新疆某水电站引水渠道变形处理技术措施

于云飞

(新疆伊犁特克斯河水电开发有限公司，新疆伊犁835000)

1 概 述

新疆某水电站引水渠道工程桩号K3+500—4+400段渠道设计采用矩形断面，重力墙结构形式，墙顶宽0.6 m，采用扩大基础，墙底宽3 m，渠道底板为现浇0.5 m厚混凝土板。该渠道基础以下存在全新统(Q4dl)坡积含砾粉土层，具中等—强烈湿陷性，工程性质差，设计采用换填卵砾石的方案予以处理。其中3+500～3+900段坡积物厚度较大，换填深度以渠基底以下8 m控制，坡积物厚度大于8 m时，开挖至8 m深进行试挖，所剩坡积物厚度小于1 m全部进行换填，大于1 m换填厚度为8 m；3+900～4+200段坡积物厚度相对较小，对渠基以下坡积物全部挖出，采用砂砾石料换填至渠道建基，渠道基础处理方案及施工过程中的具体实施情况如下所示(见图1)。

图1 3+800～4+200段渠道施工断面

2 渠道变形情况

渠道底板与边墙裂缝宽度为2～102 mm，左侧裂缝宽度明显大于右侧，裂缝较宽部位混凝土结构底部砂砾石细颗粒流失。渠道右侧边墙基本上无裂缝，左侧边墙出现不同程度的错位；渠道左堤伴行路外侧出现明显沉陷，形成凹坑。经现场察看，渠道左堤边坡中下部发现渗水出溢点(见图2)。

图2 渠道变形情况现场照片

3 原因分析

(1)外水影响

经现场察看，该渠段右侧坡面融雪水和雨水汇流至挡墙外侧低洼区。由于无排水通道，坡面汇水沿回填区下渗至渠基底部，诱发渠基不良土体发生变形；因此，渠道右岸坡面外水入渗是造成渠道变形的主要诱因。

(2)渠堤外侧坡积物变形

根据渠基坡积物换填范围、开挖断面及施工地质资料，该段渠道开挖断面底部地层为卵砾石层，坡积含砾粉土层在基底部位已清除，左、右侧开挖边坡存在含砾粉土层，在饱和工况下存在变形的可能。受右侧坡面外水入渗的影响，含砾粉土层达到饱和状态，发生明显的沉降变形，进而引发换填砂砾石层发生侧向沉降变形，导致渠道边墙发生沉降变形。由于渠基换填砂砾石层左侧侧限相对较弱，沉降变形量较大，右侧靠近山体，侧限相对较大，沉降变形量较小。

(3)换填区自身沉降变形分析

该段渠基采用砂砾石换填,设计要求压实相对密度不小于0.8,施工单位自检及监理质量检测均符合设计要求。该段渠道渠基换填砂砾石厚度为8 m左右，自身沉降量很小，不是渠道发生变形的主要原因。

(4)地基滑动破坏分析

从该段渠道地形条件看，渠道基本座落于山体坡脚位置，右岸山体天然坡度较缓，渠道左侧为阶地平台，渠道距阶地临空面距离较远，渠基发生深层滑动的可能性不大。从渠基地层结构来看，渠基产生深层滑动的条件是地层结构中存在软弱结构面，软弱结构面在水的作用下才有可能发生滑动。本工程渠基地层结构中无明显的软弱结构面，且无地下水，渠道通过采取外水排水措施、内水防渗措施后，不存在渠基产生滑动的外界条件，渠基不会产生深层滑动。

(5)左渠堤外侧沉陷凹坑对渠道变形影响的分析

发生该情况主要因为以上两处位置施工单位采用挖掘机挖掘了4 m左右深的探坑,后期由于回填不够密实,填筑渠堤时未引起足够重视,导致施工后遇水基础沉降,渠堤顶伴渠路出现沉陷和凹坑。渠堤凹坑距离左侧重力墙基础较远，对渠道变形影响较小，不是造成渠道沉降变形的主要原因。

4 处理方案

经过现场察看以及结合渠道变形原因分析，对该段渠道裂缝及其他隐患部位主要采取以下处理措施。

4.1 截水、排水措施

为了保证渠道右侧坡面水快速进入渠道，不下渗至渠基，将右侧边墙至Y011线道路间低洼区采用黄土回填整平，上部采用30 cm水泥土封闭，水泥含量4%，黄土和水泥土填筑压实度不小于95%，水泥土顶面高于渠顶10 cm，填筑顶面横向向渠内侧设4%横坡，将坡面水疏导至梯形断面渠道排入渠道。

4.2 左渠堤加固

为了保证运行维护车辆通行安全，对左侧渠堤伴行路外侧塌陷区采用砂砾石补填至现状伴渠路高度，填筑压实相对密度不小于0.75；并对两个塌陷区进行充填灌浆，灌浆深度根据钻孔情况确定，打穿塌陷区松散土体即可。每个塌陷区沿渠道纵向布置1排灌浆孔，每排3个灌浆孔，孔距2.0 m。尽量采用小的灌浆压力进行充填灌浆，将左侧渠堤顶面修整为向伴渠路外侧4%的横坡。

4.3 基础加固处理

4.3.1 加固范围及措施的确定

根据本次渠道变形原因分析，其主要诱因为外水入渗，在无外水入渗及渠道内水无大量渗漏的条件下，渠基基本不会产生沉降变形。因此本次渠基加固处理范围主要以已发生沉降变形段为主，并向上、下游各延伸10 m。具体方案为对已经发生变形的渠道段重力边墙基础采用水泥浆充填灌浆，将渠基以下一定范围内的换填砂砾石地层充填密实。

4.3.2 可灌性分析

砂砾石地层的可灌性与紧密程度、胶结情况及颗粒级配等有关。本次根据颗粒级配曲线，分析地层的可灌性。

(1)可灌比值

可灌比值是砂砾石地层能否接受某种灌浆材料进行有效灌浆的一种指标，通常用下式表示：

式中，M为可灌比值；D15为砂砾石地层中含量为15%的颗粒粒径(mm)，查料场补勘砂砾石换填料级配曲线D15=1.1 mm；d85为灌浆材料中含量为85%的颗粒的粒径(mm)，初选水泥采用425，d85=0.06 mm。

经计算，可灌比值M=18，当M≥15时可以采用灌注水泥浆。

(2)小于0.1 mm颗粒含量

一些工程的实践表明，对于小于0.1 mm颗粒含量少于5%的砂砾石地层都可接受水泥浆的有效灌注。根据换填料级配曲线，换填砂砾石中小于0.1 mm颗粒含量为4.8%，换填层砂砾石具有可灌性。

通过以上分析，本次砂砾石地层具备可灌性，灌浆采用水泥浆，水泥采用425普通硅酸盐水泥。

4.3.3 灌浆孔布置

引水渠3+870～3+990段沿渠道纵向布置4排灌浆孔，具体为矩形渠道左、右重力式边墙墙踵和墙趾各布置1排孔，共计4排孔；孔边距墙脚距离为5 cm，可根据施工情况进行调整，但灌浆孔不得损坏渠槽内纵向止水带，孔距为2.0 m(见图3、图4)。

图3 灌浆孔平面布置

图4 灌浆孔布置横断面

4.3.4 灌浆技术指标

(1)水灰比

水泥浆的水灰比一般变化范围为0.6～2，初拟水灰比为1∶1，具体水灰比根据灌浆试验确定，灌浆试验水灰比可按0.6∶1、0.8∶1、1∶1和1∶2的比级进行调整。边排孔宜采用水泥含量较高的浆液，中间孔可采用水泥含量较低的浆液。灌浆施工过程中，必须严格按照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL 62—2014)执行，避免浆液对换填砂砾石地层造成二次破坏。

(2)灌浆压力

灌浆压力选择以不会使地面产生变化和渠道底板受到影响前提下可能采用的最大压力。初拟灌浆压力：渠道边墙外侧灌浆压力不超过0.2 MPa，具体由灌浆试验结果确定。

(3)灌浆量

断面每延米灌注所需的浆液用量Q参照下式计算：

Q=KVn

式中，Q为浆液总用量(m3)；V为注浆对象的土量(m3)；n为土孔隙率(%)；K为经验系数，砂砾石取0.9。

根据选定灌浆深度，灌浆量计算分灌浆区灌浆量和影响区灌浆量(包括灌浆影响深度1 m)。灌浆横向影响宽度为灌浆孔外侧1 m。

本次灌浆以将灌浆范围内砂砾石孔隙率控制在10%以内为准，根据砂砾石层孔隙率和施工检测资料估算的换填层砂砾石孔隙率，经计算总灌浆量为266 m3。灌浆过程控制采用控制灌浆，依据灌浆范围、灌浆深度及灌浆孔布置，总灌浆量折算至灌浆孔每米灌浆量为0.73 m3，即初拟砂砾石灌浆以每米灌浆量0.73 m3为控制指标。实际每米灌浆量可通过灌浆试验进行复核调整。

(4)灌浆顺序

考虑本次灌浆地基为砂砾石，灌浆方法采用套管灌浆法。施工工序是：套管护壁钻孔→下入注浆管→起拔套管→安装灌浆塞→灌浆→再次拔套管及灌浆管→安装灌浆管→灌浆→重复上述工序，灌浆至止浆高度。

各道工序应注意如下技术要点：套管护壁钻进灌浆孔至设计深度，包括先打管后钻进和先钻进后打管的方法，以及使用扩孔钻头钻孔套管跟进的方法，直至终孔。然后在套管内下入下端带有花管的灌浆管至孔底段，起拔套管至第一灌浆段段顶，安装灌浆塞对第一段进行灌浆；之后再分别上提套管和灌浆管，自下而上的逐段灌浆。

由于拔管后容易塌孔，每个灌浆段不能太长，视地层的稳定情况，一般为1～2 m。按渠道断面横向，应先灌渠道边墙外侧，后灌边墙内侧。

(5)灌浆结束条件与封孔

各孔段灌浆的结束条件应根据地层情况以及灌浆孔所在的部位等由试验确定，具体参照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL 62—2014)执行。

4.3.5 质量检查

本次砂砾石层灌浆的目的是提高换填砂砾石层可能存在的松动区和裂隙的密实度，灌浆后质量检查按照相关规范要求进行。

4.4 裂缝处理措施

根据现场调查，渠道底部纵缝裂开的范围为3+876～3+980段，局部段落裂缝发育导致止水带被拉裂，因此必须对裂缝进行处理。底板纵横缝处理措施：基础灌浆处理完成后，对现状开展的底板纵横缝采用水泥砂浆灌缝。边墙裂缝处理措施:对边墙止水已破坏和两边墙错缝超过1 cm的分缝设置表止水，表止水采用5 mm厚橡皮止水带，通过膨胀螺栓固定于边墙。

5 保证措施

(1)由于该填方渠道段变形原因复杂，通过变形特征结合地质条件分析终究缺乏验证，在此次维修加固完成后，建议在变形部位布置竖井及进行相关现场试验，验证该渠道发生变形破坏的原因。

(2)在该变形区段增设永久安全监测设施，永久监测类别主要为变形监测，监测项目为水平位移和垂直位移监测。在后期运行过程中进行安全监测能够及时了解渠道变形是否进一步发展，具有科学评价和检验加固质量、安全预报等职能。

(3)该填方渠道段在此次修复加固后应引起足够重视，在渠道通水或者遭遇较大降雨后，应作为水工运行人员重点巡视和检查对象，发现问题做好记录并及时上报处理。

6 结 语

填方渠道发生沉降变形是渠道建成后普遍存在的一种现象，沉降变形会大大降低渠道的抗渗能力，并严重影响渠道的使用功能。本案中，此段渠道刚好位于一处村庄上方，幸好此时渠道还未通水，如在渠道通水情况下，后果将不堪设想。新疆北部冬季漫长，积雪厚度较深，一般到来年4月是专门人员操作。

(4)供水可靠性高。在水源供水中断情况下，储存净水满足设备用水需求，确保连续供水。

(5)运行可靠。本创造发明采用机械自动排污，运行可靠性高。

(6)具有预警功能。极端情况导致供水中断，装置可提前预警，预留出足够时间进行处理。

(7)性价比高。优化后水过滤装置结构科学，制作安装成本很低，不存在易损件，各部件牢固耐用，尤其适用于小型水电站。

(8)具有二次砂石沉淀功能。砂石在经过过滤罐过滤后，进入沉沙池，进行二次沉淀，确保水质更加纯净。

(9)机械自动清洗。滤网堵塞后，自动打开排沙管，进行排污。

(10)砂石、树枝排污渠道分离，互不影响。

(11)智能化程度高。预警信号可以直接与管理人员手机中断链接，便于第一时间掌握现场情况。

7 结 语

该系统自2015年投运以来，先后经历了3个主汛期，没有因为技术供水中断导致机组被迫停机，大大提高了技术供水系统运行可靠性。经向周边电厂推广使用，技术供水连续性、安全性均大大提高。