关键词高压喷射灌浆;坝基渗漏;设计;施工;新疆玛纳斯;旱卡子滩水库
20世纪50~70年代我国兴建了一大批水库工程,鉴于当时条件限制,不少工程对坝基防渗处理措施不足,造成较严重的坝基渗漏问题。为充分发挥工程效益,使工程在设计标准下安全运行,总结、应用和推广土石坝加固新技术就显得非常重要[1-2]。高压喷射灌浆是土石坝加固中的一种新技术,具有良好的技术和经济性能,防渗效果好,应用范围广。高压喷射灌浆是一种采用高压水或高压浆液形成高速喷射流束,冲击、切割、破碎地层土体,并以水泥基质浆液充填、掺混其中,(略)墙状的凝结体,用以提高地基防渗或承载能力的施工技术[3-4]。该技术对坝体的原结构影响较小,施工较简单,工程造价相对较低,对坝基防渗加固具有较明显的技术优越性[5]。笔者结合玛纳斯县旱卡子滩水库的概况将其应用技术总结如下。
1工程概况
玛纳斯县旱卡子滩水库是座山区水库,位于玛纳斯县旱卡子滩哈萨克自治乡东南22 km的低山丘陵区,地理坐标北纬43°57′50″,东经86°13′21″。工程于1995年5月动工,1997年8月建成,2008年9月进行除险加固,水库枢纽由大坝和放水涵洞组成。坝高20.1 m,坝长267.7 m,水库的总库容为110.69万m3,水库控制灌溉面积1 333.3 hm2。水库属于ⅳ等小(1)型工程,主要建筑物4级,次要建筑物5级。
1.1地形地貌
旱卡子滩水库在大的地貌上位于西天山北麓准噶尔盆地南缘凹陷区的前山丘陵地带,地势东南高,向西北方向递降倾斜,受构造运动的影响,区内形成几排平行排列的前山背斜构造,前山带隆起抬升,由于中新生代地层主要为泥岩、砂岩等,在外动力地质作用的侵蚀下,形成低山丘陵地貌,地貌上表现为馒头山体或梁状地形与洼地相间地形,库区地形高程1 336~1 372 m,相对高度50~70 m,地表均为厚层黄土覆盖,地形起伏,沟梁相间,地形切割较微弱,常常呈“u”形沟谷,冲沟切割不深,总地势较为平缓。
1.2地层岩性
坝址区出露地层主要为第三系上新统独山子组(n2d)红色或草绿色泥岩,薄层状,有时夹有浅灰色、棕黄色泥质砂岩,泥岩表面往往风化呈粉末状,强风化带厚度一般为1.0~1.5 m,新鲜岩石较完整,岩层产状为110°ne∠52°,上覆第四系风积黄土和冰水沉积层,覆盖层厚度7~17 m。水库左岸存在1条近南北走向的洼地,洼地底部高程1 338～1 354 m。左岸基岩出露高程自左坝肩向上游库岸缓慢抬升,一般为1 340～1 356 m,低于水库设计正常蓄水位高程。基岩上部大多被黄土所覆盖,黄土厚度一般为6～15 m,根据对黄土层进行的物理力学性质分析,黄土层属于中至高压缩、强湿陷性土,遇水浸泡后将可能产生绕坝渗漏而导致溃坝,需要对黄土层进行加固处理。尤其是自左坝肩起算、沿岸坡向上游长约100 m,在泥岩和黄土层之间存在碎石土层,层厚0.6～4.5 m,属中至强透水,在水库正常运行后,将可能发生邻谷渗漏问题。
有关专家根据地质勘测资料,通过对土质、岩层以及水库运行期间的情况等各方面的分析,并经过计算多方论证,建议该水库坝基采用高压喷射灌浆处理。
2高压喷射灌浆设计
(1)处理范围。根据地质勘探,水库坝基泥岩与黄土层之间存在有卵石混合土,因此对全坝段的坝基进行坝基高压喷射灌浆处理,防渗墙深入基岩0.5 m。
(2)墙体结构形式。高压旋喷灌浆成圆柱桩连接成防渗墙结构形式。
(3)浆液材料选择。该工程以防渗为主要目的,采用普通硅酸盐水泥,强度等级r 32.5。水灰比(重量比)为1∶1,水泥浆液中掺入20%～30%的膨润土(占水泥重量的百分比),增加墙体防渗性能。水泥浆液比重约1.6。
(4)钻孔孔距。采用单排布孔,钻孔孔距0.8 m。
(5)主要技术指标。施工分为2序,先进行ⅰ序孔的施工,再进行ⅱ序孔的施工,每序孔间隔时间不少于14 d。浆液压力30 mpa,水量60 l/min,喷嘴直径2 mm;气泵气压0.7 mpa,气量2 m3/min,喷嘴直径2 mm;喷射管提升速度10～30 cm/min,摆动速度10～20 r/min。桩体渗透系数小于10-6 cm/s,桩身有效直径不小于1.0 m,最小搭接宽度20 cm,抗压强度r 28≥5 mpa。
(6)高压旋喷灌浆质量控制自动检测台。与各项施工设备分路连接,其参数指标包括气、浆2种介质的压力、流量、浆液比重、提升速度、水泥、土料量等,均可在施工过程中直接显示,并连续记录。
3高喷灌浆施工
为确保高压喷射灌浆的施工质量,必须根据不同的地质情况,确定合理的高压喷射灌浆施工参数,针对性地采用不同的施工工艺,以确保工程的施工质量。在满足设计技术要求的前提下应先进行地质复核勘察,指定高喷灌浆的试验方案,通过施工试验,最终确定相关的施工参数。
在正式施工前,首先在现场进行高喷灌浆试验,查明固结体的防渗性和强度,验证设计的可靠度和安全度。高压喷射灌浆试验28 d龄期后在桩身上进行钻孔取样,进行物理力学及渗透性试验;其次人工挖探坑进行桩体直径、搭接厚度及固结程度检查。根据试验结果,选择最优施工参数,确定喷射管提升速度和旋转速度。
3.1施工工艺
一般工艺程序如下:布孔→钻孔→下喷射装置→制浆→喷射→旋转→提升→成桩→冲洗。
(1)布孔。采用经纬仪按设计孔位进行放线。
(2)钻机就位。将钻机安置在设计的孔位上,使钻杆头对准孔位中心。然后作水平校正,使钻杆轴线垂直对准钻孔中心。
(3)钻孔。采用地质钻机施工,钻孔要深入基岩1.0 m。在第ⅰ序孔的钻孔中,应对地层分界线及特性进一步进行核实确认,做好记录,以备ⅱ序孔参考。
(4)插管。将注浆管插入地层预定的深度,为防止泥沙堵塞喷嘴,可边射水、边插管,水压力一般不超过1 mpa。
(5)喷射作业。当喷嘴插入预定深度后,由下而上进行喷射作业,必须时刻注意检查浆液的初凝时间、注浆流量、风量、压力、提升速度等参数是否符合设计要求,并随时做好记录,并绘制作业过程曲线。
(6)冲洗。当喷射提升到设计标高后,喷射即告结束,把浆液换成水,在地面喷射,以便把泥浆泵、注浆管内的浆液全部排出,以防堵塞管路。
(7)移动机具。把钻机等机具设备移至新孔位上,开始下一孔位的施工。
3.2施工质量控制
(1)钻孔的位置与设计位置的偏差不得大于20 mm,钻孔的倾斜度不超过0.5%。
(2)施工中应严格按照施工参数和材料用量施工,并如实做好各项记录。实际孔位、孔深和每个钻孔内的洞穴、涌水、漏水及与岩土工程勘察报告不符等情况均应详细记录。
(3)在高压喷射注浆过程中出现压力骤降、上升或冒浆异常时,应查明原因并及时采取措施。
(4)当喷射注浆管贯入土中,喷嘴达到设计标高时,即可喷射注浆。在喷射注浆参数达到规定值后,随即分别按喷射灌浆的工艺要求,提升喷射管,由下而上喷射注浆,喷射管分段提升的搭接长度不得小于100 mm。
(5)在喷射过程中,如发现浆液漏失,应停止提升,然后往浆液中填加机制石屑,待漏浆消失后,再继续提升。
(6)在与岩石界面的结合处,放慢提升速度,增加接触面的喷射时间,以利于紧密结合。
3.3施工操作要点
(1)冒浆处理。冒浆量小于注浆量的20%为正常现象,超过20%或者完全不冒浆时,应查明原因,并采取相应的措施。若系地层中有较大空隙引起的不冒浆,则可在浆液中掺加适量的速凝剂,缩短固结时间,使浆液在一定的范围内凝固。另外,还可在空隙段增大注浆量,填满空隙后再继续正常喷浆。对于冒浆量过大,一般是由于注浆量大大超过旋喷固结所需的浆量所致,减少冒浆量主要采取提高喷射压力、适当缩小喷嘴直径、加快提升和旋转速度。
(2)旋喷前要检查高压设备和管路系统,其压力和流量必须满足设计要求。注浆管及喷嘴内不得有任何杂物。
(3)在插管和喷射过程中,要注意防止喷嘴被堵。
(4)喷射时,要做好压力、流量和冒浆量的测量工作,并按要求逐项记录。钻杆的旋转和提升必须连续不断。
(5)喷射时应先喷浆,再提升旋转,以防注浆管扭断。
(6)搅拌水泥时,水灰比要按设计规定,不得随意更改,在旋喷过程中应防止水泥浆沉淀,使浓度降低。禁止使用受潮或过期的水泥。
(7)复喷。对于第1次喷射灌浆中出现的质量事故可进行复喷弥补。
3.4施工质量检查
墙体质量检查宜在高压喷射注浆结束后的28 d进行。检查对象应选择地质条件较复杂的部位或喷射时有异常现象的桩体。设计参数:桩体渗透系数小于10-6 cm/s,桩身有效直径不小于1.0 m,最小搭接宽度20 cm,抗压强度r 28≥5 mpa。一是检查孔数量。总桩数的5%。二是钻孔检查。从固结体中钻取岩心,观察其固结整体性,然后进行室内物理力学性能试验。再在钻孔内作压水试验,检查其渗透性。三是开挖检查。现场喷射施工完成后,当凝结体具有一定强度时,即可进行人工挖坑直观检查墙体厚度、密实度、固结整体性等。四是整体防渗效果检查。施工前后,应对东坝肩坝后坡脚处绕渗逸出点的渗流量进行长时间的观测和记录,对比施工前后的变化情况,对高压喷射灌浆防渗效果进行综合评价。
4对高压选喷灌浆处理坝基渗漏的一点认识
高压旋喷灌浆处理坝基渗漏是行之有效的,但笔者认为山区水库采用此方法首先应该对地质勘测要求、标准更高
点,适当增加勘测点。由于山区水库地形变化复杂,起伏较大,勘测时如果50 m设1个勘测点,50 m间的地形情况遇到突增或突减,灌浆采用单排布孔,钻孔孔距0.8 m,在勘测点附近灌浆深度基本与设计深度相符,而远离勘测点位置也许基岩面比设计灌浆深,有些则浅,对于基岩面较深的,灌浆深度达不到,比如57号孔设计灌浆16 m,而实际基岩面在18 m,就会出现2 m深的空间未灌浆,并且达不到高压旋喷灌浆深入基岩0.5 m的设计标准要求,高喷墙未坐到基岩面上,此类现象的存在势必会影响彻底截断渗漏通道的效果。
5参考文献
[1] 郝继锋,梁单禹.穿黄工程深厚覆盖地层下高压旋喷土体加固施工工艺比选[j].中国水利,2009(4):33-35.
[2] 王雷,高印军.水电站施工围堰高压喷射灌浆防渗技术[j].西北水力发电,2003,1(4):55-58.
[3] 常正富,杨荣科.高压喷射灌浆在加固砂砾石地基中的应用与研究[j].四川水力发电,2003,22(3):71-72,75.
[4] 蔡小娟,梁如冰.高压喷射灌浆技术在水利工程中的应用[j].黑龙江科技信息,2009(36):422.
[5] 张丽艳.参窝水库电站坝段下游面防渗技术[j].现代农村科技,2009(14):38.
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