高压摆喷灌浆在下岙水库除险加固中的应用

杨自强,王大胜,潘

(1.三门县水利局,浙江 三门 317100;2.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,浙江 杭州 310014;3.三门县滨海新城管委会,浙江 三门 317100)

1 问题的提出

下岙水库位于浙江省三门县 浦镇下岙堂村上游约1.5 km处,坝址以上集雨面积0.95 km2,主流长度1.1 km,总库容24.9万m3,正常库容14.7万m3,是一座以灌溉、供水为主的小(2)型水库。水库建筑物主要包括大坝、溢洪道和输水隧洞等。工程等别为Ⅴ等工程,主要建筑物为5级建筑物。

下岙水库兴建于1973年3月,由于历史、资金等原因,水库存在许多不安全的因素,坝体施工质量较差,水库渗漏严重,溢洪道堰顶高程曾一度降低,大坝安全存在隐患,并严重威胁下游群众的安全。为了充分发挥水库的功能和保障下游群众的生命财产安全,故此次除险加固非常必要。

2 大坝地质情况

2.1 坝体填筑土

大坝坝壳为碎石土,碎石粒径一般为 0.5～0.6 cm,松散。

大坝心墙土为含砂砾粉质黏土,局部为含泥角砾,可塑、土质不均,黏粒含量为9.8%～36.3%。

2.2 坝基地层

坝基主要为第四系全新统洪积层(PLQ4)的含碎石粉质黏土和白垩系上统塘上组(K2t)的熔结凝灰岩。

第四系全新统洪积层(PLQ4)碎石粉质黏土,碎石含量不均,一般为15%～35%,最大超过50%,碎石粒径一般为2～9 cm,最大粒径为30 cm,高程16.0 m以上为松散,局部为中密;高程16.0 m以下为稍密～中密。高程7.5 m以上渗透系数K=7.7×10-3～1.3×10-5cm/s,为中等透水性～弱透水性;高程7.5 m以下渗透系数K=5.1×10-5～1.3×10-5cm/s,为弱透水性。

白垩系上统塘上组 (K2t)熔结凝灰岩,左岸山坡及右岸溢洪道弱风化基岩裸露,岩体完整性较好,弱风化带节理较发育,新鲜岩石致密坚硬。左岸弱风化带接触段渗透系数K=2.1×10-3cm/s,属中等透水性;右岸弱风化带接触段渗透系数K=1.2×10-4cm/s,属中等透水性,坝基存在渗漏问题。

3 高压摆喷设计

下岙水库除险加固工程的防渗处理方案是坝基采用高压摆喷防渗帷幕,坝体采用复合土工膜防渗,帷幕及复合土工膜布置见图1。

高压喷射灌浆是利用钻机造孔,然后把带有喷头的灌浆管下至土层的预定位置,以高压把浆液或水从喷嘴中喷射出来,形成喷射流冲击破坏地层,土粒从土体上剥落下来后,一部分细小土粒随着浆液冒出地面,其余部分与灌入的浆液混合掺搅,在土体中形成凝结体。其基本原理是利用射流作用切割掺搅地层,改变原地层的结构和组成,同时灌入水泥浆或混合浆形成凝结体,借以达到加固地基和防渗的目的。因此高压摆喷灌浆施工对于含碎石粉质黏土的堤坝能起到很好的防渗效果。

图1 帷幕及复合土工膜布置图

3.1 布孔形式

高压摆喷孔平面成直线型布孔、孔距1.4 m,单排(见图2)。

图2 高压摆喷孔平面布置图

3.2 主要施工参数

(1)防渗墙设计顶标高根据实际要求变动(其中嵌入坡脚基础内0.2 m)。

(2)高喷防渗墙采用摆喷形式,平面为直线形,孔距

1.4 m,单排,摆射角为25°。

(3)分2序施工,即一序孔为单号孔,二序孔为双号孔,相邻孔摆喷间隔时间为24 h以上。

(4)高压清水压力为38.0 MPa,流量75 L/min;空气压力为0.8MPa,流量75 m3/h;灰浆泵压力大于0.4 MPa,泵量80 L/min;浆液密度为1.68～1.70 g/cm3,摆喷提升速度7.0～ 7.5 cm/min, 摆动速率 2.5°/s。

(5)灌浆用水泥为合格的32.5级硅酸盐水泥。

3.3 主要物理力学指标

(1)防渗墙渗透系数不大于10-6cm/s。

(2)设计90 d龄期的无侧限抗压强度不小于7.0 MPa。

在主体工程施工前需进行摆喷模拟试验以确定高压摆喷的设计技术参数。

4 施 工

施工单位于2005年11月24-25日在坝基上游侧进行了高压摆喷现场试验。共布置3个孔,间距为1.4 m和1.6 m。水压力为38.0MPa,浆液密度为1.68 g/cm3左右,3个孔水泥用量为7.3 t。12月5日经现场开挖,直观看起来1号孔、2号孔效果不错,单向喷射长度可达到1.2 m;3号孔搭接不理想,有25 cm的缺陷,在其周围发现片石,估计为原因所在。

通过现场试验,确定摆喷施工技术参数为:

(1)由于上层砾土较多,下层黏土较多,故提速调整为下部7 cm/min,上部6 cm/min。

(2)喷射孔孔距调整为1.4 m。

(3)水压要求不小于40 MPa。

(4)浆液密度要求大于或等于1.7 g/cm3。

施工从2005年12月11日开始至2006年3月20日结束,实际完成高压摆喷工程量为3046 m。在施工过程中,钻机采用150型钻机钻孔,钻头直径131 mm,钻孔时钻头对准钻孔中心,就位偏差小于2 cm;钻孔过程中采用水平尺随时测定底盘水平,保证钻杆垂直,确保孔斜偏差小于1°;钻进过程中孔口不返浆时必须立即停止钻进,并详细分析原因,采取有效措施,待孔口返浆后方可正常钻进;钻孔时岩心管内砾石过多时要及时提钻清理;每孔开始灌浆前必须测定水泥浆比重,及时调整配比;因故不能连续灌浆时,必须将喷射管从停喷位置下伸0.5 m,再进行高喷灌浆;每孔终灌后必须及时做好原浆回灌工作,直致浆面不再下降。

5 检测试验

为了检验高压摆喷的效果,2006年3月10日,指挥部特委托浙江省水利水电工程质量监督检验站进行了现场渗透试验。布置了2个检测围井,围井的布置:1#围井布置在桩号0+098 m处,检测高喷防渗板墙的孔号为71～72之间;2#围井布置在桩号0+196 m处,检测高喷防渗板墙的孔号为141～142之间。围井试验的施工参数与摆喷墙的施工参数一致。

1#、2#围井均为五边形,底部为旋喷封底,厚度2m,井内有注水花管一根,测管与孔壁用透水性较好的瓜子片充填。在距围井外侧1 m左右有水位观测孔1个,并埋设水位管1支。围井平面示意图如图3所示,图中1#、2#2个孔为摆喷防渗墙的灌浆孔,3#、4#、5#3个孔是围井试验的灌浆孔,5个灌浆孔形成的防渗墙围成1个封闭区域。

图3 围井平面布置示意图

现场围井渗透试验计算数据见表1。

表1 现场围井渗透试验计算数据表

根据水电水利工程高压喷射灌浆技术规范(DL/T 5200—2004),高压喷射防渗板墙渗透系数K可由计算公式

K=2Qt/[L(H+ho)◦(H-h0)]计算

式中:K为渗透系数,cm/s;

Q为稳定流量,cm3/s;

T为高喷墙平均厚度,cm;

L为围井周边高喷墙轴线长度,cm;

H为围井内试验水位至井底的深度,cm;

hO为地下水位至井底的深度,cm。

设计提出的渗透系数K≤1.0×10-6cm/s,由计算结果来看,1#孔的渗透系数K=3.53×10-7cm/s,2#孔的渗透系数K=1.88×10-7cm/s,所以2处均满足设计要求。

6 结 论

由于原先大坝隐患的存在,水库不能正常运行,降低了水库应有的效益。通过这次高压摆喷防渗灌浆,既消除了大坝的病害,又提高了水库的效益。

另据水库下游村民反应,自从灌浆后,水井的水量明显减小,这也从一个侧面说明高压摆喷灌浆是成功的。