小型水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固技術(shù)方案

苗得雨

（青島西海岸新區(qū)城市管理局（水務(wù)局），山東 青島 266431）

0 引言

水庫(kù)大壩是水利工程建設(shè)中的重要內(nèi)容，為社會(huì)生產(chǎn)生活提供重要保障。在我國(guó)發(fā)展建設(shè)初期，建設(shè)了眾多小型水庫(kù)大壩，為推進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人們生活質(zhì)量提升做出重要貢獻(xiàn)[1]。然而，目前很多水庫(kù)大壩經(jīng)過(guò)幾十年的使用，其安全性發(fā)生了一定變化，在工程質(zhì)量、防洪安全、滲流安全、結(jié)構(gòu)安全等方面與當(dāng)前工程規(guī)范要求不相符，出現(xiàn)較大的安全隱患。因此，加強(qiáng)水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固措施是非常必要的。某水庫(kù)大壩是一座小型水庫(kù)，主要負(fù)責(zé)周邊地區(qū)防洪、灌溉，由于水庫(kù)建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)，通過(guò)對(duì)水庫(kù)大壩安全評(píng)判，發(fā)現(xiàn)大壩局部存在滲漏隱患，需要及時(shí)進(jìn)行防滲加固。根據(jù)水庫(kù)大壩實(shí)際情況，合理選擇水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固技術(shù)方案，為水庫(kù)運(yùn)行穩(wěn)定提供保障。

1 工程概況

某水庫(kù)為一座?。ǘ┬退畮?kù)，水庫(kù)工程動(dòng)工建設(shè)于1966年，1967年正式投入使用?，F(xiàn)狀大壩高程為525.4m，防浪墻頂高程526.5m。20年一遇設(shè)計(jì)洪水位510.1m，200年一遇校核洪水位510.8m，死水位500m?？値?kù)容12.14萬(wàn)m3，有效庫(kù)容8.2萬(wàn)m3。大壩為黏土心墻土石混合壩，大壩最高處壩高為32.7m，壩頂長(zhǎng)寬分別為52.5m、59.5m。上游壩坡分兩級(jí)，自上而下壩坡比為1∶2.67、1∶2.5，下游壩坡分五級(jí)，自上而下壩坡比分別為1∶1.68、1∶3.82、1∶1.41、1∶ 2.42、1∶ 0.62。

水庫(kù)運(yùn)行已經(jīng)超過(guò)50年，存在較為顯著的工程老化問(wèn)題，滲漏嚴(yán)重，上級(jí)主管部門(mén)對(duì)其除險(xiǎn)加固高度重視，工程已進(jìn)行安全鑒定，并被認(rèn)定為三類(lèi)壩。大壩主要存在問(wèn)題有：上下游壩坡面不平整，壩體滲水；防滲區(qū)土料密實(shí)度不足，壓實(shí)不均勻，難以滿足要求；大壩迎水坡、背水坡局部均有雜草生長(zhǎng)，影響壩體穩(wěn)定性。

水庫(kù)大壩壩基主要為全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、弱風(fēng)化花崗巖，勘探期間，鉆孔深入壩基弱風(fēng)化花崗巖中，通過(guò)對(duì)巖體進(jìn)行壓水實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示單位吸收率小于5Lu，弱風(fēng)化花崗巖壩基具有弱透水性。對(duì)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖進(jìn)行注水實(shí)驗(yàn)，透水系數(shù)為0.0411cm2/s～0.0672cm2/s，平均值K為0.0523cm2/s，小于0.01cm2/s。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖壩基具有中透水性。

2 大壩防滲加固設(shè)計(jì)

2.1 大壩滲流分析

通過(guò)壩體填土試驗(yàn)確定大壩滲流系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)實(shí)大壩填土水平滲透系數(shù)范圍在2.12×10-5cm/s～7.25×10-5cm/s，垂直滲透系數(shù)范圍在 1.62×10-5cm/s～ 4.81×10-5cm/s。計(jì)算大壩滲流量選擇滲流系數(shù)為最大值平均值，K=5.84×10-5cm/s，水位聚降浸潤(rùn)線時(shí)選擇滲透系數(shù)為最小值平均值，K=3.89×10-5cm/s，壩基滲透系數(shù)選擇K=5.21×10-5cm/s。采用巖土計(jì)算軟件《滲流分析計(jì)算》，對(duì)有滲流現(xiàn)象的最大壩高斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為不同工況壩體單寬滲流量分別為工況S1q=1.15e-4m3/s·m、S2q=1.42-4m3/s·m、S3q=1.62e-4m3/s·m（e為孔隙比），出逸點(diǎn)以及出逸坡降均超出了答應(yīng)范疇，因此需要對(duì)大壩進(jìn)行防滲加固施工。

2.2 大壩防滲加固設(shè)計(jì)方案

綜合考慮該工程中實(shí)際存在的滲流安全隱患、日常運(yùn)行檢查中發(fā)現(xiàn)的額滲流問(wèn)題以及經(jīng)過(guò)滲流分析明確的大壩滲流問(wèn)題，共提出3種大壩防滲加固設(shè)計(jì)方案，分別為第一種，單管高壓旋噴防滲墻技術(shù)。該技術(shù)方案具有良好的防滲效果，但工程造價(jià)相對(duì)較高[2]；第二種，翻砌迎水坡并鋪設(shè)600g/m2的復(fù)合土工膜。該技術(shù)方案防滲效果相對(duì)較低，由于在鋪設(shè)復(fù)合土工膜過(guò)程中，施工環(huán)境中的石塊、重物等容易直接刺破復(fù)合土工膜，并且土工膜存在接縫，如果不能做好接縫處理也會(huì)影響防滲效果[3]；第三種，大壩上游面混凝土面板防滲處理。該技術(shù)方案防滲效果比較不理想，混凝土面板屬于剛性體，容易有裂縫等問(wèn)題產(chǎn)生，難以保證良好的防滲效果[4]。

該工程中，為確保達(dá)到良好的防滲效果，徹底解決水庫(kù)大壩滲漏問(wèn)題，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)以及防滲效果等各方面影響因素后，最終確定選擇單管高壓旋噴造防滲墻技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)壩體防身效果最大化，確保施工質(zhì)量。

3 大壩防滲加固單管高壓旋噴造防滲墻技術(shù)方案實(shí)施

該工程單管高壓旋噴防滲墻設(shè)計(jì)方案中，施工設(shè)計(jì)參數(shù)具體為樁徑（d）為0.6m，樁距為0.5m，設(shè)計(jì)項(xiàng)高程▽6.23m，設(shè)計(jì)墻底高程▽-3.78m，墻深10m，墻體滲透系數(shù)K不超過(guò)1×10-6cm/s，樁身強(qiáng)度≧1.5MPa。在堤基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)進(jìn)行鉆孔灌注樁施工，施工完成后，樁間實(shí)施高壓旋噴法進(jìn)行施工，造φ0.6m防滲墻。綜合考慮施工進(jìn)度及施工成本等因素，確定安排1套設(shè)備進(jìn)行單管高壓旋噴砼防滲墻施工，施工工作面由一側(cè)向另一側(cè)展開(kāi)。

3.1 施工機(jī)械設(shè)備選擇

選擇單管高壓旋噴機(jī)械設(shè)備，根據(jù)樁長(zhǎng)度為10m，噴漿壓力大于25MPa，輸漿量大于70L/min的要求，以及在污泥以及污泥質(zhì)土壤中，噴管的提升速度不應(yīng)當(dāng)小于0.1m/min，砂層速度為0.15m/s，旋轉(zhuǎn)速度為20rpm，最終確定高壓旋噴機(jī)械設(shè)備如下。1）高壓泵：選擇SNC-H300型珠江車(chē)，泵壓范圍在 20MPa～30MPa，流量范圍 40 L/min～80 L/min。2）鉆機(jī)：選擇100型旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，其鉆桿速度最高為50r/min，提升速度最大為7200mm/min，可以根據(jù)工程條件進(jìn)行適應(yīng)性變化。3）漿液攪拌機(jī)：選用200 雙筒立式攪拌機(jī)。4）旋噴管：由單層注漿管、單管導(dǎo)流器、單管雙控噴頭構(gòu)成。單層注漿管中鉆桿選用外徑為φ50mm的地質(zhì)鉆桿，每根鉆桿長(zhǎng)度約在2m，連接螺紋處進(jìn)行密封處理；單管?chē)婎^選用平頭雙孔噴頭，底部鑲嵌硬質(zhì)合金。5）高壓管路：采用鋼絲纏繞液壓膠管，其工作壓力需高于噴射泵壓力，根據(jù)流量，確定內(nèi)徑為d=19mm。6）液體流量計(jì)：采用電磁式流量計(jì)，量程為 10L/min～20L/min。

3.2 單管高壓旋噴樁施工

3.2.1 施工流程

單管高壓旋噴樁施工首先要進(jìn)行測(cè)量放線，具體施工流程如圖1所示。

圖1 單管高壓旋噴樁施工流程圖

3.2.2 施工方法

根據(jù)單管高壓旋噴樁施工流程，其施工的具體方法如下。1）施工前，需要先對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行平整，合理設(shè)置排漿溝等，并按照施工設(shè)計(jì)圖紙測(cè)量放出各樁的中心位置，并用套板或撒石灰的方式標(biāo)記出樁位。2）先進(jìn)行孔位布點(diǎn)，然后根據(jù)孔位進(jìn)行孔口管的埋設(shè)，從而避免鉆進(jìn)和旋噴過(guò)程中孔口發(fā)生塌陷?？卓诠芸梢赃M(jìn)行循環(huán)使用。3）鉆機(jī)就位：在安放鉆機(jī)時(shí)注意下墊上一層木板，從而確保鉆機(jī)放置保持在水平位置，鉆桿保持垂直，鉆桿傾斜度應(yīng)當(dāng)小于1.5%。4）鉆孔：采用旋轉(zhuǎn)振動(dòng)鉆機(jī)鉆孔，確?？孜黄畈怀^(guò)50mm。鉆孔施工中，還需用泥漿泵及及時(shí)注入泥漿護(hù)壁，防止塌孔情況發(fā)生。5）接注漿管：鉆孔到設(shè)計(jì)孔深之后，檢查各部位密封圈狀態(tài)，確定其處于封閉的狀態(tài)，檢查各管安裝正常后，放入鋼珠，使噴口成水平狀態(tài)，接好注漿喉頭，連接上高壓注漿機(jī)。6）旋噴：在正式噴射作業(yè)前先進(jìn)行試噴，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定滿足設(shè)計(jì)要求的技術(shù)參數(shù)，具體技術(shù)參數(shù)如下：噴漿壓力≥25MPa，水灰比1∶1，旋噴管提升速度0.1m/min～0.15m/min，旋轉(zhuǎn)速度20rpm。首先，樁底旋噴1min后，再進(jìn)行邊提升、邊旋噴操作。在噴射過(guò)程中，達(dá)到預(yù)定噴射壓力以及噴漿量之后才能逐步提升注漿管；噴射中如果發(fā)生故障問(wèn)題，則需要立即停止提升和旋噴，防止樁體中斷，并立即進(jìn)行故障的檢查排除；如果發(fā)生漿液噴射不足的傾向，對(duì)樁體設(shè)計(jì)直徑產(chǎn)生影響時(shí)，則需要進(jìn)行復(fù)噴。在該工程中，由于樁徑較大，施工擬選用提高噴射壓力、泵量和降低注漿管提升速度的方法，使噴漿量滿足樁體尺寸要求，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。其次，注意高壓噴管旋轉(zhuǎn)的靈活性，并且在高壓作用下有良好的密封性。噴射注漿管提升高度超出設(shè)計(jì)高程0.5m時(shí)，用注漿泵連續(xù)注漿，等到水泥漿從孔口返出，則停止注漿，并將注漿泵吸水管轉(zhuǎn)移到清水箱中，抽吸清水將注漿泵和注漿管中的水泥漿頂出來(lái)，然后停泵。最后，在旋噴中注意觀察是否存在冒漿的情況，如出現(xiàn)則立即進(jìn)行妥善處理，清理掉沉淀的泥渣，并進(jìn)行詳細(xì)記錄[5]。7）注漿管卸下之后，則應(yīng)當(dāng)立即用清水進(jìn)行沖洗，使管路各個(gè)通道清潔干凈，同時(shí)擰上堵頭。注漿泵、注漿管路、漿液攪拌機(jī)等設(shè)備均用清水沖洗，高壓泵管路也要送水沖洗。

3.3 施工質(zhì)量控制與防滲加固效果分析

3.3.1 施工質(zhì)量控制措施

首先，在施工過(guò)程中，嚴(yán)格按照工程設(shè)計(jì)參數(shù)施工，同時(shí)加強(qiáng)材料用量的施工控制。如實(shí)做好包括孔深、噴射壓力、提升速度等各項(xiàng)參數(shù)的詳細(xì)記錄；所有進(jìn)場(chǎng)水泥都需要按照規(guī)范進(jìn)行檢測(cè)；嚴(yán)格控制水灰比。其次，施工中，如果出現(xiàn)特殊情況，須立即采取相應(yīng)措施，并查明問(wèn)題出現(xiàn)原因。最后，嚴(yán)格按照要求，在大壩防滲加固施工完成后4周對(duì)施工成果進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。

3.3.2 大壩防滲加固效果分析

大壩防滲加固施工完成后，對(duì)大壩滲流穩(wěn)定情況進(jìn)行復(fù)合，共選擇6種不同計(jì)算工況計(jì)算，具體如表1所示。

表1 計(jì)算工況及對(duì)應(yīng)水位表

大壩防滲加固施工后，在大壩穩(wěn)定滲流工況下，大壩設(shè)計(jì)洪水位浸潤(rùn)線、正常蓄水位降至死水位浸潤(rùn)線位置高度均在高程之下，出逸點(diǎn)位于棱體處。滲流計(jì)算成果圖如圖2所示。

圖2 大壩加固后滲流計(jì)算成果圖

大壩加固后，計(jì)算最大壩高斷面滲流量、背水坡最大斷面滲流量，結(jié)果顯示單寬流量均不超過(guò)0.03cm2/s，壩體最大水力比降最高為0.311，滿足大壩滲流穩(wěn)定性要求。計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。

3.3.3 滲流安全評(píng)價(jià)

式中：[J允]—出逸坡降允許壩體最大水力比降下限值。Cs—土顆粒的比重，該工程計(jì)算中該值為2.68。n—空隙率，該工程計(jì)算值為0.43。K—安全系數(shù)，選取值范圍為1.5～2。

通過(guò)上述公式計(jì)算，可以得出[J允]范圍在0.489～0.652，根據(jù)表2和表3的計(jì)算成果可以，水庫(kù)不同計(jì)算工況下，單寬流量較小，理論計(jì)算所得出的壩體最大水利比降均低于出逸坡降允許壩體最大水力比降下限值。結(jié)果表明，防滲加固后大壩滲流穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 大壩加固后最大壩高斷面滲流計(jì)算成果表

表3 大壩加固后背水坡最大斷面滲流計(jì)算成果表

4 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固工程是保證其穩(wěn)定運(yùn)行的重要內(nèi)容。其中，大壩防滲加固是水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工的重點(diǎn)。目前，在大壩防滲加固施工中，有較多的施工設(shè)計(jì)方案，具體選用要根據(jù)工程實(shí)際情況，確定最佳設(shè)計(jì)方案。在該工程中，由于是小型水壩，大壩防滲加固工程量相對(duì)較小，對(duì)防滲加固效果要求較高，因此選用單管高壓旋噴造防滲墻的施工技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)。該工程施工結(jié)果證明，通過(guò)采用單管高壓旋噴造防滲墻技術(shù)方案進(jìn)行施工，能夠獲得良好的防滲加固效果，水庫(kù)大壩防滲加固工程取得了明顯的成效，工程質(zhì)量得到保證，可以為類(lèi)似工程的技術(shù)方案提供參考。