李紅星

(晉中市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 山西晉中 030600)

1 工程概況

和順縣九京灌溉供水工程位于清漳東源中游,縣城以上3km處,控制流域面積251km2。工程利用原九京水庫(kù)壩址筑的部分舊土壩,興建閘壩攔蓄地表水,修建地下防滲墻,并在庫(kù)區(qū)修建三眼大口井,實(shí)現(xiàn)地表水地下水聯(lián)合運(yùn)用,向下游縣城居民、工礦企業(yè)及附近的農(nóng)村人畜飲水、農(nóng)業(yè)灌溉提供用水。工程于1999年8月開工,2000年6月主體工程竣工.投入運(yùn)行九年來,運(yùn)行狀況良好。

九京灌溉供水工程日供水能力4000m3,控制灌溉面積466.67hm2,最高蓄水位1267.5m,相應(yīng)庫(kù)容30×104m3,年調(diào)節(jié)水量290×104m3,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水,屬四等工程,主要建筑物為四等四級(jí)。

本工程由土壩、橡膠壩、泵房、地下防滲墻及大口井等組成。

土壩為均質(zhì)土壩,最大壩高6m,壩頂長(zhǎng)191m,壩頂寬4m,上游邊坡1︰2.5,下游邊坡1︰2.0,壩頂高程1269.0m。橡膠壩高4m,長(zhǎng)30m,底板高程1263.5m。

2 工程、水文地質(zhì)條件及防滲處理方案

壩址區(qū)沿壩軸線分布的地層巖性為第四系全新統(tǒng)沖洪積 (Q4al+pl)、松散層及二迭系上石盒子組(P2S)基巖地層。其后者巖性主要為黃綠色中粗粒砂巖及砂質(zhì)頁巖,出露于河谷兩岸山體或下伏于全新統(tǒng)沖洪積松散層;而前者第四系全新統(tǒng) (Q4)沖洪積松散層巖性主要為亞砂土,粉細(xì)砂,中粗砂及砂卵石層,根據(jù)鉆孔揭示,沿壩軸線最大厚度約26.6m可分為8層,自上而下依次為 (詳見圖1)。

1、人工填筑土 (原九京水庫(kù)碾壓土壩體)層厚約5.0m;

2、淺黃色亞砂土,質(zhì)較純,結(jié)構(gòu)疏松,層厚約3.0m;

3、砂卵石層,層厚1.0～2.2m;

4、中粗砂層,結(jié)構(gòu)松散,層厚2.5～4.2m;

5、褐黃色亞粘土層,層厚0～8.0m;

6、棕色粉細(xì)砂層,層厚約0～3m;7、亞粘土,層厚0～2.2m);

8、砂卵石層,層厚0～6.0m,覆于二迭系基巖層之上。

經(jīng)測(cè)試各地層滲透系數(shù)見表1。

表1 各地層滲透系數(shù)

河床覆蓋層厚約18m左右,經(jīng)研究論證,確定順壩軸方向,距壩軸線上游17.25m位置采用高壓噴射灌漿構(gòu)筑地下防滲墻。

3 高壓噴射灌漿技術(shù)在工程中的應(yīng)用

高壓噴射灌漿是利用工程鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)處理的深度后,用高壓泥漿泵通過安裝在鉆桿(噴桿)桿端置于孔底的特殊噴嘴,向周圍土體高壓噴射固化漿液(一般使用水泥漿液);同時(shí),鉆桿(噴桿)以一定的速度,邊旋轉(zhuǎn)邊提升,高壓射流使一定范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)破壞,并強(qiáng)制與固化漿液混合,凝固后便在土體中形成具有一定性能的固結(jié)體,從而起到防滲抗?jié)B的作用,是處理中低水頭水利工程基礎(chǔ)防滲的一項(xiàng)有效措施。

圖1 高壓噴射防滲墻設(shè)計(jì)剖面圖

固結(jié)體的形狀與噴射流的移動(dòng)方向有關(guān)。一般分為旋噴和擺噴。旋噴樁主要用于加固地基,提高地基的抗剪強(qiáng)度。定噴和擺噴通常用于地基防滲,改善地基土的水力條件及邊坡穩(wěn)定等的工程中。本工程選擇擺噴構(gòu)筑地下防滲墻。

4 高噴防滲板墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)高噴軸線與壩軸線方向平線,位于壩軸線上游17.25m。兩端與山體基巖相連,高噴范圍為0+004～0+573。

(2)高噴板墻下部深入新鮮基巖0.5～1.0m。上部頂高程在舊土壩段(0+040～0+343)為1267.0m,在新壩段(0+343～0+573)為1263.0m。

(3)高噴灌漿材料采用425#普通硅酸鹽水泥漿,板墻頂部以上部分用粘土漿封孔。

(4)高噴板墻厚度,依據(jù)工程防滲要求和高壓噴射灌漿在砂卵礫石層中所能形成凝結(jié)體的形狀大小,以及包住卵石等因素要求,設(shè)計(jì)板墻成形厚度在砂卵石層中定為40cm。

(5)噴射型式,為確保板墻可靠穩(wěn)定連接,連接形式采用單孔成形凝結(jié)體,為啞鈴形的擺噴折擺型。擺角30°,噴射方向與軸向夾角15°,相應(yīng)凝結(jié)體的連接角度為150°。鉆孔間距1.5m。

(6)施工分序,要求按兩序孔進(jìn)行施工,單號(hào)孔為Ⅰ序孔,雙號(hào)孔為Ⅱ序孔。

板墻成型后,要求用圍井做注水試驗(yàn)檢查施工質(zhì)量,圍井注水試驗(yàn)所得的滲透系數(shù)要小于10-5cm/s。在施工前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),以確定與實(shí)際情況相符,滿足設(shè)計(jì)要求的施工技術(shù)參數(shù)。

5 高噴混凝土防滲板墻施工

5.1 高噴參數(shù)的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)以最終確定施工技術(shù)參數(shù)值。試驗(yàn)選擇在代表性地段進(jìn)行,在軸線上游采用多種技術(shù)參數(shù)噴射成墻。試噴成墻初凝后,進(jìn)行開挖檢查,可直觀看到墻體的連接形式、噴射長(zhǎng)度、厚度、形狀、強(qiáng)度等,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè):凝結(jié)墻體有效延伸長(zhǎng)度115～175cm,砂卵石層中墻體厚度40～95cm。并結(jié)合設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)及施工單位以往施工經(jīng)驗(yàn),確定本工程高噴型式采用高壓擺噴,孔距1.5m,噴射角度15°,擺角 30°,施工技術(shù)參數(shù)表2。

表2 高壓噴射灌漿施工技術(shù)參數(shù)

5.2 施工設(shè)備及工藝流程

采用的灌漿設(shè)備包括:(1)造孔系統(tǒng):一般用XJ-100巖心鉆機(jī),合金鉆頭泥漿護(hù)壁造孔。

(2)漿系統(tǒng):選用山東黃河機(jī)械廠生產(chǎn)的WJG80-2型攪灌機(jī),該機(jī)輸漿量可達(dá)80～100L/min;(3)水系統(tǒng):高壓水泵、壓力表、高壓截止閥、高壓膠管等。其中高壓泵使用天津通用機(jī)械廠生產(chǎn)的3×B系列三柱塞高壓泵,其額定流量為75L/m in,額定壓力為50MPa;(4)氣系統(tǒng):空壓機(jī)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、輸氣膠管等。其中空壓機(jī)采用移動(dòng)式2V-6/8型空壓機(jī),排氣量為 6m3/min,壓力采用 0.7～0.8MPa;(5)噴射系統(tǒng):高噴臺(tái)車、噴頭、噴射管(三孔式)及孔口裝置,擺動(dòng)提升設(shè)備等。

一般工序?yàn)?布孔→鉆孔→下噴射裝置→制漿→噴射→定向、擺動(dòng)(旋轉(zhuǎn))提升→成板墻→沖洗→靜壓灌漿。施工工藝流程見圖2。

圖2 高壓噴射施工工藝流程圖

(1)灌漿布孔施工按由疏到密的原則,分兩序孔施工。

(2)高噴前應(yīng)進(jìn)行灌漿試驗(yàn),選擇代表性地段,按照灌漿工藝要求布孔、選孔、制漿,灌漿及開挖檢查,以使準(zhǔn)確的確定合適的高噴技術(shù)參數(shù)。試噴之前,須慎重選擇噴射參數(shù),若一次試噴不滿足設(shè)計(jì)要求,須進(jìn)行復(fù)試,直至滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)選孔力求保持垂直,孔斜最大允許值為孔深的1%,鉆孔要深入新鮮基巖0.5～1.0m。

(4)灌漿結(jié)束后,在代表性地段,施工板墻上游側(cè)加噴2個(gè)孔,與原板墻形成三角形圍井,進(jìn)行壓水或注水試驗(yàn),檢查板墻質(zhì)量。

5.3 高噴施工的質(zhì)量控制

為保證高噴的施工質(zhì)量,工程施工中采取了如下幾方面的質(zhì)量控制措施。

(1)要求施工單位建立健全較完善的“三檢”制度,責(zé)任到人,積極配合工程監(jiān)理檢查施工過程中的各個(gè)環(huán)節(jié),對(duì)每道工序都要檢查認(rèn)可合格后方可進(jìn)入下一道工序施工。

(2)嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)。按設(shè)計(jì)要求選用了縣水泥廠生產(chǎn)的425#普通硅酸鹽水泥,每批水泥進(jìn)場(chǎng)都必須有合格證和化驗(yàn)單,進(jìn)場(chǎng)后分批堆放,按先后順序使用,并定期抽檢水泥安定性和強(qiáng)度指標(biāo),保證施工用的水泥全部符合設(shè)計(jì)要求,并保證庫(kù)存量不小于一個(gè)孔的用量,以免中斷噴射作業(yè)。

(3)做好噴前質(zhì)量檢查。下管前后,要準(zhǔn)確確定擺噴方向和角度,并對(duì)水、氣、漿管路進(jìn)行檢查,防止堵塞,此外下管必須達(dá)到設(shè)計(jì)深度,并需經(jīng)質(zhì)檢和監(jiān)理人員確認(rèn)簽字后方可開噴。

(4)施工過程中主要技術(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確控制。高壓水、氣、漿的壓力、流量、比重等指標(biāo)都必須控制在試驗(yàn)確定的施工技術(shù)參數(shù)值范圍內(nèi)。

(5)如因各種原因停噴時(shí)間超過20min,需漿噴管下降0.5m以上深度進(jìn)行復(fù)噴。如因堵塞、停電等原因停噴時(shí)間超過2h以上,需進(jìn)行復(fù)鉆,而后再進(jìn)行復(fù)噴。

6 高噴板墻的防滲效果

灌漿結(jié)束后,在代表性地段,施工板墻上游側(cè)加噴2個(gè)孔,與原板墻形成三角形圍井,進(jìn)行壓水或注水試驗(yàn),檢查板墻防滲質(zhì)量。

經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理代表指定在N 56#、N57#孔間和N115#、N116#孔間,設(shè)置Ⅰ#、Ⅱ#兩個(gè)圍井。均為等邊三角形,圍井施工完畢后,在圍井中部鉆注水試驗(yàn)孔,然后以含礫亞粘土為頂板隔水層,下注水管至其下的砂卵石層內(nèi),注水管內(nèi)徑108mm,按注水試驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)公式(1)計(jì)算注水滲透系數(shù)k值。

式中:a——吉林斯基系數(shù),一般為1.32;

s——作用水頭,m;

L——試驗(yàn)段長(zhǎng),m;

r——鉆孔半徑,m;

Q——單位注水量,m3/s;

經(jīng)計(jì)算:K=2.65×10-6cm/s。

由此可見,其注水滲透系數(shù)小于10-5cm/s,滿足設(shè)計(jì)要求,證明高噴防滲墻的防滲性能是可靠的。

7 結(jié)論

(1)構(gòu)筑地下防滲墻后可充分利用河床砂礫層蓄水,與低壩蓄水相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)地表水與地下水的聯(lián)合運(yùn)用,具有淹沒少、投資省等特點(diǎn),特別適宜在北方山丘區(qū)季節(jié)性河流上修建,是山丘區(qū)水資源開發(fā)利用的重要途徑,具有很好的推廣價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景,該工程投入運(yùn)行七年來,運(yùn)行狀況良好。。

(2)高壓噴射防滲技術(shù)適用于各種松散地層的防滲處理,具有設(shè)備簡(jiǎn)單,適用范圍廣,成本較低,施工速度快,防滲效果好等優(yōu)點(diǎn),用于地下防滲墻的構(gòu)筑中具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 麥家煊.水工建筑物[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005

2 牛運(yùn)光.病險(xiǎn)水庫(kù)加固實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2002

3 遼寧省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院.中小型水庫(kù)設(shè)計(jì)[M].1975

4 葉觀寶.地基加固新技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2002

5 毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制[M].北京,水利電力出版社.1990

6 夏海江等.山丘區(qū)地下水庫(kù)的建設(shè)[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2003,5

7 林環(huán)興等.深層攪拌樁在梅州北堤堤防工程中的應(yīng)用[J].2000,9