河南省济源市曲阳水库渗漏分析与治理

薛伟彬 郑青

(河南省中陆工程技术有限公司,河南郑州 450000)

河南省济源市曲阳水库渗漏分析与治理

薛伟彬 郑青

(河南省中陆工程技术有限公司,河南郑州 450000)

济源市曲阳水库自1960年建成蓄水以来,坝基截水槽未完全截断,渗漏严重。经多方案比较,决定采用高喷注浆防渗板墙的防渗处理方案对坝基进行处理,河南省水利厅以《关于对济源市曲阳水库除险加固工程初步设计的审批》批准曲阳水库大坝渗漏采用高喷注浆防渗板墙防渗方案。工程布设灌浆孔共584个,孔径110mm,灌浆总进尺3758m。已通过竣工验收,目前运行良好。

水库大坝 渗漏 设计 高喷注浆 施工 防渗

1 工程概况

曲阳水库位于南省济源市南蟒河上游曲阳村南的五子河和虎岭河之间,距离市区9km,属黄河流域,坝址以上虎岭河干流长19.2km,控制流域面积40km2;坝址以上五子河干流长24.6km,控制流域面积68km2。主坝为均质土坝,设计坝顶高程181.70m,坝高9.9m,主坝长573m,坝顶宽15m。副坝分南、北两座,北副坝长690m,高4～5m,顶宽6m,坝顶与主坝相平;南副坝长470m,高2-6m,坝顶低于主坝0.3-0.5m,顶宽7m。水库总库容230万m3,死库容14.3万m3,防洪标准为20年一遇洪水设计,100年一遇洪水校核,是一座以防洪、调蓄为主,兼顾灌溉、旅游和养殖等功能的平原小(Ⅰ)型水库。

水库兴建于1959年,由于历史原因,施工质量较差,出现了坝体、坝基渗漏问题,造成坝后出现侵没、沼泽化现象,并多次在汛期出险,水库一直严格控制运用,急需进行防渗加固。

2 大坝工程地质与渗漏成因分析

根据地质报告结论河槽段坝基地层主要为第四系全新统级配不良砾及低液限粘土组成,级配不良砾具强透水性,低液限粘土属弱－中等透水性。筑坝时坝基截水墙并未完全截断级配不良砾层,使主坝坝基还存在渗漏问题;北(左)副坝级配不良砾分布在桩号N0+140～N0+500之间,厚度大于17.0m,其中N0+000～N0+140和N0+500～N0+600之间均存在级配不良砾夹层,厚度约2m～3.3m,南(右)副坝级配不良砾分布在桩号S0+630附近,属强透水性,存在坝基渗漏问题,该处南副坝上游坝坡库区内为台地,能起到防渗作用。

坝基为低液限粘土,中间夹多层级配不良砂,渗透系数范围值为9.2×10-5－9.93×10-4cm/s,局部也存在坝基渗漏问题。坝基级配不良砾层存在发生管涌渗透变形的工程地质问题,结合截水墙土体渗透系数较大的实际情况,坝基存在渗漏和渗透变形问题。

曲阳水库是群众性施工,从附近取土直接上坝填筑,没有采用大型机器碾压设备进行施工,主要是人工夯实,拖拉机拉石磙碾碾压,施工质量差。坝体材料主要是黄色低液限粘土组成,土质不均匀,含少量钙质结构,坝体土渗透系数不满足规范要求。

3 防渗技术方案确定

3.1 方案一

采用高喷注浆防渗板墙防渗,目的是载断坝基下的主要透水层,即级配不良砾层,层厚0.50-6.4m,层底高程164.80-173.86m,其工程布置如下：

大坝为均质土坝,最大坝高9.9m,坝顶宽15m,长573m,坝顶高程181.70m。本次加固在主坝桩号0+182.6～0+455.6范围内沿坝前平台中心线设一排灌浆孔,孔间距1.5m,灌浆深入坝体填筑土1.0m,下部深入低液限粘土1.0m。主坝灌浆孔共布设183孔,孔径110mm,灌浆总进尺1153m,主坝灌浆平台设置在坝迎水坡179.75m高程平台上。北副坝共布设灌浆孔401个,孔径110mm,灌浆总进尺2605m,沿北副坝轴线布置。灌浆材料：42.5硅酸盐水泥,水灰比0.8：1。

3.2 方案二

混凝土防渗墙是采用人工或机械方式,在透水层内形成一道连续的混凝土防渗墙,达到截断透水层的目的。混凝土防渗墙设计位于坝顶,混凝土防渗墙轴线平行于大坝轴线,槽段长度以6m为宜,采用国产RSD型液压抓斗抓土。设计混凝土防渗墙厚度0.3m,混凝为C10塑性混凝土,其成墙范围：上至坝体填筑土、下至深入不透水层下1m,防渗墙面积5404m2。

3.3 方案比选及确定

方案一：高喷注浆防渗板墙防渗,优点是(1)可灌性好;(2)可控性好;(3)连接性可靠;(4)机动灵活;(5)适应地层广、深度大;(6)施工场地要求不高;(7)可用于软基加固。缺点：对地层敏感性强;缺少快速可靠的检查方法。

方案二：混凝土防渗墙防渗,优点在于混凝土防渗墙是一种成熟的防渗方法,效果好,几乎适用于任何坝基地质,可以承受比高喷灌浆更大的水头和施工深度。但造价相对较高,施工难度相对较大,工期也较长。从工程投资、适用性和施工难度上进行比较,分析水库经济效益和社会效益,同时也可为河南省平原水库坝基及河道堤基防渗治理工程进行有效的探索和实践,因此建议采用高喷注浆防渗板墙防渗方案。

河南省水利厅以《关于对济源市曲阳水库除险加固工程初步设计的审批》批准曲阳水库大坝渗漏采用高喷注浆防渗板墙防渗方案,工程于2011年开工,并已通过竣工验收。该大坝坝外坡脚处散浸消失。

4 高喷注浆防渗板墙施工

4.1 施工工序

施工工序为：造孔——试喷——下喷管——喷射灌浆——静压灌浆。

4.2 高压喷射灌浆参数的确定

高压喷射灌浆施工,属联合作业性质,水、气、浆等各项参数,通过现场试验后选定,有关工艺参数如下：

高喷材料：42.5硅酸盐水泥,水灰比为0.8：1;

钻孔孔径：≥110mm;

高压水：水压力34～38MPa,水流量70～80L/min;

压缩空气：气压力0.5～0.7MPa,气量：1～2m3/min;

水泥浆：浆压力0.3～0.5MPa,浆流量70～80L/min,浆容量1.6g/cm3

提升速度：土层10cm/min,砂卵石层6cm/min;

旋转速度：10或15转/min;

喷嘴摆速：10～15次/min;

摆动角度：30°;

喷射方向：(摆喷凝结体轴线与防渗墙轴线夹角)15°。

4.3 施工质量控制

钻机造孔质量控制指标：(1)定孔：坝轴线允许误差1cm,孔位误差不超过2cm;(2)钻孔：钻机对准孔位误差不超过2cm;(3)孔口径：开孔口径大于130mm;(4)钻进：机体要平稳、牢固,每钻进5m要测量机体、立轴垂直一次;(5)泥浆护壁：粘土泥浆容重为1.1～1.25g/cm3;(6)先导孔：分层界面取芯,孔深进入基岩1.3m取芯;(7)取孔深度：按设计要求孔深进入不漏浆的基岩全(强)风化层2m;(8)终孔：终孔后用新浆液将孔内岩粉置换干净,保证高喷顺利下管等。

高喷灌浆质量控制指标：

(1)分序施工：一序孔与二序孔灌浆施工间隔时间不小于24h;(2)下喷射管：下至设计深度,下落深度不够时请示监理部门批准;(3)摆喷方向：摆喷以施工轴线呈5°夹角为起点,外摆30°,允许误差±2°,半圆喷以施工轴线为起点,外摆90°,允许误差±5°;(4)提升速度：提速允许误差不超过±5mm/min;(5)摆动速度：摆速允许误差不超过±1次/min;(6)水压力：控制在36～38MPa之间,水嘴直径1.8～1.9mm;(7)气压力：控制在0.6～0.8MPa之间,气嘴直径9mm;(8)制浆：采用425#抗硫盐水泥,纯水泥浆,送浆比重控制在(1.6～1.65)g/cm3之间;利用回浆,送浆比重控制在1.7～1.75g/cm3之间,每隔30min测量送浆比重、回浆比重一次,要详细记录;(9)水泥：对所进水泥按批号分开堆放,按先后顺序分批使用;(10)水泥检验：对所进水泥每400t取样化验一次,检测水泥安全性和强度指标,不合格的水泥严禁使用;(11)水泥用量：统计每个孔的水泥用量,每20个水泥袋捆成一捆;(12)灌浆记录：喷射过程中对冒浆情况、漏浆位置、深度、时间要详细记录;(13)终孔填充：终喷后用比重1.7～1.75g/cm3浆液将孔内充填满,直到孔口浆面不在下沉为止;(14)终喷验收：终喷经现场质检人员和监理人员签字验收;(15)高喷记录：记录表要填写清楚、整洁,经监理、技术员签字后,当天记录表当天交技术组;(16)回灌：喷射结束将孔内充填满后及时利用冒浆回填到地面,严禁使用带有黄泥和淤泥的冒浆进行回灌,做好原始标记;(17)因各种原因使喷灌中断超过30分钟,恢复喷射时,要下落0.5m再开喷;超过2小时,恢复喷射时,要下落0.7m再开喷。

5 防渗效果检测与评价

该工程于2012年完成施工并进行了竣工验收。工程竣工后经过洪水期进行考验,施工后坝段与施工前相比,防渗效果明显改观。

6 结语

济源市曲阳水库坝基防渗处理工程经过汛期的洪水考验,并通过竣工验收,完全达到设计要求,防渗效果良好,为处理类似病险水库提供了一条有效途径。高压喷射防渗墙施工技术在我国比较成熟,具有施工设备简单、操作容易、能就地取材等优点,就同类病险水库而言,采用该技术具有较大的社会效益和巨大的经济效益。

薛伟彬(1980-),男,工程师,工学学士,主要从事中小型水利工程规划、设计等工作。