高压摆喷灌浆技术在水库除险加固工程中的应用

侯秀娟,张新利,伏晓娟

(1.陕西省扶风县水利局,陕西 扶风 722200;2.中国水电建设集团第十五工程局有限公司,陕西 西安 710062)

0 引 言

高压喷射灌浆技术自20世纪70年代引进我国,之后逐渐在各行业建筑领域推广,普遍应用于建筑物的地基加固,提高地基承载能力,并且取得了令人满意的效果。20世纪80年代在水利工程中获得推广应用,在水利水电行业中除应用于地基加固外,更广泛地应用于水工建筑物的防渗工程中[1]。高压喷射灌浆适用于淤泥质土、粉质粘土、粉土、砂土、砾石、卵(碎)石等松散透水地基或填筑体的防渗加固。它的优点是不需要开挖,不破坏坝体,不需要水库放空,施工速度快。据统计我国利用该项技术已经成功处理了100多座水库。与现浇混凝土防渗墙比较,高压喷射灌浆施工工程量小,工程投资少,成墙工效较高。在渗透和结构方面有着独特的稳定性。高压喷射灌浆形成的防渗体弹性模量较低,有较强的变形适应性,在适应地基的变形方面较混凝土防渗墙有明显的优越性[2]。

本文结合白家窑水库除险加固工程实践对高压摆喷防渗工程适应条件、施工工艺、技术要点和质量控制等方面做了详细阐述,为今后同类工程提供了可借鉴的经验。

1 工程概况

白家窑水库位于陕西省宝鸡市扶风县城北2.5 km处,是一座以灌溉为主,兼顾养殖的小(一)型水库。水库枢纽工程由均质土坝、溢洪道、泄水洞等部分组成。该工程建于20世纪70年代初,水库工程分两期建成,第一期无设计,1969年动工,至1971年建成坝高为24.5m,坝顶长为150 m,坝顶宽14 m,坝顶高程553.5 m的土坝。1974年另作设计拟将土坝加高,至1977年11月建成坝高为31 m,坝顶长为245 m,顶宽10 m,坝顶高程560.0 m,并在土坝548m高程留有18 m宽的平台。水库总库容440×104m3,水库防洪标准为设计洪水100 a一遇,校核洪水200 a一遇。泄水洞工程于1974年3月开工,当年7月初竣工。溢洪道于1977年2月开始土方开挖,当年10月底水库工程基本结束。

水库投入运行后不久,坝后左岸逢雨滑塌,淤塞河床,使坝后水位抬高,右坝肩在背水坡533.0 m～548.0 m出现明流。1989年11月曾进行劈裂灌浆处理,但效果不很理想,渗漏依然存在,右坝肩18 m平台长期浸润并有明水,常流量5 L/s～7 L/s,对坝体稳定很不利。从大坝安全评价综合结论得知:该工程防洪标准既不能满足GB50201-94要求防洪标准,又不能满足水规[1989]21号文近期非常运用洪水标准[3]。通过土工试验报告得知:原设计坝体下游排水体体积偏小,两坝肩原状黄土渗透系数大于坝体渗透系数,但又小于下游排水体渗透系数,因而两坝肩产生了不同程度的绕坝渗漏。从现场取样的室内试验结果看:坝体土为含钙质结核的中塑性黄土,平均干密度为1.65 g/cm3,但土样中干密度有33%低于1.55 g/cm3,坝体土渗透系数接近 10-6cm/s数量级[4]。综合以上因素,拟对该水库进行除险加固,包括大坝加高、坝肩防渗处理、溢洪道和泄水涵洞加固等。

2 右坝肩防渗设计

根据地质报告和现场勘查,右坝肩坝0+140～0+210段存在绕坝渗漏,需进行工程处理。设计考虑了三种加固处理方案:(1)塑性混凝土防渗墙;(2)高压摆喷防渗墙方案;(3)劈裂灌浆方案。各方案优缺点见表1所示。

表1 右坝肩防渗方案比较表

劈裂灌浆方案虽然造价低,施工方便,但由于水库淤积高程达546.0 m,淤积面以下防渗处理范围土体含水量达饱和,因此较难形成防渗泥墙。塑性混凝土防渗墙方案要求施工作业面大,需摆放较大的挖槽施工机械,施工难度较大,工程造价相对较高;高压摆喷防渗墙方案要求施工平台宽度适中,合理选用高素质的施工队伍,能够保证本工程的防渗要求,且该方案施工简单方便,工程造价相对较低。经综合分析比较,该工程采用高压摆喷防渗墙较为合理[5]。

右坝肩设计防渗范围位于坝0+140～0+210段,采用高压摆喷防渗墙防渗,防渗墙顶线位于原坝顶上,高程561.5 m,防渗墙底线位于高程528 m～535 m之间,最大深度33.5 m,孔距1.3 m,在泄水洞处应加密并减压,有效成墙厚度应大于0.3 m。根据《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》(DL/T5200-2004),结合坝区地质情况,确定设计墙体指标为:抗压强度R28＞3MPa,弹性模量＜1500MPa,渗透系数K＜10-6cm/s。

根据高压喷射灌浆技术规范及设计要求,重要的地层复杂或深度较大的高喷墙工程,应选择有代表性的地层进行高喷灌浆现场试验。试验宜采用单孔和不同孔距、排距的孔群进行,以确定高喷灌浆的方法及其适用性,求得最佳施工技术参数,从而保证工程质量。由于本工程部位地质条件单一,主要为黄土状壤土及古土壤,且需灌浆处理区段连续,故依据规范和设计的各项技术参数及相关工程经验,在将试验段合理利用的原则下,在桩号0+190.5～0+210段沿坝顶中心线(设计摆喷中心线)按2.0 m、1.3 m、1.0 m三种孔距布孔,每种孔距布置5个孔,孔深均为26 m,共布置钻孔15个,试验段总长19.5 m。高压摆喷灌浆试验布置见图1。

图1 高压摆喷灌浆试验孔布置示意图

经现场试验及对试验区段防渗墙墙体厚度、成墙对接连续情况、抗渗强度等检测后,对原设计孔距、设计摆角等参数进行了适当的调整修正,修正后的摆喷参数见表2。

表2 白家窑水库高压摆喷灌浆施工技术参数

3 高压摆喷灌浆施工

3.1 施工机械准备

考虑到高喷工作的紧迫性,设备配置上力求性能好,效率高的成套设备。主要施工设备配置见表3。

表3 高压摆喷施工机械设备表

3.2 施工工艺流程

施工准备→确定孔位、钻孔→高喷机就位→调整摆喷垂直度→供气、供浆、供水,地面试喷→低压供水、供浆、供气,下喷管至设计深度→摆动提升喷射至设计高程→摆喷结束提出喷管→移开高喷台车→补浆→进入下一流程(见图2)。

3.2.1 布孔形式

采用三重管法钻孔,分两序施工,孔距1.3 m。钻孔采用CM485钻机配合寿力750高风压空压机,高压摆喷成墙。其布孔形式见图3。高喷灌浆分两序施工,先施工一序孔,后施工二序孔。

图2 施工工艺流程图

图3 布孔形式

3.2.2 孔位放样

高压喷射灌浆孔孔距为1.3 m,单排孔布置。

3.2.3 钻机就位

设置在设计的孔位上并应保持垂直,施工时旋喷管的允许倾斜度不得大于1.0%。钻机就位后进行水平、垂直校正,钻杆应与桩位吻合,偏差控制在50mm内。钻机采用CM485,配合寿力750高风压空压机。

3.2.4 钻孔

造孔采用CM485钻机,钻孔方式采用 Φ 146套管跟管钻进,钻孔直径为150mm,钻孔深入基岩或相对不透水层1.0 m。钻孔时钻机要平稳,开孔孔位要准确,满足孔位偏差要求时方可开钻。钻孔垂直度偏差≤1%,确保高喷管能顺利导入孔底。

3.2.5 高喷机就位

高压喷射灌浆采用GP-50高喷台车和GZB-40BW高压泵进行灌浆,喷管直径为Φ 89;台车塔架全部升起高18 m,在塔架范围内禁止其它作业,并安排专人进行检查。

3.2.6 地面试喷,下入孔内

喷浆台车立架高度18 m,提升速度调整的范围是:6cm/min～8cm/min,喷嘴通过旋摆器定向,喷管采用三条喷射管,喷嘴直径1.7mm～2.0mm,可使浆、气、水同时喷射。

在喷射作业时,当喷射管下到设计深度并对准喷射方向后先静喷3 min～5 min,送入浆液并按规定的速度提升,摆角为40°,待达到设计高度后停止送浆、送气并提出喷管。为防止喷嘴堵塞,在下入喷射管前先送水对喷嘴进行检查,且在下入喷射管时带压缩空气送入或用不干胶带缠绕喷嘴。

若因故停喷后重新恢复施工前,将喷头下放50cm,采取重叠搭接喷射处理。停机超过3 h时,应对泵体输浆管路进行清洗后方可继续施工。喷射作业时,应将该孔的反浆排入上一孔中进行回灌,直到浆液面稳定为止。在黏土层或淤泥层内进行喷射时,不准将冒浆进行回灌。当喷射完成后应及时将各管路冲洗干净,不得留有残渣以防管路堵塞。

3.3 特殊情况处理

白家窑水库高喷灌浆施工中,在造孔和高喷灌浆施工过程中出现过几次漏浆、串孔、灌浆中断等情况,对不同情况采取了相应的处理措施。实践证明处理措施实用可行,保证了进度也保证了质量。

3.3.1 漏浆处理措施

施工中,个别孔位处由于地层中土层结构松散、密实度差,且存在少量的渗透通道,在造孔及高喷灌浆时漏浆严重,孔口返浆量少。在漏浆地段,钻孔时加大了泥浆浓度,泥浆中掺加了适量的火碱等堵漏材料。灌浆中发生漏浆后,采取了降低提升速度、在浆液中掺人速凝剂、加大浆液密度或水泥黏土浆等措施。采取以上措施但孔口返浆量仍旧很小时,停止喷射管的提升,降低喷射压力和流量,待处理到孔口返浆量正常后再保持正常摆喷灌浆。

3.3.2 串孔的处理措施

在0+257压力洞处曾出现了相临钻孔间的串浆现象。通过对被串孔的孔口回浆进行测试,发现串浆孔的回浆比重较大,影响灌浆孔的正常返浆量,因此,采取了将串浆孔孔口开挖至一定深度后封闭并压重,降低浆液外渗量,以保证灌浆孔的正常返浆量。灌浆孔结束后,尽快对串浆孔进行复钻并完成灌浆。

3.3.3 灌浆突然中断后处理措施

在施工中,因机械故障、突然停电等原因,曾发生过多次的灌浆突然中断。对突然中断灌浆的施工孔,尽快消除中断因素,及早恢复施工,对中断时间超2 h的孔段,进行扫孔后重新灌浆,中断时间2 h内的孔段,重新开喷后按规范要求进行复喷处理,复喷搭接长度不得小于0.5 m。

3.3.4 凹穴的处理

喷射灌浆后浆液逐渐凝固,通常会出现由于表面析水沉淀而出现不同程度的下陷形成凹穴,处理的具体方案是向凹穴内间断的注入浆液2～3次,待浆液凝结后用壤土夯填。

4 高压摆喷防渗墙质量检验

工程高喷灌浆施工结束后,采取了大开挖直观检查和防渗墙体取芯实验室检测方法对高喷防渗墙质量进行了检测。大开挖直观检查:即沿摆喷防渗墙体两侧进行了开挖,挖深一般2.0 m～2.5 m。用肉眼直观检查喷射效果及墙体衔接情况,在不同部位检查墙体厚度、强度等项指标,共开挖了3段19m长,板墙对接完好,成墙最小厚度＞30cm。取芯实验室检测:在高喷防渗墙桩号 0+150、0+162、0+175、0+182、0+190、0+196 处共取芯 6 组,检测结果高喷墙体渗透系数 k为 1.1×10-7cm/s～9.08×10-8cm/s,小于设计渗透系数值10-6cm/s,质量满足设计要求,国家验收合格。

5 结 语

该工程加固中抓住了从勘测设计到施工检验各个环节,建成两年来,经过枯水季节缺水和汛期行洪考验,其截渗效果相当好。在今后类似工程中应该着重把握好以下几点:第一,加固工程在确定加固方案前,一定要对加固方案进行技术论证,经专家评审确认高喷灌浆是最佳方案时,采用该项技术才会收到最好效果[6]。第二,高喷灌浆属于地下隐蔽工程,对施工参数必须严格控制才能保证施工质量。其中,高喷管的提升速度、高压水的压力、水泥浆液的比重、回浆量等是高喷施工控制的关键。第三,控制好高喷管的提升速度及充分利用回浆是节约水泥消耗量的关键,在砾石层、卵石层中,由于地层的渗透性强,高喷管的提升速度不能太快,一般为7cm/s～12cm/s,在没有回浆的地段要停止提升直到有回浆出现。第四,钻孔是影响高喷灌浆施工进度的关键,尤其是在砂卵石层中钻孔,进尺较慢,钻孔护壁难度较大,容易出现塌孔。可考虑使用冲击回转钻进方法提高造孔速度,采用泥粉或纯粘土浓浆进行钻孔护壁[7]。

[1]中国水利水电基础工程局.DLT 5200-2004.水电水利工程高压喷射灌浆技术规范[S].北京:中国电力出版社,2004.

[2]张爱华.高压喷射灌浆在新疆某水库除险加固中的应用[J].水利与建筑工程学报,2010,8(5):57-59.

[3]王林霞,邓文君.陕西省扶风县白家窑水库大坝安全论证总报告[R].2000:14.

[4]唐伦.陕西省扶风县白家窑水库土坝安全鉴定土工试验报告[R].2000:5-6.

[5]黄士典,薛杰军,等.陕西省扶风县白家窑水库除险加固工程初步设计报告[R].2005:42.

[6]何庆海,王明森.高压喷射灌浆技术近期发展及存在问题[C]//2004水利水电地基与基础工程技术——中国水利学会地基与基础工程专业委员会2004年学术会议论文集,2004:521.

[7]魏雪莹,姜慧玲,李红艳,等.高压摆喷灌浆技术在三刀水库工程中的应用[J].内蒙古水利,2008,(2):85-86.