长低坝水利除险加固工程防渗处理方案的探索与实践

李锡均 和润秋

(1.云南省水利水电勘测设计研究院,昆明 650021;2.丽江市玉龙县水利局,云南 丽江 674100)

1 工程概况

文笔水库位于丽江市西南角玉龙县黄山镇境内的文笔山脚,青龙河之尾。地理位置为东经100°11′,北纬26°47′, 距丽江玉龙县城约3km, 有公路可到达水库,交通较方便。

文笔水库始建于1957年,经历近8年时间,至1965年扩建加坝到目前规模。文笔水库大坝坝型为均质土坝,坝顶高程2381.18m,最大坝高5.80m,坝顶高程 2380.30～2381.80m,坝顶长191.00m,坝顶宽2.4m～6.9m,上游坝坡坡比1︰1.9～1︰4.1,下游坝坡坡比1︰1.6～1︰4.2。

水库运行近五十年来,坝体严重开裂变形、防浪墙断裂、倒塌及东坝、北坝上游坝坡严重淘蚀,已危及坝体安全。

防浪墙多处坍塌,有较大的裂缝共21条,其中横向裂缝 16条,纵向裂缝5条,最大缝宽8mm,防浪墙倾斜变形十分严重。

大坝渗漏主要为坝体渗漏和坝基渗漏,坝体在正常蓄水位时后坝坡共有10个潮湿区,总潮湿面积达2630m2,可测量的总渗漏量为10.42L/s;大坝坝基存在透水性较强的松散粉砂层及砂砾石层,大部分坝基局部存在绕坝渗漏,在下游坝脚形成沼泽地。

水库右坝肩及南岸在高程2377.80m～2381.18m范围内为泥质灰岩、白云质灰岩,岩体较破碎,溶孔、溶隙发育,存在库岸渗漏问题。

因此,由于坝体变形、坝体及坝基渗漏,给大坝的结构安全带来极大的隐患,迫使水库长期在低水位运行,影响到水库正常的工程效益。

2 工程地质

(1)地层岩性。

第四系:①洪湖积层 (Qpl+l):为坝址区主要下伏地层,为灰色、灰褐色、灰白色含淤泥质粉土,粘土,局部含少量粗中细砂土,软塑～可塑状,局部呈流塑状。②湖积层 (Ql):为黑灰色草煤层及泥炭质粉土、粘土。流塑～软塑状。③洪冲积层 (Qpal):为灰色、浅灰色、灰白色砂砾层夹卵石及粉砂、粉土层,松散～中密状。

中生界三迭系中统。北衙组中段 (T2b2):灰白色白云质灰岩、灰岩。

(2)地质构造。

区内无大的断层发育及穿越,第四系湖积层较厚,下伏地层为 (T2b2)白云质灰岩,出露于右坝肩,产状N32E,NW∠25°,呈中～厚层状,节理裂隙发育,所钻孔揭露岩层较破碎。

(3)水文地质条件。浅层地下水主要为赋存于第四系堆积体内的孔隙水,深层地下水为基岩内的裂隙水。

①含水 (透)水层 (带):根据水库勘察钻孔压 (注)水试验,区内含水 (透)水层 (带)主要为湖积层砂卵砾石层及库盆底部三叠系中统北衙组(T2b2)白云质灰岩岩溶水含水层,相对富水性强,透水性强～极强。

②相对隔水层 (带):根据钻孔压水试验,相对隔水层 (带)主要隔水层为第四系洪湖积层(Qpl+l)含淤泥质砂质粉土、粘土及 (Ql)有机质腐榍草煤层及碳质粉土、粘土。

③地下水补给、径流、排泄:地下水接受大气降水、岩溶泉水、地表水补给,主要通过岩溶管道、砂卵砾石层径流,以泉水或散浸出露,汇入漾弓江向下游排泄。

(4)坝体各土层物理力学指标见表1。

3 防渗方案的选择与优化和比选

3.1 防渗方案的选择

对于丽江市玉龙县文笔水库除险加固工程而言,无论采用哪一种防渗处理方案,如灌浆法、高压旋喷法、混凝土防渗墙法、深层搅拌桩法,均能满足设计的防渗要求,达到除险加固的目的。根据实际情况,应从技术可行、投资节省、满足工期要求进行选择施工方案。

表1 坝体各土层物理力学指标表

3.2 防渗方案的优化与比选

为防止坝基的渗透破坏,减少坝基及绕坝渗漏量,对坝基防渗进行三种垂直防渗方案的比选。

方案一:在上游坝脚进行水泥土深层搅拌桩及帷幕灌浆两种防渗措施相结合的防渗处理方案。深搅桩直径 D=600mm,孔距 400mm,搭接长度200mm,最大处理深度18.05m,处理范围:坝0+026.00～1+1944.00m。由于坝 0+000～0+026m范围防渗底界较深,已超过深搅桩最大施工能力,且右坝肩下部白云质灰岩段无法采用深搅桩施工,故0+029.00～0-030.00段采用帷幕灌浆防渗,单排孔,孔距1.5m,与深搅桩段搭接长度3m,以形成完整的垂直防渗体系。

方案二:在坝轴线上全坝段进行帷幕灌浆防渗处理。采用水泥浆灌注。最大深度19.98m,单排孔,孔距1.50m 。

方案三:在坝轴线上全坝段进行混凝土防渗墙处理,防渗墙厚度采用0.40m。

坝基的二种防渗方案比较:

方案一的优点是施工简单、速度快造价低廉,对变形的适应性强。缺点是受施工工艺等限制,无法对超过20m的基础和基岩进行施工,必须和其它防渗工艺交叉使用。

方案二的优点是工艺成熟、施工较简单,可灌性、可控性较好,适应地层广、深度大。但由于坝体较矮,压重小,不利于灌注时加压,对施工质量有很大的影响。

方案三的优点是施工时振动小,噪音低,墙体刚度大,防渗性能好,可以贴近施工;缺点造价高。

从投资方面看(见表2),方案一(深搅桩方案)较方案二(帷幕灌浆方案)和方案三(混凝土防渗墙方案)费用低,施工简单,速度较快,可靠性较高。方案二、方案三施工及试验检测手段比较成熟,但投资较方案一高。因此,结合文笔水库的实际情况,推荐采用施工较为简单,投资较少的方案一对坝基进行防渗处理。

表2 三种防渗方案主要工程量表

3.3 深层搅拌桩防渗方案适用范围与作用机理

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)一般规定:水泥土搅拌法分为深层搅拌法和粉体喷搅法。水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等。

由搅拌机机械将水泥等固化剂按设计配合比配制的浆液灌入地层并搅拌,利用固化剂的水解与水化反应,以及反应生成的水化物与土体物质的一系列化学反应,使固化剂与土的混合料逐渐硬化成水泥土桩桩。

4 施工

4.1 施工依据及设计指标

(1)云南省水利水电勘测设计研究院的《玉龙县文笔水库扩建工程施工技术要求》。

(2)湖南宏禹云南分公司玉龙文笔水库工程项目的《水泥土深层搅拌桩施工试验报告》和《生产性灌浆试验专题报告》。

(3)云南省水利水电勘测设计研究院的《玉龙县文笔水库除险加固工程初步设计报告◦3.工程地质》。

(4)《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)。

(5)《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/T5148-2001)。

(6)《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB50202-2002)。

(7)《水利水电工程注水试验规程》(SL345-2007)。

(7)《水利水电工程压水试验规程》(SL31-2003)。

(9)《水利水电工程钻探规程》(SL291-2003)。(10)其它要求及图纸。

4.2 设计指标

(1)防渗指标:①深搅桩墙体28d后K≤10-5;②帷幕灌浆防渗标准q＜10Lu。

(2)抗压强度指标:无侧限抗压强度≥0.3MPa。

4.3 施工工艺

0-30～0+50.5m、低涵(0+393.6～0+431.1m)、中涵(1+561.1～1+574.6m)采用帷幕灌浆试验工艺,其它段采用深层搅拌桩施工工艺。

4.4 施工工期控制

帷幕灌浆部分于2009年7月25日开工,于2009年10月14日结束。

深层搅拌桩部分于2009年8月11日开工,于2009年12月11日结束。

从开工至结束的工期满足了设计工期的要求。

5 工程质量检查

5.1 施工过程检查

检查内容包括水泥规格及用量、外加剂用量、水泥浆液密度、孔位、孔斜、灌浆中断时间、搅拌轴的提升速度及转速、成桩时间、成桩速度、钻头直径、桩架的垂直偏差、断桩处理情况和施工记录等。做到每日一查,发现问题及时处理。

5.2 帷幕灌浆

帷幕灌浆共完成8个单元,每个单元按规定布置灌浆孔数的10%检查孔,共完成11个检查孔,44段次压水试验,每一段次压水试验透水率值q均小于10Lu,满足设计的防渗标准要求。

5.3 深层搅拌桩桩体质量检测及检测方法

工程完工后应对所施工的深搅桩进行抽样检测,检测结果应满足允许偏差标准。检测标准可按表3执行。

(1)开挖检验。于成桩28d后,每200m 开挖一处。开挖深度不小于2.0m,长度不少于2.0m。测量墙体中桩的垂直偏差、桩位偏差、桩顶标高,观察核酸与桩之间的搭接状态、搅拌的均匀度、渗透水情况、裂缝、缺陷等。

(2)取芯试验。成桩28d后,每一个单元工程布一个钻孔,在防渗墙中取一组水泥土芯样(各钻孔的不同深度取样),室内养护到28d,作无侧限抗压强度试验。

表3 深层搅拌防渗墙施工允许偏差及技术标准表

(3)注水试验,在检查孔中自上而下按5.0m一段进行。

5.4 效果检查情况

(1)注水试验检查。

本工程共划分为78个单元,每个单元布置近3个检查孔,共布置222个检查孔,每一检查孔每段注水试验的渗透数K均≤10-5m/s。

(2)开挖检查。

按设计及监理要求成桩28d后进行了开挖检查,根据实测资料,桩与桩搭接较好(见图1),均达到了设计要求。

图1 开挖检查桩体

(3)无侧限抗压强度试验。

根据设计及监理要求,按检查孔数的5%取样,每孔取两组试样进行无侧抗压强度试验,共做22组无侧限抗压强度试验,其抗压强度均≥0.3MPa。

6 投资结算与投资偏差分析

根据文笔水库防渗处理完成的工程量,其投资结算如表4。

表4 完成工程量及投资结算表

从表4中可以看出,本工程完成总投资为727万元,接近方案二的投资,出现这种情况的原因如下。

(1)原设计方案中未包括检查孔和检查孔封孔的工程量。

(2)原设计方案中,上游有围堰,本次施工中优化了设计方案,把深层搅拌桩的轴线提至坝轴线上,取消了上游围堰,并取消以上游斜墙粘土料防渗处理方案,两项相加投资超过100万元,轴线变动后深层搅拌桩的进尺增加了2000m左右,投资与之相接近。

(3)由于中、低涵的处理,深层搅拌桩无法满足设计的要求,在施工中改为帷幕灌浆,从表4中可以看出帷幕灌浆的投资近80万元。

从以上3个方面分析,设计的总投资与施工结算的总投资是相近的,没有超出设计投资。

7 结 论

通过本次深层搅拌桩在丽江玉龙文笔水库除险加固工程中的实践,得到如下的结论及体会。

(1)对于长低坝水利除险加固工程而言,无论采用何种工艺均能达到防渗的目的,但必须从实际出发,既能满足要求,又能节省投资和满足工期要求是最佳选择的施工工艺。

(2)施工中应尽量缩短制浆池与桩机间的距离,以减少送浆浆管的长度。

(3)搅拌桩施工机械应与保证浆液流量相配套,以控制每根桩的浆量、总浆量、搅拌喷浆过程。

(4)为保证桩头部位的施工质量,应增加桩头的复搅喷浆。

(5)通过本次深层搅拌桩在除险加固工程成功实践,可以达到加固坝体的稳定性和防渗处理目的,对于长低坝除险加固工程,采用深层搅拌的防渗处理工艺是可以值得见鉴的。

[1]甘国权,陈芙蓉等.深搅法[M].北京:中国水利水电出版社,2006

[2]建筑地基处理技术规范[S].JGJ79-2002

[3]建筑地基基础工程施工质量验收规范[S].GB50202-2002

[4]水利水电工程注水试验规程[S].SL345-2007

[5]水利水电工程钻探规程[S].SL291-2003

[6]玉龙县文笔水库扩建工程施工技术要求.云南省水利水电勘测设计研究院

[7]玉龙县文笔水库施工管理工作报告.湖南宏禹云南分公司

[8]玉龙县文笔水库工程完工结算报告.湖南宏禹云南分公司