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        基于復(fù)雜地質(zhì)條件下的水庫(kù)壩基帷幕灌漿施工問(wèn)題分析

        2022-10-13 01:07:00徐力澤
        黑龍江水利科技 2022年9期
        關(guān)鍵詞:孔段河床壩基

        徐力澤

        (新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,烏魯木齊 830091)

        某水庫(kù)的主壩屬于均質(zhì)土壩,壩頂寬約6m,壩體長(zhǎng)度為441m,。高為40m。水庫(kù)總?cè)萘繛?.96億m3,由于建設(shè)年代較為久遠(yuǎn),受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件,填筑壩體之前未做好壩基清理工作,河床、壩肩等處出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的滲漏問(wèn)題,因而需要采取壩基帷幕灌漿施工技術(shù)針對(duì)此水庫(kù)的壩基實(shí)施加固。原有的帷幕灌漿設(shè)計(jì)是在壩頂中心線兩側(cè)分別設(shè)置一排灌漿孔,兩排之間留有1.5m的距離。河床段及巖坡段的孔距分別設(shè)置為3m與4m,共鉆進(jìn)孔子洞為188個(gè),鉆孔進(jìn)尺總量為7487m,灌漿段的總長(zhǎng)度為3164m。

        1 水庫(kù)地質(zhì)條件分析

        1.1 地貌特征

        本水庫(kù)的建設(shè)地為低山丘陵區(qū),為構(gòu)造剝蝕侵蝕地貌。山體結(jié)構(gòu)為下古生界碎屑巖與泥質(zhì)巖組合而成,在長(zhǎng)年的剝蝕侵蝕影響下,形成了較厚的風(fēng)化殼。河床鉆孔時(shí)遇到了厚度為3m的沖擊卵礫石層,河床段屬于二級(jí)侵蝕堆積階地。此水庫(kù)處于多個(gè)構(gòu)造帶復(fù)合區(qū)域,新華夏系是其主要控制構(gòu)造帶。水壩右肩上游存在三條小斷層,破碎區(qū)域最窄處為5cm,最寬處為30cm,斷層結(jié)構(gòu)成分為糜棱巖與石英脈相摻雜。

        1.2 基巖及透水層情況

        本水庫(kù)壩址基巖為古老淺變質(zhì)巖,是在長(zhǎng)時(shí)間地質(zhì)剝蝕與侵蝕下形成的,在高強(qiáng)度風(fēng)化作用影響下形成了程度不一的風(fēng)化帶。整個(gè)風(fēng)化帶巖體均為散體結(jié)構(gòu),主要成分是土與巖塊。全區(qū)均有強(qiáng)風(fēng)化帶分布,為碎裂結(jié)構(gòu)型巖體。全區(qū)各處均有弱風(fēng)化帶,為強(qiáng)度較低的層狀結(jié)構(gòu)。壩基透水層主要是強(qiáng)弱風(fēng)化帶及河床砂卵礫石,透水層分布具有連續(xù)性特征,最薄處為10m,最厚處不超過(guò)30m。滲透系數(shù)最低值為1×10-4,最高值為1×10-2。透水率介于10Lu與100Lu之間。

        2 復(fù)雜地質(zhì)條件下水庫(kù)壩基帷幕灌漿施工問(wèn)題分析

        由于本水庫(kù)壩基加固工程位于地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜的區(qū)域,需要重點(diǎn)解決的施工問(wèn)題主要有2個(gè)方面:①灌漿參數(shù)選擇困難。由于壩基透水層的滲透系數(shù)較高,需要在應(yīng)用適合灌漿材料的基礎(chǔ)上,選擇適合的灌漿參數(shù),從而有效降低水庫(kù)壩基的滲透系數(shù),消除河床與壩肩滲漏問(wèn)題。但受到工程地質(zhì)條件的影響,灌漿參數(shù)確定面臨較大難度[1]。②原有帷幕設(shè)計(jì)中布孔方式存在問(wèn)題,河床段與巖坡段孔距過(guò)大,并且對(duì)漏水孔段或透水率較高孔洞鉆孔時(shí)較為困難。針對(duì)這些問(wèn)題,本工程實(shí)施中進(jìn)行了三次灌漿試驗(yàn),結(jié)合三次試驗(yàn)的結(jié)果得出了最為適合的灌漿施工參數(shù)及最佳的施工工藝及布孔方式,以此保證復(fù)雜地質(zhì)條件下水庫(kù)壩基帷幕灌漿施工的質(zhì)量。

        3 基于復(fù)雜地質(zhì)條件的水庫(kù)壩基帷幕灌漿施工問(wèn)題解決方法

        3.1 優(yōu)選灌漿參數(shù)選擇

        本水庫(kù)壩基帷幕灌漿施工中所選用的灌漿材料為32.5型普通硅酸鹽水泥,以純水泥漿液灌注,并在其中添加適量偏硅酸鈉水溶液作為添加劑。為確定最佳的灌漿參數(shù),本工程展開(kāi)了三次帷幕灌漿試驗(yàn)。

        3.1.1 首次帷幕灌漿試驗(yàn)

        3.1.1.1 孔位布置

        第一次帷幕灌漿試驗(yàn)時(shí),上排孔位設(shè)置于靠近壩頂上游邊線2.25m處,間隔1.5m布設(shè)下排孔,上下兩排各設(shè)置5個(gè)孔,交錯(cuò)分布。

        3.1.1.2 鉆孔施工

        針對(duì)土層區(qū)域,選用直徑為11cm硬質(zhì)合金鉆頭泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)法,將厚度低于8.9cm的鋼管埋設(shè)于巖面之上,按照水灰比為0.6∶1配置泥漿,灌注于鋼管背側(cè)及土體之間,預(yù)留2日凝固時(shí)間而后實(shí)施巖石鉆孔。利用5.9cm的金剛石鉆頭雙管單動(dòng)鉆具作為基巖處鉆進(jìn)工具,并取芯描述。

        3.1.1.3 巖石裂隙沖洗及注水、壓水試驗(yàn)

        沖洗巖石裂隙時(shí)采用壓力水沖洗法,以灌漿壓力的80%作為沖洗壓力值,無(wú)需沖洗卵礫石層,直接實(shí)施注水試驗(yàn)。巖層處采用單點(diǎn)法壓水試驗(yàn),試驗(yàn)水壓應(yīng)設(shè)定為0.3MPa。

        3.1.1.4 灌漿試驗(yàn)

        灌漿時(shí)采用由上至下的孔口封閉法,采取循環(huán)注漿模式,射漿管與孔底之間應(yīng)留有0.5m的距離。應(yīng)分段注漿,卵礫石層段、巖層接觸段的注漿長(zhǎng)度分別設(shè)定為1m與2m,其余注漿段均為5m長(zhǎng)度。

        3.1.1.5 施工問(wèn)題分析

        首次灌漿參數(shù)試驗(yàn)中,土層鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)了多次黏土漿滲漏問(wèn)題,巖層部分孔段鉆孔時(shí)未出現(xiàn)返水現(xiàn)象。采取巖芯時(shí)發(fā)生了破碎,采取率最低為14%,最高為80%。一些孔巖層中存在厚度0.2~4.36m不等的夾泥層,沖洗巖層裂隙時(shí)部分灌段不起壓或未出現(xiàn)返水現(xiàn)象。灌漿時(shí)最高耗灰量高達(dá)了10.1t/s。灌漿施工時(shí)綜合應(yīng)用了低壓控制、限定流量或間歇灌漿等措施,但孔段均需復(fù)灌3~4次左右。

        3.1.1.6 試驗(yàn)成果分析

        運(yùn)用注水試驗(yàn)法對(duì)孔卵石層進(jìn)行注水試驗(yàn),巖層則采取五點(diǎn)法分段壓水試驗(yàn),得到的透水率結(jié)果介于2.23Lu與66.96Lu之間,與規(guī)定要求的低于5Lu要求不相符。

        3.1.2 二次灌漿試驗(yàn)

        3.1.2.1 試驗(yàn)方法

        本次灌漿試驗(yàn)時(shí),分別提高了各個(gè)試驗(yàn)施工段的灌漿壓力,與首次灌漿試驗(yàn)相比,壓力值提高了0.1MPa。且采取孔口封閉分段灌注方法,在灌漿吸漿量較低時(shí),增大稀漿灌注量,以使之在短時(shí)間內(nèi)快速達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值。灌漿后卵礫石層及接觸段的凝固時(shí)間分別設(shè)定為8h與24h以上。同時(shí),各段均需檢測(cè)地下水位并實(shí)施注水試驗(yàn)。利用五點(diǎn)法針對(duì)下栓塞展開(kāi)壓水試驗(yàn),并計(jì)算其透水率[2]。

        3.1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

        兩個(gè)試驗(yàn)段分別設(shè)置2個(gè)檢查孔,經(jīng)檢測(cè),河床段檢查孔的透水率控制在5Lu之下,達(dá)到了設(shè)計(jì)透水率要求。卵石層低于2.59×10-4cm/s接觸段的孔段均達(dá)到了試驗(yàn)要求。檢查共設(shè)置了20段檢查孔,具體檢查成果如表1所示。

        表1 二次灌漿試驗(yàn)檢查成果分析

        3.1.3 第三次灌漿試驗(yàn)

        雖然二次試驗(yàn)中河床段的透水率要求已達(dá)標(biāo),然而岸坡段灌漿效果并不夠理想,因而通過(guò)第三次試驗(yàn)進(jìn)一步調(diào)整參數(shù),并強(qiáng)化過(guò)程控制力度。

        3.1.3.1 參數(shù)調(diào)整

        本次以水氣輪換方式替代壓力水進(jìn)行巖石裂隙的沖洗,水壓仍然設(shè)定為灌漿壓力的80%,氣壓控制在0.3MPa以下(詳見(jiàn)表2)。對(duì)砂卵石層與接觸段的灌漿壓力進(jìn)行分別調(diào)整。灌漿時(shí)在保持壩體不變形的基礎(chǔ)上盡可能增大灌漿壓力,以快速達(dá)到試驗(yàn)壓力。

        表2 三次試驗(yàn)沖洗及灌漿壓力參數(shù)

        3.1.3.2 灌漿工藝調(diào)整

        按照灌漿壓水試驗(yàn)確定灌漿水灰比,以循環(huán)式灌注方法實(shí)施灌漿,水灰比設(shè)定為按照5∶1或3∶1。吸漿量較高孔段采純壓灌注法復(fù)灌,且在其中加入適量的偏硅酸納水溶液。吸漿量較少區(qū)域增大稀漿灌注量,同一比級(jí)的漿液灌注量超過(guò)500L之后,如果壓力未發(fā)生變化,或吸漿率變化不明顯,以濃度高一等級(jí)的漿液灌注。若灌注漿液變濃后吸漿量減少或是不吸漿,應(yīng)調(diào)回原有漿液等級(jí)。同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)水泥用量控制,各灌漿段耗灰量應(yīng)介于1~1.5t之間。除接觸段凝固時(shí)間設(shè)置為24h外,其余灌漿段均設(shè)定為8h。

        3.1.4 試驗(yàn)成果分析

        本次試驗(yàn)設(shè)置了10段檢查孔設(shè)置,各個(gè)檢孔段設(shè)2個(gè)檢查孔,全部利用五點(diǎn)法進(jìn)行壓水試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)定,僅有一段透水率為6.19Lu,未達(dá)到透水率要求,另外9段的透水率均<5Lu,合格率高達(dá)90%。第三次試驗(yàn)的灌漿參數(shù)應(yīng)作為最佳施工參數(shù)。

        3.2 合理布孔、調(diào)整灌漿施工工藝

        3.2.1 布孔調(diào)整

        經(jīng)試驗(yàn)分析得知,原先設(shè)計(jì)的布孔方式并不合理,因而將設(shè)計(jì)中上游排孔取消,只保留下游一排孔,并將岸坡段與河床段的孔距分別調(diào)整為1.33m與1.5m。

        3.2.2 施工工藝優(yōu)化

        本工程壩基帷幕灌漿施工時(shí),采用水氣輪換方法對(duì)巖石裂隙做沖洗處理,氣壓值應(yīng)設(shè)定為0.3MPa,各次灌漿水泥量設(shè)定為75~150kg/m之間,凝固后再逐一復(fù)灌。針對(duì)透水率較大或鉆孔時(shí)出現(xiàn)漏水現(xiàn)象的孔段,以孔口注漿法灌注,或減少注漿量,再利用孔口封閉循環(huán)法掃孔復(fù)灌。針對(duì)吸漿量較大、難以起壓的灌漿孔,應(yīng)控制灌漿流量、降低灌漿壓力,或采取間歇式灌漿法,并需加入適量的偏硅酸鈉水溶液。終孔段透水率高于5Lu的孔段需提高灌段深度。

        3.3 復(fù)雜地質(zhì)水庫(kù)壩基帷幕灌漿施工問(wèn)題解決成效檢查

        通過(guò)檢查灌漿效果發(fā)現(xiàn),本工程各序孔的平均耗灰量分別為452.4kg/m、406.04kg/m、253.62kg/m,本工程帷幕灌漿與水泥漿液灌注規(guī)律相符。同時(shí),各個(gè)單元灌漿14日后,從灌漿孔中選取10%做效果檢查,分別對(duì)卵礫石層及巖石層展開(kāi)注水試驗(yàn)及五點(diǎn)法分段壓水試驗(yàn),得出礫卵石層的滲透系數(shù)未超過(guò)10-4cm/s,且?guī)r層透水率也控制在5Lu以下。在本工程24單元中設(shè)置了26個(gè)檢查孔,所有檢查結(jié)果均與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相符。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        由于本工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜,為解決帷幕灌漿施工參數(shù)難確定的問(wèn)題,展開(kāi)了三次灌漿試驗(yàn),通過(guò)結(jié)果對(duì)比與參數(shù)調(diào)整得出了最優(yōu)的帷幕灌漿施工參數(shù)。同時(shí)復(fù)雜地質(zhì)條件下,應(yīng)在保證施工規(guī)范性的基礎(chǔ)上采取可行性的施工措施,降低施工難度,保證施工質(zhì)量。文章采用限量法控制灌漿量,并調(diào)整了凝固時(shí)間、添加了相應(yīng)的加速凝劑,以此降低復(fù)灌次數(shù),實(shí)現(xiàn)了施工速度的提升,且?guī)r石裂隙方面以水氣輪換沖洗法替代水壓力沖洗法,為水庫(kù)壩基帷幕灌漿施工質(zhì)量的提升提供了保障[3]。

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