基于帷幕灌浆技术的水库土坝除险加固施工

钟 庆

(江西省水利水电建设集团有限公司,南昌 330000)

0 引 言

水库土坝随着使用时间增加,在多重因素的联合影响下,可能会出现一系列安全隐患,危及下游居民的生命和财产安全,为解决这一问题,就需要对存在的险情进行除险加固处理。水库土坝除险加固施工中可用的技术比较多,如帷幕灌浆技术、回填碾压技术、防渗堵漏技术等,每种除险加固技术都有其独特的优缺点和应用范围,相比于其他技术,帷幕灌浆技术能够很好的克服各种阻力,渗入到水库土坝内部,形成一个具有一定强度、防渗性的帷幕体系。帷幕灌浆中,注浆的压力越大,吸浆量和浆液扩散的范围也就越大,而且在整个注浆施工中地层结构几乎不会受到扰动和破坏,可很好的满足水库土坝除险加固的要求。基于此,开展基于帷幕灌浆技术的水库土坝除险加固施工的分析研究就显得尤为必要。

1 工程概述

本工程为高安市上游水库除险加固工程(二期)施工1标。上游水库坝址位于江西省高安市上游水库工程管理局上游村境内,是以供水、灌溉为主,兼顾防洪、发电、养殖等综合利用的大(2)型水库,水库控制流域面积129km2,总库容1.85亿m3。水库设计灌溉面积1.33万hm2;承担了高安市及沿线乡镇供水任务;保护了下游村前镇、新庄镇、杨圩镇居民5万多人,耕地面积0.49万hm2,以及320国道、沪昆高铁、昌栗高速公路等重要城市和基础设施;发电装机容量1280kW。上游水库工程等别为Ⅱ等,主要建筑物(包括挡水建筑物、泄水建筑物和输水建筑物)级别为2级,次要建筑物(附属建筑物)级别为3级。除险加固主要建筑物采用的洪水标准为:100a一遇(P=1%)洪水设计,2000a一遇(P=0.05%)洪水校核;泄水建筑物消能防冲按50年一遇洪水设计。水库正常蓄水位83.00m,设计洪水位84.85m,校核洪水位86.34m,死水位71.00m。

2 重难点分析

虽然帷幕灌浆技术在很多方面都有显著的优势,但在案例工程应用时,受到地理位置和特点影响,在应用帷幕灌浆技术时依然存在很多重难点,主要体现在以下3个方面:

1)帷幕灌浆技术的应用对连续性有很高的要求,为提升施工的连续性,在正式施工前需要做好准备工作,除了需要准备好各种机械设备之外,还需要通过现场灌浆试验,来确定最佳的施工参数。但案例工程现场条件复杂,如何选择有效的试验区域,以保证试验参数的有效性是本工程施工重难点之一。

2)帷幕灌浆施工的前提条件是按照设计要求进行钻孔,工程为土质坝体,在钻孔中如何降低对坝体造成的不良影响,也是本工程帷幕灌浆的重难点[1]。

3)帷幕灌浆施工对整个水库土坝除险加固施工的质量有直接影响,由于本工程存在的安全风险隐患比较严重,而且帷幕灌浆深度大,如何按照设计要求和标准完成帷幕灌浆施工任务,也是本工程施工的难点。

3 帷幕灌浆施工的应用要点

3.1 切实做好施工前的准备工作

为保证帷幕灌浆施工的连续性,促使各道工序都能有效落实到实处,提升水库土坝除险加固施工质量,在正式施工前需要切实做好施工前准备工作。比如:在机械设备进场之前,需要对场地处理平整,清除影响帷幕灌浆施工的障碍物和杂物,保证施工场地相对清洁整齐,并准备好帷幕灌浆施工中用到的机械设备,核查所需机械设备,确保其性能良好。案例工程使用的机械及检测设备如表1所示。

表1 帷幕灌浆施工中机械设备和检测设备表

结合工程现场情况和地质条件,选择和实际灌区相近、相似的地段作为帷幕灌浆施工试验区,严格按照帷幕灌浆施工图纸中的要求,选择合适的试验孔布置方式、钻孔深度、灌浆分段、灌浆试验区等。在每一个帷幕灌浆施工试验区域内,要严格按照批准的灌浆试验要求来拟定帷幕灌浆施工的程序、方法,并对灌浆试验的结果进行分析,全面整理分析各序孔、检查孔的单位吸水率、等各种试验数据和资料,汇总整理成灌浆试验结果,为帷幕灌浆正式施工提供必要的参考和指导。

3.2 加强对钻孔施工质量的控制

为提升钻孔质量和效率,降低钻孔施工对水库土坝造成的不良影响,在钻孔施工中要采用地质钻机来钻孔,先按照设计图纸的要求测量放线出钻孔的位置,确定好钻孔的深度和孔径;然后安排钻孔机就位,钻头对准孔位,保证钻机安装平稳,在正式钻孔之前,需要合理确定好孔口管埋设的位置,钻杆的安装要垂直,利用垂直仪来检测钻孔的垂直度。开孔孔位要满足设计图纸的要求,并且和设计位置的偏差≤10cm,详细记录好偏差位置和钻孔的实际位置。灌浆孔需要严格按照灌浆的程序分段、分序进行[2]。每个帷幕灌浆孔要用高精度测斜仪进行测量,控制倾斜度在允许范围中,如果钻孔的深度在20m以内,则最大的偏差值不应超过0.25m,如果钻孔的深度达到30m,最大的允许偏差值为0.5m。在钻孔中要力求做到孔径上下一致,孔壁平顺光滑,使钻进中产生的岩粉细屑最少。

注浆检查孔的孔底偏差要尽量和灌浆孔保持一致,其他钻孔的孔底偏差最大≤1/40孔深,在排水口周边至少30m范围内的灌浆孔,在尚未完成灌浆之前严禁钻进排水孔。而在进行排水孔钻进施工中,如果遇到断面破碎带或者是其它软弱岩体等一些特殊情况时,要及时上报给现场管理单位,制定处理方案之后再进行处理,如果在钻进施工中发现排水孔堵塞问题,要重新测量放线,重新定位,重新钻孔。

钻孔完成之后及时开展裂隙冲洗和压水试验,灌浆孔需要进行全部冲洗,可采取风水联合冲洗技术,从孔底逐步向孔外冲洗,冲洗水压控制在灌浆压力80%左右,如果压力>1MPa,要采取1MPa的水压进行冲洗,风压控制在灌浆压力的50%左右,当压力>0.5MPa时,采用0.5MPa的压力[3]。当回水澄清后的10min左右结束裂隙冲洗。裂隙冲洗完成后,及时跟进压水试验,工程采取了简易压水法,压力为灌浆压力的80%,如果此数值>1MPa,按照1MPa标准进行试验,压水试验持续时间≥20min,每隔5min测读一次压水流量,待取得最后的流量作为计算流量,其成果用透水率来表示。

3.3 加强对灌浆施工质量的控制

在工程右岸坡体之上布置一套制浆系统,灌浆浆液集中配制,配制出0.5∶1的浓浆液,输送到每个灌浆点位,按照各点位帷幕灌浆的实际需求,配制成各自所需浓度的浆液。在灌浆施工中,要采取自上到下的顺序,孔口封闭孔采取内循环灌浆方式,射浆管到孔底的距离控制在50cm左右。帷幕灌浆材料选择普通硅酸盐水泥,水泥细度为能够通过80μm的方孔筛的筛余量≤5%,按照实际施工的要求,可选择更细的水泥[4]。浆液水灰比为8∶1,通常情况下要选择纯水泥浆液进行灌浆,如果在灌浆施工中遇到注入量比较大,或者是地下水流速比较大的地层,可选择水泥黏土混合浆液进行灌注,水∶水泥∶黏土的比例为1∶1∶2,帷幕灌浆的压力可通过以下公式计算出来:

P=P0+MD

(1)

式中:P为帷幕灌浆的压力,MPa;P0为0.01MPa;M为0.025MPa/m;D为帷幕灌浆施工中顶板以上岩石厚度,通过此公式的计算,先导孔灌浆压力和灌浆段次之间的关系如表2所示。

表2 帷幕灌浆施工中先导孔压水压力、灌浆压力、灌浆段次关系表

在Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔帷幕灌浆中,灌浆的压力要比先导孔高一些,P0可选择0.06MPa,也就是第1段的灌浆压力为0.06MPa,从第2段开始,一直到第10段,灌浆压力分布为0.11MPa、0.19MPa、0.31MPa、0.44MPa、0.56MPa、0.69MPa、0.81MPa、0.94MPa、1.06MPa。

在每个孔的第1段和第2段优先灌浆,当第2段完成灌浆后,埋入一根长度在3m左右的孔口管,等待浆液凝固。每个灌浆段灌浆结束的条件为:在保持灌浆压力持续不变的基础上,注浆量持续减少。当浆液的灌注时间>30min后,但浆液压力和注入率都没有明显改善,需要改为浓一级的水灰比进行灌浆[5]。当注入率>30L/min时,可按照实际情况,主体提升浆液浓度,如果为第1段注浆,可直接将浆液水灰比提升到0.5∶1的浓度。

4 效果分析

水库土坝除险加固施工具有很强的复杂性,需要高度重视施工质量水平,并对施工效果进行评价分析,以确保水库工程的安全性。本工程帷幕注浆中各分段分排序单位耗灰量汇总情况如表3所示。

表3 分段分排序单位耗灰量汇总表

由表3可看出,在灌浆排、序增加中,单位部分的耗灰量呈现出有增、有减的发展趋势,此现象是灌浆效果的正常表现[6]。在进行帷幕灌浆施工中对灌浆孔的检查通常以孔总数的10%来检测,常用的检测方法有两种,一种是钻孔取芯,另一种是压水试验,在案例中采取了后者来检测灌浆孔的质量,检测结果显示,在用帷幕灌浆施工技术来进行水库土坝除险加固施工中,孔口透水率普遍在5Lu以下,满足防渗规定的要求,且>98%孔段的透水率在3Lu以下,表明施工效果比较好。

5 结 语

综上所述,结合工程实例,分析了基于帷幕灌浆技术的水库土坝除险加固施工,结果表明,帷幕灌浆技术具有很强的适应性,在复杂的地质条件下依然可以良好的应用,为提升水库土坝除险加固施工效果,需要严格把控好施工前的准备工作,加强对钻孔施工质量控制,并严格按照现场条件,制定科学有效的灌浆方案,才能更好的提升灌浆效果,保证除险加固的质量,值得在类似工程中大力推广和应用。