高压喷射灌浆在九京灌溉供水工程中的应用

李红星

(晋中市水利勘测设计院 山西晋中 030600)

1 工程概况

和顺县九京灌溉供水工程位于清漳东源中游,县城以上3km处,控制流域面积251km2。工程利用原九京水库坝址筑的部分旧土坝,兴建闸坝拦蓄地表水,修建地下防渗墙,并在库区修建三眼大口井,实现地表水地下水联合运用,向下游县城居民、工矿企业及附近的农村人畜饮水、农业灌溉提供用水。工程于1999年8月开工,2000年6月主体工程竣工.投入运行九年来,运行状况良好。

九京灌溉供水工程日供水能力4000m3,控制灌溉面积466.67hm2,最高蓄水位1267.5m,相应库容30×104m3,年调节水量290×104m3,设计洪水标准为20年一遇洪水,属四等工程,主要建筑物为四等四级。

本工程由土坝、橡胶坝、泵房、地下防渗墙及大口井等组成。

土坝为均质土坝,最大坝高6m,坝顶长191m,坝顶宽4m,上游边坡1︰2.5,下游边坡1︰2.0,坝顶高程1269.0m。橡胶坝高4m,长30m,底板高程1263.5m。

2 工程、水文地质条件及防渗处理方案

坝址区沿坝轴线分布的地层岩性为第四系全新统冲洪积 (Q4al+pl)、松散层及二迭系上石盒子组(P2S)基岩地层。其后者岩性主要为黄绿色中粗粒砂岩及砂质页岩,出露于河谷两岸山体或下伏于全新统冲洪积松散层;而前者第四系全新统 (Q4)冲洪积松散层岩性主要为亚砂土,粉细砂,中粗砂及砂卵石层,根据钻孔揭示,沿坝轴线最大厚度约26.6m可分为8层,自上而下依次为 (详见图1)。

1、人工填筑土 (原九京水库碾压土坝体)层厚约5.0m;

2、浅黄色亚砂土,质较纯,结构疏松,层厚约3.0m;

3、砂卵石层,层厚1.0～2.2m;

4、中粗砂层,结构松散,层厚2.5～4.2m;

5、褐黄色亚粘土层,层厚0～8.0m;

6、棕色粉细砂层,层厚约0～3m;7、亚粘土,层厚0～2.2m);

8、砂卵石层,层厚0～6.0m,覆于二迭系基岩层之上。

经测试各地层渗透系数见表1。

表1 各地层渗透系数

河床覆盖层厚约18m左右,经研究论证,确定顺坝轴方向,距坝轴线上游17.25m位置采用高压喷射灌浆构筑地下防渗墙。

3 高压喷射灌浆技术在工程中的应用

高压喷射灌浆是利用工程钻机钻孔至设计处理的深度后,用高压泥浆泵通过安装在钻杆(喷杆)杆端置于孔底的特殊喷嘴,向周围土体高压喷射固化浆液(一般使用水泥浆液);同时,钻杆(喷杆)以一定的速度,边旋转边提升,高压射流使一定范围内的土体结构破坏,并强制与固化浆液混合,凝固后便在土体中形成具有一定性能的固结体,从而起到防渗抗渗的作用,是处理中低水头水利工程基础防渗的一项有效措施。

图1 高压喷射防渗墙设计剖面图

固结体的形状与喷射流的移动方向有关。一般分为旋喷和摆喷。旋喷桩主要用于加固地基,提高地基的抗剪强度。定喷和摆喷通常用于地基防渗,改善地基土的水力条件及边坡稳定等的工程中。本工程选择摆喷构筑地下防渗墙。

4 高喷防渗板墙结构设计

(1)高喷轴线与坝轴线方向平线,位于坝轴线上游17.25m。两端与山体基岩相连,高喷范围为0+004～0+573。

(2)高喷板墙下部深入新鲜基岩0.5～1.0m。上部顶高程在旧土坝段(0+040～0+343)为1267.0m,在新坝段(0+343～0+573)为1263.0m。

(3)高喷灌浆材料采用425#普通硅酸盐水泥浆,板墙顶部以上部分用粘土浆封孔。

(4)高喷板墙厚度,依据工程防渗要求和高压喷射灌浆在砂卵砾石层中所能形成凝结体的形状大小,以及包住卵石等因素要求,设计板墙成形厚度在砂卵石层中定为40cm。

(5)喷射型式,为确保板墙可靠稳定连接,连接形式采用单孔成形凝结体,为哑铃形的摆喷折摆型。摆角30°,喷射方向与轴向夹角15°,相应凝结体的连接角度为150°。钻孔间距1.5m。

(6)施工分序,要求按两序孔进行施工,单号孔为Ⅰ序孔,双号孔为Ⅱ序孔。

板墙成型后,要求用围井做注水试验检查施工质量,围井注水试验所得的渗透系数要小于10-5cm/s。在施工前应进行现场试验,以确定与实际情况相符,满足设计要求的施工技术参数。

5 高喷混凝土防渗板墙施工

5.1 高喷参数的确定

根据设计要求进行施工技术参数试验以最终确定施工技术参数值。试验选择在代表性地段进行,在轴线上游采用多种技术参数喷射成墙。试喷成墙初凝后,进行开挖检查,可直观看到墙体的连接形式、喷射长度、厚度、形状、强度等,根据现场量测:凝结墙体有效延伸长度115～175cm,砂卵石层中墙体厚度40～95cm。并结合设计技术参数及施工单位以往施工经验,确定本工程高喷型式采用高压摆喷,孔距1.5m,喷射角度15°,摆角 30°,施工技术参数表2。

表2 高压喷射灌浆施工技术参数

5.2 施工设备及工艺流程

采用的灌浆设备包括:(1)造孔系统:一般用XJ-100岩心钻机,合金钻头泥浆护壁造孔。

(2)浆系统:选用山东黄河机械厂生产的WJG80-2型搅灌机,该机输浆量可达80～100L/min;(3)水系统:高压水泵、压力表、高压截止阀、高压胶管等。其中高压泵使用天津通用机械厂生产的3×B系列三柱塞高压泵,其额定流量为75L/m in,额定压力为50MPa;(4)气系统:空压机、转子流量计、输气胶管等。其中空压机采用移动式2V-6/8型空压机,排气量为 6m3/min,压力采用 0.7～0.8MPa;(5)喷射系统:高喷台车、喷头、喷射管(三孔式)及孔口装置,摆动提升设备等。

一般工序为:布孔→钻孔→下喷射装置→制浆→喷射→定向、摆动(旋转)提升→成板墙→冲洗→静压灌浆。施工工艺流程见图2。

图2 高压喷射施工工艺流程图

(1)灌浆布孔施工按由疏到密的原则,分两序孔施工。

(2)高喷前应进行灌浆试验,选择代表性地段,按照灌浆工艺要求布孔、选孔、制浆,灌浆及开挖检查,以使准确的确定合适的高喷技术参数。试喷之前,须慎重选择喷射参数,若一次试喷不满足设计要求,须进行复试,直至满足设计要求。

(3)选孔力求保持垂直,孔斜最大允许值为孔深的1%,钻孔要深入新鲜基岩0.5～1.0m。

(4)灌浆结束后,在代表性地段,施工板墙上游侧加喷2个孔,与原板墙形成三角形围井,进行压水或注水试验,检查板墙质量。

5.3 高喷施工的质量控制

为保证高喷的施工质量,工程施工中采取了如下几方面的质量控制措施。

(1)要求施工单位建立健全较完善的“三检”制度,责任到人,积极配合工程监理检查施工过程中的各个环节,对每道工序都要检查认可合格后方可进入下一道工序施工。

(2)严把材料质量关。按设计要求选用了县水泥厂生产的425#普通硅酸盐水泥,每批水泥进场都必须有合格证和化验单,进场后分批堆放,按先后顺序使用,并定期抽检水泥安定性和强度指标,保证施工用的水泥全部符合设计要求,并保证库存量不小于一个孔的用量,以免中断喷射作业。

(3)做好喷前质量检查。下管前后,要准确确定摆喷方向和角度,并对水、气、浆管路进行检查,防止堵塞,此外下管必须达到设计深度,并需经质检和监理人员确认签字后方可开喷。

(4)施工过程中主要技术参数的准确控制。高压水、气、浆的压力、流量、比重等指标都必须控制在试验确定的施工技术参数值范围内。

(5)如因各种原因停喷时间超过20min,需浆喷管下降0.5m以上深度进行复喷。如因堵塞、停电等原因停喷时间超过2h以上,需进行复钻,而后再进行复喷。

6 高喷板墙的防渗效果

灌浆结束后,在代表性地段,施工板墙上游侧加喷2个孔,与原板墙形成三角形围井,进行压水或注水试验,检查板墙防渗质量。

经业主、监理代表指定在N 56#、N57#孔间和N115#、N116#孔间,设置Ⅰ#、Ⅱ#两个围井。均为等边三角形,围井施工完毕后,在围井中部钻注水试验孔,然后以含砾亚粘土为顶板隔水层,下注水管至其下的砂卵石层内,注水管内径108mm,按注水试验中的经验公式(1)计算注水渗透系数k值。

式中:a——吉林斯基系数,一般为1.32;

s——作用水头,m;

L——试验段长,m;

r——钻孔半径,m;

Q——单位注水量,m3/s;

经计算:K=2.65×10-6cm/s。

由此可见,其注水渗透系数小于10-5cm/s,满足设计要求,证明高喷防渗墙的防渗性能是可靠的。

7 结论

(1)构筑地下防渗墙后可充分利用河床砂砾层蓄水,与低坝蓄水相结合,实现地表水与地下水的联合运用,具有淹没少、投资省等特点,特别适宜在北方山丘区季节性河流上修建,是山丘区水资源开发利用的重要途径,具有很好的推广价值和广阔的发展前景,该工程投入运行七年来,运行状况良好。。

(2)高压喷射防渗技术适用于各种松散地层的防渗处理,具有设备简单,适用范围广,成本较低,施工速度快,防渗效果好等优点,用于地下防渗墙的构筑中具有巨大的经济效益和社会效益。

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