于云飛

(新疆伊犁特克斯河水電開發(fā)有限公司，新疆伊犁835000)

1 概 述

新疆某水電站引水渠道工程樁號K3+500—4+400段渠道設(shè)計采用矩形斷面，重力墻結(jié)構(gòu)形式，墻頂寬0.6 m，采用擴大基礎(chǔ)，墻底寬3 m，渠道底板為現(xiàn)澆0.5 m厚混凝土板。該渠道基礎(chǔ)以下存在全新統(tǒng)(Q4dl)坡積含礫粉土層，具中等—強烈濕陷性，工程性質(zhì)差，設(shè)計采用換填卵礫石的方案予以處理。其中3+500～3+900段坡積物厚度較大，換填深度以渠基底以下8 m控制，坡積物厚度大于8 m時，開挖至8 m深進行試挖，所剩坡積物厚度小于1 m全部進行換填，大于1 m換填厚度為8 m；3+900～4+200段坡積物厚度相對較小，對渠基以下坡積物全部挖出，采用砂礫石料換填至渠道建基，渠道基礎(chǔ)處理方案及施工過程中的具體實施情況如下所示(見圖1)。

圖1 3+800～4+200段渠道施工斷面

2 渠道變形情況

渠道底板與邊墻裂縫寬度為2～102 mm，左側(cè)裂縫寬度明顯大于右側(cè)，裂縫較寬部位混凝土結(jié)構(gòu)底部砂礫石細顆粒流失。渠道右側(cè)邊墻基本上無裂縫，左側(cè)邊墻出現(xiàn)不同程度的錯位；渠道左堤伴行路外側(cè)出現(xiàn)明顯沉陷，形成凹坑。經(jīng)現(xiàn)場察看，渠道左堤邊坡中下部發(fā)現(xiàn)滲水出溢點(見圖2)。

圖2 渠道變形情況現(xiàn)場照片

3 原因分析

(1)外水影響

經(jīng)現(xiàn)場察看，該渠段右側(cè)坡面融雪水和雨水匯流至擋墻外側(cè)低洼區(qū)。由于無排水通道，坡面匯水沿回填區(qū)下滲至渠基底部，誘發(fā)渠基不良土體發(fā)生變形；因此，渠道右岸坡面外水入滲是造成渠道變形的主要誘因。

(2)渠堤外側(cè)坡積物變形

根據(jù)渠基坡積物換填范圍、開挖斷面及施工地質(zhì)資料，該段渠道開挖斷面底部地層為卵礫石層，坡積含礫粉土層在基底部位已清除，左、右側(cè)開挖邊坡存在含礫粉土層，在飽和工況下存在變形的可能。受右側(cè)坡面外水入滲的影響，含礫粉土層達到飽和狀態(tài)，發(fā)生明顯的沉降變形，進而引發(fā)換填砂礫石層發(fā)生側(cè)向沉降變形，導(dǎo)致渠道邊墻發(fā)生沉降變形。由于渠基換填砂礫石層左側(cè)側(cè)限相對較弱，沉降變形量較大，右側(cè)靠近山體，側(cè)限相對較大，沉降變形量較小。

(3)換填區(qū)自身沉降變形分析

該段渠基采用砂礫石換填,設(shè)計要求壓實相對密度不小于0.8,施工單位自檢及監(jiān)理質(zhì)量檢測均符合設(shè)計要求。該段渠道渠基換填砂礫石厚度為8 m左右，自身沉降量很小，不是渠道發(fā)生變形的主要原因。

(4)地基滑動破壞分析

從該段渠道地形條件看，渠道基本座落于山體坡腳位置，右岸山體天然坡度較緩，渠道左側(cè)為階地平臺，渠道距階地臨空面距離較遠，渠基發(fā)生深層滑動的可能性不大。從渠基地層結(jié)構(gòu)來看，渠基產(chǎn)生深層滑動的條件是地層結(jié)構(gòu)中存在軟弱結(jié)構(gòu)面，軟弱結(jié)構(gòu)面在水的作用下才有可能發(fā)生滑動。本工程渠基地層結(jié)構(gòu)中無明顯的軟弱結(jié)構(gòu)面，且無地下水，渠道通過采取外水排水措施、內(nèi)水防滲措施后，不存在渠基產(chǎn)生滑動的外界條件，渠基不會產(chǎn)生深層滑動。

(5)左渠堤外側(cè)沉陷凹坑對渠道變形影響的分析

發(fā)生該情況主要因為以上兩處位置施工單位采用挖掘機挖掘了4 m左右深的探坑,后期由于回填不夠密實,填筑渠堤時未引起足夠重視,導(dǎo)致施工后遇水基礎(chǔ)沉降,渠堤頂伴渠路出現(xiàn)沉陷和凹坑。渠堤凹坑距離左側(cè)重力墻基礎(chǔ)較遠，對渠道變形影響較小，不是造成渠道沉降變形的主要原因。

4 處理方案

經(jīng)過現(xiàn)場察看以及結(jié)合渠道變形原因分析，對該段渠道裂縫及其他隱患部位主要采取以下處理措施。

4.1 截水、排水措施

為了保證渠道右側(cè)坡面水快速進入渠道，不下滲至渠基，將右側(cè)邊墻至Y011線道路間低洼區(qū)采用黃土回填整平，上部采用30 cm水泥土封閉，水泥含量4%，黃土和水泥土填筑壓實度不小于95%，水泥土頂面高于渠頂10 cm，填筑頂面橫向向渠內(nèi)側(cè)設(shè)4%橫坡，將坡面水疏導(dǎo)至梯形斷面渠道排入渠道。

4.2 左渠堤加固

為了保證運行維護車輛通行安全，對左側(cè)渠堤伴行路外側(cè)塌陷區(qū)采用砂礫石補填至現(xiàn)狀伴渠路高度，填筑壓實相對密度不小于0.75；并對兩個塌陷區(qū)進行充填灌漿，灌漿深度根據(jù)鉆孔情況確定，打穿塌陷區(qū)松散土體即可。每個塌陷區(qū)沿渠道縱向布置1排灌漿孔，每排3個灌漿孔，孔距2.0 m。盡量采用小的灌漿壓力進行充填灌漿，將左側(cè)渠堤頂面修整為向伴渠路外側(cè)4%的橫坡。

4.3 基礎(chǔ)加固處理

4.3.1 加固范圍及措施的確定

根據(jù)本次渠道變形原因分析，其主要誘因為外水入滲，在無外水入滲及渠道內(nèi)水無大量滲漏的條件下，渠基基本不會產(chǎn)生沉降變形。因此本次渠基加固處理范圍主要以已發(fā)生沉降變形段為主，并向上、下游各延伸10 m。具體方案為對已經(jīng)發(fā)生變形的渠道段重力邊墻基礎(chǔ)采用水泥漿充填灌漿，將渠基以下一定范圍內(nèi)的換填砂礫石地層充填密實。

4.3.2 可灌性分析

砂礫石地層的可灌性與緊密程度、膠結(jié)情況及顆粒級配等有關(guān)。本次根據(jù)顆粒級配曲線，分析地層的可灌性。

(1)可灌比值

可灌比值是砂礫石地層能否接受某種灌漿材料進行有效灌漿的一種指標(biāo)，通常用下式表示：

式中，M為可灌比值；D15為砂礫石地層中含量為15%的顆粒粒徑(mm)，查料場補勘砂礫石換填料級配曲線D15=1.1 mm；d85為灌漿材料中含量為85%的顆粒的粒徑(mm)，初選水泥采用425，d85=0.06 mm。

經(jīng)計算，可灌比值M=18，當(dāng)M≥15時可以采用灌注水泥漿。

(2)小于0.1 mm顆粒含量

一些工程的實踐表明，對于小于0.1 mm顆粒含量少于5%的砂礫石地層都可接受水泥漿的有效灌注。根據(jù)換填料級配曲線，換填砂礫石中小于0.1 mm顆粒含量為4.8%，換填層砂礫石具有可灌性。

通過以上分析，本次砂礫石地層具備可灌性，灌漿采用水泥漿，水泥采用425普通硅酸鹽水泥。

4.3.3 灌漿孔布置

引水渠3+870～3+990段沿渠道縱向布置4排灌漿孔，具體為矩形渠道左、右重力式邊墻墻踵和墻趾各布置1排孔，共計4排孔；孔邊距墻腳距離為5 cm，可根據(jù)施工情況進行調(diào)整，但灌漿孔不得損壞渠槽內(nèi)縱向止水帶，孔距為2.0 m(見圖3、圖4)。

圖3 灌漿孔平面布置

圖4 灌漿孔布置橫斷面

4.3.4 灌漿技術(shù)指標(biāo)

(1)水灰比

水泥漿的水灰比一般變化范圍為0.6～2，初擬水灰比為1∶1，具體水灰比根據(jù)灌漿試驗確定，灌漿試驗水灰比可按0.6∶1、0.8∶1、1∶1和1∶2的比級進行調(diào)整。邊排孔宜采用水泥含量較高的漿液，中間孔可采用水泥含量較低的漿液。灌漿施工過程中，必須嚴(yán)格按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》(SL 62—2014)執(zhí)行，避免漿液對換填砂礫石地層造成二次破壞。

(2)灌漿壓力

灌漿壓力選擇以不會使地面產(chǎn)生變化和渠道底板受到影響前提下可能采用的最大壓力。初擬灌漿壓力：渠道邊墻外側(cè)灌漿壓力不超過0.2 MPa，具體由灌漿試驗結(jié)果確定。

(3)灌漿量

斷面每延米灌注所需的漿液用量Q參照下式計算：

Q=KVn

式中，Q為漿液總用量(m3)；V為注漿對象的土量(m3)；n為土孔隙率(%)；K為經(jīng)驗系數(shù)，砂礫石取0.9。

根據(jù)選定灌漿深度，灌漿量計算分灌漿區(qū)灌漿量和影響區(qū)灌漿量(包括灌漿影響深度1 m)。灌漿橫向影響寬度為灌漿孔外側(cè)1 m。

本次灌漿以將灌漿范圍內(nèi)砂礫石孔隙率控制在10%以內(nèi)為準(zhǔn)，根據(jù)砂礫石層孔隙率和施工檢測資料估算的換填層砂礫石孔隙率，經(jīng)計算總灌漿量為266 m3。灌漿過程控制采用控制灌漿，依據(jù)灌漿范圍、灌漿深度及灌漿孔布置，總灌漿量折算至灌漿孔每米灌漿量為0.73 m3，即初擬砂礫石灌漿以每米灌漿量0.73 m3為控制指標(biāo)。實際每米灌漿量可通過灌漿試驗進行復(fù)核調(diào)整。

(4)灌漿順序

考慮本次灌漿地基為砂礫石，灌漿方法采用套管灌漿法。施工工序是：套管護壁鉆孔→下入注漿管→起拔套管→安裝灌漿塞→灌漿→再次拔套管及灌漿管→安裝灌漿管→灌漿→重復(fù)上述工序，灌漿至止?jié){高度。

各道工序應(yīng)注意如下技術(shù)要點：套管護壁鉆進灌漿孔至設(shè)計深度，包括先打管后鉆進和先鉆進后打管的方法，以及使用擴孔鉆頭鉆孔套管跟進的方法，直至終孔。然后在套管內(nèi)下入下端帶有花管的灌漿管至孔底段，起拔套管至第一灌漿段段頂，安裝灌漿塞對第一段進行灌漿；之后再分別上提套管和灌漿管，自下而上的逐段灌漿。

由于拔管后容易塌孔，每個灌漿段不能太長，視地層的穩(wěn)定情況，一般為1～2 m。按渠道斷面橫向，應(yīng)先灌渠道邊墻外側(cè)，后灌邊墻內(nèi)側(cè)。

(5)灌漿結(jié)束條件與封孔

各孔段灌漿的結(jié)束條件應(yīng)根據(jù)地層情況以及灌漿孔所在的部位等由試驗確定，具體參照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》(SL 62—2014)執(zhí)行。

4.3.5 質(zhì)量檢查

本次砂礫石層灌漿的目的是提高換填砂礫石層可能存在的松動區(qū)和裂隙的密實度，灌漿后質(zhì)量檢查按照相關(guān)規(guī)范要求進行。

4.4 裂縫處理措施

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，渠道底部縱縫裂開的范圍為3+876～3+980段，局部段落裂縫發(fā)育導(dǎo)致止水帶被拉裂，因此必須對裂縫進行處理。底板縱橫縫處理措施：基礎(chǔ)灌漿處理完成后，對現(xiàn)狀開展的底板縱橫縫采用水泥砂漿灌縫。邊墻裂縫處理措施:對邊墻止水已破壞和兩邊墻錯縫超過1 cm的分縫設(shè)置表止水，表止水采用5 mm厚橡皮止水帶，通過膨脹螺栓固定于邊墻。

5 保證措施

(1)由于該填方渠道段變形原因復(fù)雜，通過變形特征結(jié)合地質(zhì)條件分析終究缺乏驗證，在此次維修加固完成后，建議在變形部位布置豎井及進行相關(guān)現(xiàn)場試驗，驗證該渠道發(fā)生變形破壞的原因。

(2)在該變形區(qū)段增設(shè)永久安全監(jiān)測設(shè)施，永久監(jiān)測類別主要為變形監(jiān)測，監(jiān)測項目為水平位移和垂直位移監(jiān)測。在后期運行過程中進行安全監(jiān)測能夠及時了解渠道變形是否進一步發(fā)展，具有科學(xué)評價和檢驗加固質(zhì)量、安全預(yù)報等職能。

(3)該填方渠道段在此次修復(fù)加固后應(yīng)引起足夠重視，在渠道通水或者遭遇較大降雨后，應(yīng)作為水工運行人員重點巡視和檢查對象，發(fā)現(xiàn)問題做好記錄并及時上報處理。

6 結(jié) 語

填方渠道發(fā)生沉降變形是渠道建成后普遍存在的一種現(xiàn)象，沉降變形會大大降低渠道的抗?jié)B能力，并嚴(yán)重影響渠道的使用功能。本案中，此段渠道剛好位于一處村莊上方，幸好此時渠道還未通水，如在渠道通水情況下，后果將不堪設(shè)想。新疆北部冬季漫長，積雪厚度較深，一般到來年4月是專門人員操作。

(4)供水可靠性高。在水源供水中斷情況下，儲存凈水滿足設(shè)備用水需求，確保連續(xù)供水。

(5)運行可靠。本創(chuàng)造發(fā)明采用機械自動排污，運行可靠性高。

(6)具有預(yù)警功能。極端情況導(dǎo)致供水中斷，裝置可提前預(yù)警，預(yù)留出足夠時間進行處理。

(7)性價比高。優(yōu)化后水過濾裝置結(jié)構(gòu)科學(xué)，制作安裝成本很低，不存在易損件，各部件牢固耐用，尤其適用于小型水電站。

(8)具有二次砂石沉淀功能。砂石在經(jīng)過過濾罐過濾后，進入沉沙池，進行二次沉淀，確保水質(zhì)更加純凈。

(9)機械自動清洗。濾網(wǎng)堵塞后，自動打開排沙管，進行排污。

(10)砂石、樹枝排污渠道分離，互不影響。

(11)智能化程度高。預(yù)警信號可以直接與管理人員手機中斷鏈接，便于第一時間掌握現(xiàn)場情況。

7 結(jié) 語

該系統(tǒng)自2015年投運以來，先后經(jīng)歷了3個主汛期，沒有因為技術(shù)供水中斷導(dǎo)致機組被迫停機，大大提高了技術(shù)供水系統(tǒng)運行可靠性。經(jīng)向周邊電廠推廣使用，技術(shù)供水連續(xù)性、安全性均大大提高。