三管高壓旋噴防滲墻在溪兜水庫除險加固中的應用

王瑞鑫

(福州市水利水電規(guī)劃設計院，福州 350000)

?

三管高壓旋噴防滲墻在溪兜水庫除險加固中的應用

王瑞鑫

(福州市水利水電規(guī)劃設計院，福州 350000)

溪兜水庫距今已運行30多年，為當?shù)匕l(fā)展做出了巨大貢獻，但是由于運行年限較長，水庫存在滲漏等問題，需對壩體進行除險加固。文章從水庫存在的滲漏問題出發(fā)，經(jīng)過方案比選，介紹了三管高壓旋噴防滲墻在除險加固中的應用，根據(jù)相應規(guī)范和計算軟件得出：采用三管高壓旋噴防滲墻方案可以良好解決壩體滲透及穩(wěn)定性問題。

溪兜水庫；除險加固；防滲墻；三管高壓旋噴；方案比選

1　工程概況

溪兜水庫位于閩侯縣青口鎮(zhèn)聯(lián)豐村相思嶺下和福清市紅星村交界處，緊靠福廈公路。水庫于1973年9月開工興建，主體工程于1977年5月完成，并于1981年9月竣工。所在河流為仙井底溪，長約5.1km，平均坡降47.5‰。溪兜水庫是一座以供水為主結(jié)合灌溉和防洪等綜合利用的小(1)型水庫。該庫下游涉及青口鎮(zhèn)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、汽車城、福廈公路以及福廈高速公路等重要設施。水庫供下游一座日產(chǎn)1萬噸水廠，灌溉面積為達366.7 hm2。水庫距今已運行30多年，存在諸多問題，需對水庫進行除險加固以保證水庫的正常運行。

2　水庫滲漏分析

經(jīng)過多年運行，大壩迎水坡部分生有雜草，同時壩頂及背水坡雜草叢生，雜草根系雖能保持壩體表面土體，但是叢生雜草易因自然衰亡而導致透水性增強；同時大壩壩體有白蟻活動，白蟻是一種穴生昆蟲，數(shù)量眾多，聚集在一起可使壩體內(nèi)形成網(wǎng)狀通道，從而導致壩體滲漏。

在實地勘察過程中發(fā)現(xiàn)放水涵洞漏水明顯，原因是運行時間長，建筑材料老化和被沖刷，從而也導致了壩體滲漏，為局部滲漏。大壩下游護坡存在明顯濕坡現(xiàn)象，標明壩體滲漏。大壩因建造時間早同時考慮到歷史原因，大壩未安裝位移觀測設施，即沒有沉陷位移、測壓管和壩后量水堰等觀測設施，顯示出大壩不確定因素明顯存在。

2.1防滲加固設計

水庫大壩原保壩設計洪水標準采用50 a一遇設計，500 a一遇校核，本次設計總庫容為251.27 萬 m3，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000)規(guī)定，為小(1)型水庫，屬Ⅳ等工程，攔河壩等主要永久性建筑物為4級。本次設計洪水采用50 a一遇洪水設計，500 a一遇洪水校核。

2.2方案比選

根據(jù)對現(xiàn)狀大壩的滲流穩(wěn)定安全復核和分析結(jié)果，對壩體滲透坡降超出允許坡降的不足，擬采用建垂直防滲墻，并與壩基緊密結(jié)合的防滲加固方法。初步擬定采用三管高壓旋噴防滲墻、C15塑性低彈?；炷练罎B墻二種防滲方案進行比選。

三管高壓旋噴防滲墻。三管高壓旋噴的原理與單管高壓旋噴一樣，以高壓形成噴射流沖擊破壞土體，噴射出的漿液與土體混合摻攪，在土體中形成凝結(jié)體。三管法是使用分別輸送水、氣、漿三種介質(zhì)的三管，在壓力達到30～60MPa(我國一般在30～50MPa)左右的超高壓水噴射流的周圍，環(huán)繞一股0.7～0.8MPa左右的圓筒狀氣流，利用水氣同軸噴射，沖切土體，再另由泥漿泵注入壓力為0.1～1.0MPa，漿量為50～80 L/min的稠漿。漿液可采用水泥漿或黏土水泥漿。新三管法除了利用高壓水沖擊切割底層外，還利用約40MPa的高壓漿液進行充填，可以形成較大的樁徑。根據(jù)土層的性質(zhì)其樁徑可達到1.0～1.5m，本次除險加固按1.0m進行鉆孔布置。三管高壓旋噴防滲墻雖然造價較單、雙管高，但可形成止水帷幕樁，防滲效果較前兩者好。

C15塑性低彈模混凝土防滲墻。采用“兩鉆三抓”形成一期槽孔，“兩步法”形成二期槽孔，采用黏土泥漿固壁來防止槽孔坍塌，泥漿下直升導管法澆筑混凝土，澆筑完成后形成混凝土防滲墻。具體施工方法如下：①一期槽孔施工，首先采用兩臺沖擊反循環(huán)鉆機鉆槽孔兩端的先導孔，接下來采用液壓抓斗抓取先導孔之間的土體，完成之后再采用鉆機沖鉆，并深入巖基0.5m；②二期槽孔施工，使用沖擊反循環(huán)鉆機和相配套的雙反弧接頭施工工具采用兩步法進行成槽，并深入巖基0.5m；③固壁施工，固壁材料采用浸泡后的黏土，用立式高速攪拌機制漿。當抓斗或鉆機成槽達到設計深度后，先進行清淤處理直到符合槽孔驗收標準，接著下設導管進行清孔換漿，先把導管下至孔底，然后用泵把泥漿經(jīng)導管送至孔內(nèi)，使得漿液流動攜帶鉆渣出槽孔，以達到清孔換漿的目的；④混凝土澆筑，混凝土拌和采用錐形反轉(zhuǎn)出料混凝土拌和機集中拌和，澆筑采用直升導管法。成墻后，滲透系數(shù)可達1×10-7cm/s，28d抗壓強度R28>9.0MPa。

兩種方案技術參數(shù)比較見表1。

表1　防滲處理方案技術參數(shù)比較表

方案一具有造墻深>30m，質(zhì)量穩(wěn)定，施工工期短，防滲效果較好，投資費用較低，其噴射形成的防滲體與巖石界面結(jié)合緊密等優(yōu)點，我省中小型水庫除險加固較多采用此方案。方案二成墻深度深，厚度大，成墻具有較好的塑性，適應壩體變形能力較好，可直接進入全、強、弱風化基巖，施工成槽可視，澆筑混凝土較直觀，分段長，接頭較少。但投資費用較高，所需施工場地范圍較大，工藝環(huán)節(jié)較多，要求較高的技術能力和管理水平，進入壩基施工后壓力大，對壩體產(chǎn)生一定的震動，施工進度較慢。綜合比較，方案一投資較低，可灌性好，可控性好，連接可靠，機動靈活，適應地層廣、深度較大、施工場地要求不高，施工技術成熟，應用廣泛，防滲效果好，有成熟的施工經(jīng)驗[1]。因此本設計推薦方案一，壩體采用三管高壓旋噴防滲墻。

2.3方案實施

根據(jù)方案比選結(jié)果，本次設計就壩體防滲問題擬采取三管高壓旋噴水泥防滲墻來進行處理，同時對舊涵洞進行封堵，并在右岸山體新建放水隧洞。針對溪兜水庫大壩不高(最大壩高30.5m)的情況，防滲墻最大深度31m，防滲墻平均深度20m。

高壓旋噴樁水泥防滲墻設計。沿壩軸線設一排三管高壓旋噴樁，有效樁徑φ1.0m，孔距0.8m，旋噴樁范圍為樁號(壩左0+000)至樁號(壩0+200)，孔深至基巖下0.5m，高壓旋噴樁施工時應注意涵洞位置，并沿涵管兩側(cè)加密。

1)防滲墻厚度。防滲墻墻體厚度主要由結(jié)構(gòu)強度、抗?jié)B強度、耐久性及施工條件等確定。對于抗?jié)B強度，墻厚t應滿足下式：

(1)

式中：H為上下游水頭差；[J]為防滲填料允許水力梯度。

混凝土防滲墻允許水力梯度80。經(jīng)過計算大壩混凝土防滲墻需要厚約0.4m，三管高壓旋噴樁徑1.0m，孔距0.8m，理論成墻厚度0.6m，滿足要求。

2)漿液配置。高壓旋噴灌漿漿液采用32.5級的普通硅酸鹽水泥漿。漿液的水灰比為1.5:1～0.6:1(密度約為1.4g/cm3～17.g/cm3)。

3)有關設計參數(shù)。噴射注降方法：三重管旋噴法；水壓力：≥35MPa，流量75 L/min；氣壓力：0.8MPa，風量1.0m3/min；漿流壓力：0.3～0.5MPa，流量80 L/min；提升速度：8～10cm/min；旋轉(zhuǎn)速度：10r/min。以上設計參數(shù)，開工前應進行現(xiàn)場實驗，根據(jù)所取得的符合實際情況的施工技術參數(shù)進行修正。

4)要求水泥土固結(jié)體的28天無側(cè)限抗壓強度大于500kpa，滲透系數(shù)小于10-7cm/s數(shù)量級。

5)旋噴樁范圍為主壩全壩段。

3　除險加固效果分析

3.1大壩滲流

本次除險加固設計大壩滲流計算，計算參數(shù)采用2012年12月福建省力巖巖土工程有限公司提供的《閩侯縣溪兜水庫除險加固工程地質(zhì)勘察報告》中的滲透系數(shù)以及臨界水力坡降，水泥旋噴樁防滲墻滲透系數(shù)為1.0×10-7m/s。計算斷面選用最大斷面進行計算。計算依據(jù)的規(guī)范是《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274—2001)。滲流計算過程采用河海大學工程力學研究所編寫的“水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)(AutoBANKv 5.6)”計算程序，該程序為加入邊界條件后應用有限元進行分析[2]。副壩因壩底高程高于死水位因此在計算中不計算死水位工況。主壩考慮5種工況：工況Ⅰ：上游水位為死水位84.8m，下游無水；工況Ⅱ：上游水位為正常蓄水位99.3m，下游無水；工況Ⅲ：上游水位為設計洪水位101.40m，下游無水；工況Ⅳ：上游水位為校核洪水位102.14m，下游無水；工況Ⅴ：上游水位為校核洪水位102.14m驟降至99.30m，下游無水。計算結(jié)果見表2。

表2　大壩滲流計算結(jié)果(主壩)

從上表成果可知，①經(jīng)過加固后大壩理論的單寬滲流量比加固前小較多。②大壩加固后在各種工況下，最大水力坡降均小于允許水力坡降。③在各種工況下，加固后壩體浸潤線明顯降低，防滲墻后的壩體浸潤線溢出點位置很低，說明水泥防滲墻的防滲效果較好，解決了壩體滲漏問題。

3.2壩體穩(wěn)定性

本次除險加固設計大壩穩(wěn)定計算，本次穩(wěn)定計算主要采用河海大學編制的“土石壩邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)(HH-SLOPE R1.2)”程序進行計算，該軟件按照《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274—2001)編制，土料抗剪強度指標采用快剪指標。在進行壩坡穩(wěn)定計算時，特征水位采用本次洪水復核后的成果，設計水位101.40m，校核水位102.14m；計算斷面選取最大斷面；土料的物理力學指標參考算參數(shù)采用2012年12月福建省力巖巖土工程有限公司提供的《閩侯縣溪兜水庫除險加固工程地質(zhì)勘察報告》中物理力學指標。計算工況及結(jié)果見表3。

表3　大壩計算工況及穩(wěn)定安全系數(shù)(主壩)

從表3可知，主壩上、下游壩坡在各種工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

4　結(jié)　語

溪兜水庫運行時間長，壩體存在諸多問題，本文通過對水庫存在問題進行分析，并在此基礎上提出兩種設計方案，通過方案比較，三管高壓旋噴防滲墻在造價及施工難度方面具有優(yōu)勢，作為設計方案。本文對防滲措施進行了較為深入的分析，且根據(jù)相應規(guī)范和計算軟件得出：采用三管高壓旋噴防滲墻方案可以良好解決壩體滲透及穩(wěn)定性問題。本文結(jié)果可以為類似工程提供一定的參考。

[1]王勇.振動射沖混凝土防滲墻在水庫中的應用[J].水利技術監(jiān)督，2014(01)：89-91.

[2]吳華歡.簡論水利水電工程中混凝土防滲墻施工技術[J].中華民居：下旬刊，2013(12)：99-102.

1007-7596(2016)05-0123-03

2016-03-18

王瑞鑫(1982-)，福州永泰人，工程師，研究方向為水利水電工程。

TV543.8

B