吐鲁番市引水工程大坝基础加固处理技术

刘洪滨

（新疆水利水电科学研究院,新疆 乌鲁木齐 830049）

1 工程概况

大河沿引水工程位于新疆吐鲁番市高昌区大河沿镇北部山区,大河沿河上游,大河沿柴场站下游100 m,红星渠首上游2 km处,距乌鲁木齐约120 km,距吐鲁番市约60 km,距大河沿镇约25 km。大河沿引水工程位于大河沿河中上游,是大河沿河上的控制性水利工程,工程坝址位于新疆吐鲁番市大河沿镇境内,河长36.4 km,坝址以上海拔高程在1555 m～4058 m之间,坝址以上集水面积713 km2,多年平均年径流量10100 万m3。

工程主要由挡水大坝、溢洪道、泄洪冲砂放空兼导流洞及灌溉洞组成。最大坝高75.0 m,最高水位下的总库容为3024 万m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2000）有关分等指标,确定本工程为Ⅲ等中型工程。由于该引水工程坝型为土石坝,坝址基础覆盖层深度均174 m左右,基础工程地质条件复杂,再加上下坝址最大坝高超过70 m。

2 工程地质条件

本工程河床坝基含漂石砂卵砾石层级配不良,经现场试验,含漂石砂卵砾石层最小干密度1.62 g/cm3,最大干密度2.05 g/cm3,颗粒比重2.70 g/cm3。河床浅部（0～3.5 m厚）的含漂石砂卵砾石层天然干密度1.90 g/cm3,相对密度0.71；3.5 m以下天然干密度2.2 g/cm3,相对密度0.81,属密实状态。

水库工程坝区地质为泥灰岩,缺乏整体性,使得坝基容易被上游积水击垮,需要采取深层固结灌浆工艺对其进行加固处理。此项目工程河床位置地质条件错综复杂,特别是坝斜坡位置的岩体存在严重的破碎问题,临坡开挖边坡位置的岩层厚度则较厚,在岩体进行开挖的过程中因为岩体厚度不同易发生垮塌,开挖建基面不符合项目施工规范,在进行开挖的过程中,致使临坡岩体发生滑塌的问题。项目施工探测表明,上部强风化岩体易发生垮塌。

3 注浆加固处理措施

按照对项目工程开挖和对地基条件的勘探表明,在大坝加固的过程中需要处理好以下关键环节：一是要加强地基的加固,防止地基产生渗漏和破碎的问题；二是要加强左岸坝体的稳定性,运用上下游拖板、深层固结灌浆等作业措施。

3.1 前期工作

首先完成先导孔试验。划分为以下三个区域:坝基段、近坝岸坡段和远坝段施工区域。

按照项目施工勘探结果,大坝左岸岩层性质为泥质灰岩,岩体缺乏完整性,容易被上游积水击垮,致使大坝基础发生渗漏的问题。左岸坝肩基础下部硅质岩层具有较好的完整性,具有防水性,构成为一层隔水层。

为增强大坝整体的渗流效果,相关施工方案为：在坝基以及近坝区域形成止水帷幕,对于远坝区域隔水层深度高,难以形成隔水层,在施工的过程中应按照水位深度和渗透性确定合理的悬挂式帷幕。岩体裂隙充填物的确定：左岸坝区域为裂隙岩体,破坏性较大,沿坝区域则为页岩层,并伴随有强风化带,存在渗透性较大的问题。该项目施工中渗透变形主要受裂隙填充物的影响,根据项目施工的勘测资料,大坝主要以岩屑和粘土作为填充物,岩体存在较大的裂隙,填充密度高。按照项目施工资料,此次施工区域将裂隙充填物的渗透值确定为2.3,临界坡选择为1.5。

3.2 左岸基础帷幕设计

在各大坝以及左岸灌浆洞进口45 m的范围内增设间距为0.7 m的3 排帷幕灌浆;左岸灌浆洞内增设2 排间距为2 m的帷幕。按照孔成果确定孔深。帷幕灌浆顺序为：下游排、上游排、中间排。

3.2.1 左岸帷幕灌浆试验

施工区域左岸坝肩和坝顶灌浆平洞岩体以页岩为主,渗水性强,在固结灌浆的过程中出现了超额吸浆的问题,出现回浆问题。为防止出现大规模渗透,在左岸帷幕灌浆之前进行帷幕灌浆先导孔试验[1]。选择了17 个Ⅰ序孔进行灌浆,试验次序为下游排、上游排、中间排。左岸试验区段帷幕灌浆孔以及检查孔的孔位设计见图1。

图1 左岸试验段帷幕灌浆孔及检查孔位布置图

帷幕灌浆试验区域发现有5 段检查孔低于5 Lu,其次区域检查孔位于在5 Lu～10 Lu,从项目的探测结果来看,试验区域的透水率与施工要求存在一定的差异,大部分孔段透水率低于10 Lu。通过帷幕灌浆施工,局部检查孔大于5 Lu的区域在补灌的施工工艺达到了项目设计规范。按照帷幕灌浆施工工艺的要求,通过对渗流值的计算后对帷幕底线按照坝基的高度进行了加高,使得其渗透值得到了有效降低[2]。

3.2.2 左岸帷幕灌浆后渗流稳定计算

灌浆后渗流值计算：上游取校核洪水位,下游以最低水位作为标准。根据《防堤工程设计规范》中透水堤基均质土堤下游坡无排水设备或有贴坡式排水稳定渗流计算公式：

当K≤ ko时,

对于各种情况下坝体浸润线可按照下式确定：

式中：k为堤身渗透系数；K0为堤基渗透系数；H1为水位到坝脚的距离,m；H2为下游水位,m；H为提防高度,m；q'为单位宽度渗流量,m3/s·m；m1为上游坡坡率；m2为下游坡坡率；b为坝体顶部宽度；h0为下游出逸点高度。

经计算,左岸渗流稳定符合项目施工中允许的坡降1.5倍的标准,因为上下游山体较多,渗流坡较小。对于1号坝段来说,因为坝底部呈现出逐渐变窄的特征,坡降值达到了1.29。2号坝段同样存在上述问题,渗流值达到了0.72。对于上述施工区域,为了有效增强大坝的整体强度,降低渗流对大坝的影响,借助灌浆施工工艺对其进行整体加固,确保帷幕灌浆后渗流稳定。

4 帷幕灌浆施工

因为施工区域的岩体缺乏整体性,在试验段出现多个灌浆孔注浆超大的问题,针对此问题,在施工区域内采取先回填以及充填灌浆的措施,并按照灌浆施工经验,运用少灌多复结合浓浆间隔的方式,在灌入一定比例的加固浆液后,停止灌输直到浆液凝结。在项目施工的过程中通过增添速凝剂的方式增强灌浆的强度。

操作次序为:①钻孔无回水的区域,上下第一次送浆以1∶1纯水泥浆按1.6 t/m灌注,在这个过程中要对注入量进行观察,如果其未发生变化,需要增添砂浆灌注,并对其进行充分振捣,使得其与浆液得到充分融合。注入砂浆以1.6 t/m作为参照,注入量如果未发生变化,需要再次加入速凝剂,当灌满孔段顶部及以上的浆液不再下降则停止作业施工。②第二排以少灌多复的方法,采取纯水泥进行灌注,开灌水灰比例以项目施工方案作为参照,当累计注入量达到2 t以上的时候,需要在停灌24 h以上再进行扫孔复灌。当设计灌浆压力以及灌浆结束以后才可以进行下一步的施工作业。③对水泥砂浆进行灌注的时候,水泥砂浆的配合比设计为水:水泥:砂=0.1∶1∶0.5,并按照试验注浆的效果对用砂量进行控制。④运用速凝剂进行灌注的时候,水泥和水玻璃质量比控制为：水泥:水玻璃=100∶（5～10）,初凝时间控制在1 min以内,按照灌浆施工的效果确定水玻璃的使用量[3]。

按照项目施工技术规范将灌浆压力控制如下：

1）帷幕灌浆试验孔压力逐渐增加到2.0 MPa,在项目施工过程中需要对第二段的注浆压力进行控制,按照项目施工的效果对灌浆的压力进行控制。

2）为灌浆尽快达到预设的压力,需在注入率较大处加大压力。

3）对于压力表需要增设保护设备,使得能够精确地读出压力值。对于未发生回浆和无压力的区域,首先进行浓浆灌注,在发生回浆的时采用分级升压灌注的方法,使得压力灌注符合项目施工要求。

5 固结灌浆质量控制措施

1）固结灌浆设计。2 号以及3 号坝段500 m以下的区域采取固结灌浆,各个坝段的距离为3 m；每次钻孔距离为11 m,钻基岩为14 m,采取自上而下的方式进行灌浆。

2）在对左岸坝段进行固结灌浆施工的过程中,存在相关孔段无法起压的情况,为能够尽快增压到预设值,综合运用了浓浆、待凝、扫孔方式进行加压,同时加大水泥的使用量。

3） 固结灌浆效果检验。在项目施工的过程中,对大坝左岸上下游底部和岩体易碎的区域采取了固结灌浆的方式进行加固。在灌浆的过程中按照自上而下的顺序进行灌浆。此施工坝段固结灌浆施工后,裂缝处的渗流值得到了有效控制,符合压水试验的要求。对其他6 个孔进行了压水试验都达到了大坝加固的要求。整体上来看,大坝左岸在此次灌浆加固后,基岩体的整体性和完整性得到了有效提升,由最初的较破碎级提高至较完整级。

按照固结灌浆施工方案进行了分段阻塞,从项目施工的实际效果来看,在固结灌浆以后大坝整体上基岩渗流值得到有效控制,实现了从渗透到空间相对封闭,检查孔压压力整体上达到了项目预设值的要求[4]。

6 灌浆效果

按照大坝左岸地层帷幕灌浆先导孔的施工水文条件,左岸坝基和附近区域的岩层稳定性较差,存在发规模岩层破坏的问题,需要在施工的过程中对此区域内的帷幕灌浆底线进行加固。按照项目施工的水文地质条件,以待凝复灌循环水泥灌浆作为施工主要的方法。在坝肩55 m以外,按照地下水位观测孔复核地下水位值进行测量以后运用了悬挂帷幕进行施工。做到了在降低项目施工整体成本的过程中,最大化的增强了项目施工的安全性。从实际运营来看,大坝防渗帷幕高程在385 m以下每相隔42 坝段以10 个单元作为试验,其渗透值均符合项目施工标准。通过对取芯和孔内录像,在裂隙处均灌注了加固浆液,使得裂隙处的渗流得到了有效控制。终检孔压水检查见表1。通过对施工工程的检验后发现,此项目施工中运用的灌浆工艺符合项目施工要求。今后还需要进一步对裂隙渗流进行观测,对于异常情况要及时采取加固措施。

表1 终验孔压水检查

7 结论

以吐鲁番市引水工程项目为依托,介绍了项目岩层层间结合差,结构面发育等地质条件,为地基的渗漏和破碎问题,提出帷幕灌浆和深层固结灌浆等综合处理措施。通过左岸帷幕灌浆试验、帷幕灌浆后渗流稳定计算总结了左岸基础帷幕设计方法,并提出了帷幕灌浆施工工艺方法,在此基础上总结了固结灌浆质量控制措施,通过已完成终检孔取芯和孔内录像终检和孔压水检查验证采用固结灌浆、帷幕灌浆等大坝基础处理技术注浆质量可靠,加固效果理想。