高压摆喷灌浆防渗墙在永水库加固中的应用

高压摆喷灌浆防渗墙在永水库加固中的应用

1坝身部土壤条件永昌水库位于淮北平原县东南部山丘区，属新泾河水系。主要任务是防洪、灌溉、水产养殖和旅游。水库总面积44.3万米，库库以上控制面积15.2公里，库库下游有永昌、门河两座矿山，永昌市、永马、永塑公路等1.5万人口。永堌水库建于1958年,大坝系均质土坝,最大坝高18m,坝长450m.坝身上部主要成分为中～重粉质壤土,密实度好,抗渗性能强;坝身下部为粉质粘土,结构松散且含有大量碎石,防渗能力较差,K平均=2.90×10-4cm/s;坝基为弱风化石灰岩,上部裂隙较发育,风化层厚度在0.5～2.2m之间,下部岩芯完整,为相对隔水层.由于大坝建设期间清基不彻底且坝基未设防水槽,粘土夹碎石层及坝基表层存在多处渗水通道.经50多年运行,上、下游坝坡多处出现不同程度塌陷,下游坝脚出现多处散浸出逸点,渗漏比较严重的是0+050～0+260段,共发现9处渗水,出逸点高程在43.062～44.145m之间,计算渗透比降最小达到0.353.1987年6月,库水位51.2m时用三角堰测得渗漏量达1396m3/h,经1987年和1988年应急处理后,大坝渗漏量有所减少,1988年11月库水位49.5m时,渗漏量为61.2m3/h.1991至今,在汛期库水位54.7m时,渗漏量又有所增加,最大年份达480m3/h,大坝防渗加固迫在眉睫.2大坝防渗应优先选方案由于永堌水库大坝渗漏主要集中在老河槽段坝身下部粉质粘土夹碎石层及基岩表层,局部深度已达5.5m,坝基下部弱风化石灰岩强度高、防渗性能好,可作为坝基的不透水底板,所以大坝防渗应优先选择垂直防渗方案.垂直防渗主要包括塑性混凝土防渗墙、粘土井柱防渗墙、多头小直径深层搅拌桩防渗墙和高压摆喷灌浆防渗墙等4种防渗方法,其防渗特点如下.2.1无砂砂石墙驳岸塑性混凝土防渗墙是利用专用的造孔设备营造孔槽,采用泥浆护壁,用导管在注满泥浆的槽孔中浇筑混凝土并置换出泥浆,形成墙体.其适用于粘性土、砂层和砂砾石层,是透水体防渗处理的一种有效措施,处理深度达50m,工程质量易于控制和保证.墙体连续性好,防渗性能可靠,墙体为塑性,耐久性好,可适应坝体的变形与坝身土结合紧密.缺点是施工时需填筑10m宽施工平台,完工后需清理平台土方,造价高.2.2抗渗墙工程特点多头小直径深层搅拌桩防渗墙是运用特制的多头小直径深层搅拌桩机把水泥浆喷入土体,同时钻头旋转搅拌,使喷入土层的水泥浆液与原土充分拌和在一起,形成抗压强度比天然土强度高、渗透系数较小、并具有整体性、水稳定性的桩柱体,搭接成一列形成连续墙体起到截渗作用.多头小直径深层搅拌桩防渗墙方案取材方便,施工工序少,速度快,工效高,成墙价低,耐久性好,受库水位影响较小.适用于加固淤泥、淤泥质土、和含水量较高而地基承载力小于120kPa的粘性土、粉质粘土、粉土和砂土等软弱地基,深度不大于18m.缺点是施工过程中遇到杂石、其他障碍物以及土层容重过大时,处理难度较大.2.3粘土井柱防渗心墙粘土井柱防渗墙是沿坝轴线附近用冲抓锥造孔,把原坝体内的杂填土、软弱层抓出,形成直井后回填粘性土,并用重锤夯实后形成一道连续的粘土心墙,同时造孔夯实过程中对井壁周围的土体有挤密压实作用,使其密度增加,渗透系数减少,从而达到防渗的目的.防渗墙可采用双排ϕ1200mm井柱,孔距650mm,排距900mm.粘土井柱防渗心墙能解决坝身与坝基的防渗问题.但其在施工过程中由于库水位的影响,存在着井壁坍塌问题,多用于15m以下的均质土坝.2.4高压摆喷灌浆高压摆喷灌浆是一种采用高压水或高压浆液形成高速喷射流冲击、切割、破碎地层土体,并以水泥为基质浆液充填、掺混于其中使其形成较厚的板墙状的凝结体,用以提高地基防渗能力或承载能力的施工技术.高压摆喷灌浆比高压定喷灌浆形成的凝结体厚,比高压旋喷灌浆耗浆(灰)量小.防渗墙整体性好,不需进行深大基坑开挖,对坝体稳定有利;造价相对塑性混凝土地下连续墙较低;可在高水位情况下施工,工期短,受气候影响小,施工导流及排水工作量小.缺点是对施工技术要求高,需施工技术、经验相对成熟.永堌水库防渗加固工程设计处理方案比较见表1.从表1中可以看出,高压摆喷灌浆具有工效较高、设备简单、造价较低等优点,尤其是在工期紧、施工干扰大的情况下,具有不需开挖的优势,工作需要的场地小,灌浆施工难度低.综合比较后,永堌水库加固采用高压摆喷灌浆防渗加固方案.3设计高压喷射防止渗透的墙设计3.1坝区高喷围井围井布置为确保高压摆喷灌浆达到预计的防渗、加固效果,在水库大坝未加固前,先进行高压摆喷试验,即预先在大坝桩号0+150—0+220段进行单桩及多桩不同布置的成桩试验,确定防渗墙结合形式及高喷孔距,以确保围井试验的成功.初步试验结果表明,确定高喷墙结合型式采用摆喷折接,孔距1.2m,成墙质量较好,可满足防渗墙最小厚度要求.接着选择地质条件有代表性的大坝0+010—0+030段,距大坝轴线15.485m(地质情况较为复杂,碎石层较厚),形成一高喷围井,在围井中心布置检查孔进行注水试验(围井按不同的孔距1.2m,1.6m共布置摆喷孔6个,底部深入基岩1.0m,顶部至地表以下1m.检查孔直径130mm,钻至相对隔水层,孔内下ϕ75mmPVC管).灌浆结束15d后进行注水试验,渗透系数在K1=1.53×10-7～1.73×10-7cm/s之间,满足设计要求.围井布置如图1所示.3.2摆喷折接部位高压摆喷灌浆孔布设于上游坝坡,防渗墙轴线与坝轴线平行,孔距1.2m,根据单桩及多桩搭接试验和围井试验成果,采用摆喷折接形式,摆角30°,摆喷中心线与板墙中心轴线的夹角为15°;喷射孔采用间隔性Ⅰ序孔、Ⅱ序孔相间,并在放水涵两侧加密布置的方法,实际防渗长度310m.为使截渗墙与基岩良好结合,灌浆深度控制在坝基弱风化层以内1.0m.高喷灌浆孔成墙形式如图2所示.3.3高喷灌浆工艺参数的选取高压摆喷灌浆施工工序由放样定孔位、钻机就位造孔、拔管护壁、移钻机、台车就位、下喷杆、制浆接管路、开机输水浆气、孔底静喷、提升喷杆同时喷射浆液、终孔静喷、移台车等工序构成.钻孔采用XY-1,XY-2型液压式回转钻机,合金钻头、加长粗径钻具,使用导向器、泥浆护壁回转钻进.采用YGP-5型液压自行式台车灌浆,喷管下到设计深度后提升灌浆,灌浆结束后利用回浆回灌至液面不再下沉,用粘土球封孔.其现场施工布置如图3所示.高喷灌浆工艺技术参数的选取直接影响到所形成截渗墙的质量与工程造价投资,依据文献及现场试验综合设计.灌浆工艺参数见表2.3.4孔斜率的影响和控制a.孔斜控制.孔斜控制的有效措施包括“钻前控制+钻进控制”.钻前控制即确保钻机基座水平、立轴垂直,按设计要求放线定孔位,孔间误差小于50mm;钻进控制的重点是钻机立轴、钻杆的垂直度、钻进的工艺和方法必须与地层特性相适应.用水平尺检校钻机立轴,调整钻机水平度与垂直度,按设计要求测量孔斜,严格控制孔斜率不大于1%.同时,钻具的长度要求大于6m(有导向作用),深度15m以上孔段孔斜必须保证为零.施工发现,当深度15m以上孔段孔斜率为零时,采用上述钻进工艺和控制措施,基本上能保证成孔质量,孔斜率不大于0.5%.b.浆液配制与浆、水、气的检测.灌浆水泥选用普通硅酸盐水泥,强度应大于32.5MPa.浆液使用纯水泥浆,高速搅拌机搅拌时间大于30s,从制备到用完时间应小于4h,施工前应对灌浆材料与浆液作现场试验,采用重量法称量误差应小于5%.在高喷灌浆施工过程中,应经常检测浆量、气量与水压,测试浆液进浆和回浆比重.进浆密度、回浆密度每20min测量记录1次,水压专人不间断观察.出现压力突降或骤增,孔口回浆浓度或浆量异常等情况时,应及时处理.当进浆比重误差超过0.1时,应暂停喷浆作业,立即调整浆液水灰比,迅速恢复喷浆作业.在供浆正常的,如果孔口回浆密度变小,不能满足设计要求时,应加大进浆密度或进浆量.c.中断喷浆的处理.高喷灌浆应全孔作业,当拆卸喷射管后,应进行复喷,长度不小于0.2m;因事故中断后恢复施工时,应进行复喷,间隔时间应小于2h,时将喷杆下插0.5m;若间隔时间大于2h,则需重新钻孔进至顶喷高程以下1m,洗孔后静喷5min,并将喷杆下插0.5m进行复喷.因异常因素造成注浆中断,恢复喷浆时,须复喷0.5m,以保证截渗墙的连续性和可靠性.d.静压回灌.在喷射结束后,必须连续将回浆(若回浆不够时用新搅拌的浆液)回灌至孔内,直至孔内液面不下降为止.4墙体渗透系数测定永堌水库除险加固蓄水后,原渗漏严重的0+050—0+260处下游坝坡未发现明显渗漏现象.现场探地雷达、探坑、现场注水与室内试验等方法对截渗墙的检测表明:探坑处墙体连续,搭接良好,墙体材料较均匀;全坝段截渗墙雷达反射波形表现为高频低幅特征,同相轴连续,水泥土截渗墙均匀且连续,成墙质量较好.通过现场注水试验测得墙体的渗透系数在8.46×10-8～1.09×10-7cm/s之间;室内试验恒定水头压力控制在1.5～2.0MPa时测定墙体的渗透系数在4.47×10-7～6.28×10-7cm/s之间;墙体无侧限抗压强度在4.13～7.13MPa之间.各项指标均满足设计要求.高压摆喷灌浆技术适用范围广,技术可行,具有设备简单、工效高