層中,以確保有效隔離滲漏通道。帷幕灌漿孔的具體施工工序見(jiàn)圖2。

圖2 帷幕灌漿的工藝流程

首先進(jìn)行帷幕線布置,帷幕線總長(zhǎng)度62m,采用單排孔布置,孔間距2m。在隧洞封堵段的上游,額外加設(shè)一個(gè)帷幕灌漿孔,總計(jì)布置33個(gè)帷幕灌漿孔。同時(shí),還加設(shè)4個(gè)檢查補(bǔ)強(qiáng)孔,總共孔深達(dá)1 213m。其中,基巖灌漿為874m,無(wú)效段為339m[10]。

然后是孔的制造和灌漿,可分為3個(gè)序次:一序孔的終孔間距為8m,二序孔的終孔間距為4m,三序孔的終孔間距為2m。灌漿采用自下而上的分段灌注,每段長(zhǎng)度5m。灌漿材料選用425#普硅酸鹽水泥,當(dāng)吸漿量超過(guò)規(guī)定值時(shí),可以加入水玻璃或細(xì)砂。灌漿工藝應(yīng)符合《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》(SL/T 62-2020)和《土壩灌漿技術(shù)規(guī)范》(SL 564-2014)的要求。漿液的水灰比按照不同級(jí)別進(jìn)行變換,以滿足各個(gè)階段的要求。根據(jù)實(shí)際情況,還可以加入粉煤灰、砂、速凝劑等材料[11]。

一般情況下,孔口壓力表應(yīng)控制在0.3～0.6MPa之間。如果單位吸漿量較小時(shí),可以采用一次加壓或自行升壓。如果出現(xiàn)地表冒漿、孔口返漿或單位吸漿量突然增大等情況,需要適當(dāng)降低壓力。當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值后,滿足規(guī)范要求的持續(xù)時(shí)間和灌入量時(shí),即可結(jié)束灌注。整個(gè)灌漿過(guò)程應(yīng)遵循少?gòu)?fù)多灌的原則,一序孔的灌漿應(yīng)指導(dǎo)二、三序孔的正常施工[12]。對(duì)于隧洞段和溢洪道覆蓋較淺的地段,應(yīng)嚴(yán)格控制灌漿壓力,以防止由于帷幕灌漿施工而導(dǎo)致現(xiàn)有建筑物損壞的情況發(fā)生。東風(fēng)水庫(kù)帷幕灌漿設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖3。

圖3 東風(fēng)水庫(kù)帷幕灌漿設(shè)計(jì)圖

最后根據(jù)設(shè)計(jì)圖,布置水電線路和灌漿管路,抽取庫(kù)水作為施工用水;將施工分為3個(gè)階段,依次完成一序孔、二序孔和三序孔的施工,每個(gè)孔的施工流程包括施工準(zhǔn)備、鉆孔、洗孔、制漿、灌漿、復(fù)灌和封孔;所需施工設(shè)備包括2臺(tái)XY-100型鉆機(jī)、2臺(tái)中低壓灌漿泵以及2名工程技術(shù)人員;施工計(jì)劃在低水位下進(jìn)行,總工期為2個(gè)月,同時(shí)遵循《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》(SL 174-2014)的技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn),以確保施工的質(zhì)量和安全可控。

2 帷幕灌漿技術(shù)的防滲效果分析

首先需要評(píng)估帷幕灌漿技術(shù)在東風(fēng)水庫(kù)大壩壩基上的實(shí)際防滲效果,通過(guò)在實(shí)地條件下模擬地下水壓力,以便更好地了解未經(jīng)處理的巖土材料的原始透水性質(zhì)。見(jiàn)圖4。

根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)分析可知,隨著灌漿次序的逐漸增加,單位吸水量呈逐漸減小趨勢(shì),表明帷幕灌漿在防滲方面表現(xiàn)出良好效果。在數(shù)據(jù)樣本中,約30%灌漿段的單位吸水量超過(guò)10L/MPa·m·min,顯示出相對(duì)較高的吸水率;10%的段數(shù)大于1L/MPa·m·min;72%的段數(shù)大于0.10L/MPa·m·min。壓水試驗(yàn)結(jié)果顯示,大多數(shù)試驗(yàn)段單位吸水量小于1L/MPa·m·min,表明大多數(shù)情況下,帷幕灌漿可以滿足防滲要求。

圖4 1-3次序孔單位吸水量累計(jì)頻率曲線

唯一的例外是一個(gè)試驗(yàn)段,在壓水階段出現(xiàn)少量冒水,導(dǎo)致單位吸水量大于2.5L/MPa·m·min。而且,檢查孔的壓水試驗(yàn)也得出類似結(jié)果,各階段單位吸水量均高于98%。

帷幕灌漿是關(guān)鍵的地下工程技術(shù),其成功實(shí)施不僅關(guān)系到地下水的控制和地質(zhì)穩(wěn)定性,還涉及工程的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。前期帷幕灌漿完成工作量見(jiàn)表1。

表1 前期帷幕灌漿完成工作量

在東風(fēng)水庫(kù)施工過(guò)程中,隨著水位逐漸上升至850m,水庫(kù)下游排水溝底部開(kāi)始出現(xiàn)明顯的滲水,甚至在某些區(qū)域出現(xiàn)溢出現(xiàn)象。在為期一周的系統(tǒng)觀察期間,滲流量從初步的7.07L/s上升至34.81L/s,東風(fēng)水庫(kù)的滲流量為34.81L/s。左壩肩位于溢洪道右側(cè)山體,右岸山體部位位于壩后,距離下游壩腳不遠(yuǎn)處,壩后排水棱體的滲水流量與水庫(kù)水位升高呈正相關(guān),溢洪道變強(qiáng)結(jié)構(gòu)縫部位存在明顯的水流噴出,頂拱結(jié)構(gòu)縫有輕微的滲水現(xiàn)象,輸水洞內(nèi)多個(gè)區(qū)域存在滲水現(xiàn)象。本研究已按照表1對(duì)東風(fēng)水庫(kù)作出修正。

本文選擇水位和壩后滲流量初始值相似的區(qū)域進(jìn)行研究,并以實(shí)際水位和壩后滲流量為主要指標(biāo),評(píng)估這兩種不同的防滲方法。研究區(qū)域劃分為兩部分,分別代表帷幕灌漿技術(shù)(位置1)和傳統(tǒng)灌漿技術(shù)(位置2)的應(yīng)用區(qū)域。見(jiàn)圖5。

圖5 帷幕灌漿和傳統(tǒng)灌漿技術(shù)的實(shí)際水位及壩后滲流量

本研究旨在深入探討帷幕灌漿與傳統(tǒng)灌漿方法的應(yīng)用效果,以水位和壩后滲流量作為評(píng)估指標(biāo)。選擇位置1和位置2兩個(gè)初始條件相似的區(qū)域作為研究對(duì)象,比較兩種不同灌漿技術(shù)對(duì)水庫(kù)防滲性能的影響。在進(jìn)行灌漿操作前,位置1和位置2的水位和滲流量相差不大,表明二者初始條件非常相似。在實(shí)施灌漿操作后,情況開(kāi)始發(fā)生變化。位置1采用帷幕灌漿技術(shù),其滲流量曲線呈現(xiàn)出的趨勢(shì)為先明顯下降、后逐漸上升、最終穩(wěn)定在0.1L/s左右,表明帷幕灌漿技術(shù)在初期可以顯著減少水庫(kù)的滲漏率,而后續(xù)的上升可能與水庫(kù)地質(zhì)特性和灌漿材料的滲透性有關(guān)。位置2采用傳統(tǒng)灌漿技術(shù),其滲流量也經(jīng)歷了下降,但最終穩(wěn)定在0.4L/s左右,表明傳統(tǒng)灌漿方法在防滲方面也起到一定效果,但其滲漏率相對(duì)較高,與帷幕灌漿相比略顯不足。

研究對(duì)大壩壩基巖體進(jìn)行了帷幕灌漿前后聲波檢測(cè),具體見(jiàn)圖6。

圖6 不同位置的水庫(kù)水位和滲流量

在灌漿前后,巖體的物理性質(zhì)發(fā)生顯著變化。在灌漿前,巖體的完整性系數(shù)介于0.58～0.71之間,而在灌漿后,完整性系數(shù)提高至0.75,表明巖體的完整性明顯改善。此外,灌漿后聲波傳播速度出現(xiàn)顯著提高,灌漿后聲波速度提高率為5.5%～15.1%,平均提高率為11.7%,表明灌漿質(zhì)量良好以及灌漿工程在技術(shù)上取得較大成功。聲波速度的提高表明巖體現(xiàn)在具備了更強(qiáng)的抗?jié)B性能,可以滿足水庫(kù)蓄水操作的要求。

3 結(jié) 論

本文采用帷幕灌漿技術(shù),作為東風(fēng)水庫(kù)的防滲措施。結(jié)果顯示,帷幕灌漿技術(shù)在防滲方面表現(xiàn)良好,即30%的段數(shù)吸水量大于10L/MPa·m·min,10%的段數(shù)吸水量大于1L/MPa·m·min,72%的段數(shù)吸水量大于0.10L/MPa·m·min;大多數(shù)試驗(yàn)段的單位吸水量小于1L/MPa·m·min。此外,采用帷幕灌漿技術(shù),滲流量最終穩(wěn)定在0.1L/s;位置2采用傳統(tǒng)灌漿技術(shù),滲流量最終穩(wěn)定在0.4L/s。灌漿后,聲波速度提高率為5.5%～15.1%,平均提高率約為11.7%。