高喷搭接水泥土防渗墙在水库除险加固中的应用_盛奇.pdf

第 58 卷 第 9 期2022 年 9 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.9Sep.，2022DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.09.013收稿日期：2022-06-20作者简介：盛 奇（1966-），男，甘肃高台人，高级工程师，主要从事水利工程建设与管理，E-mail：。高喷搭接水泥土防渗墙在水库除险加固中的应用盛奇，赵建祖（高台县水务局，甘肃 高台 734300）摘要：小海子水库除险加固工程施工过程中出现了防渗墙深度达不到设计要求的情况，根据补充工程地质勘察和现场原位试验资料，结合施工设备、施工工艺和施工试验结果，在经过大量市场调研和研究同类型施工经验的基础上，确定采用三轴搅拌桩搭接高压喷射灌浆防渗墙的组合形式来完成防渗墙的施工任务。能够有效地解决复杂地质条件下施工难题，经过第三方对施工质量的检测，检测结果为施工质量可靠、防渗效果良好，达到了设计要求。在水库试运行期间，建设管理单位在日常巡查和检查中未发现异常情况，通过对在坝顶、坝坡及外坡脚安装的智能渗压和渗流监测设备采集的数据分析，各项指标均在设计允许范围之内，防渗墙整体上截断或延长了坝基地下水的渗径，对大坝安全稳定起到了决定性的作用。关键词：水库除险；加固工程；防渗墙；施工工艺；小海子水库中图分类号：TV543+.8文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）09-0055-041前言小海子水库位于甘肃省张掖市高台县南华镇小海子村，地理坐标：东经995306995709、北纬391803391651。水库始建于1958年，从三清渠引黑河水入库调蓄，后于1984、1987、1990和2002年进行了4次加固加高及新建下库堤坝工程，形成了现在上库、中库和下库3个库，水库总库容1 048.1万m3，中库和下库设计正常蓄水位1 368.1 m，水库水域面积5.4 km2。工程的主要任务是灌溉友联大灌区的南华、骆驼城、巷道、宣化和黑泉5个乡（镇）的48个行政村、3个国营农场共10万亩农田及林草地。水库下库于2007年4月19日在北坝桩号2+681.02+722.5 m段发生决口，决口沿坝轴线长41.5 m，垂直坝轴线方向长度89.0 m。决口发生后，根据水利部事故调查组 关于甘肃省高台县小海子水库溃口事故的调查报告 的结论，对决口及相关地段进行了地形图测绘和钻探、坑探、取样试验等补充勘察工作，进一步查明了溃坝原因，并在2009年对溃口坝段进行了除险加固，但在水库试运行过程中，仍然存在部分坝段靠下游坝坡有明显的逸水点和散浸现象。为避免库坝决口事件的再次发生和保障水库正常发挥应有的功效，经黄河水利委员会审查批复，对水库薄弱坝段进行除险加固。结合施工全过程，对施工方案、工艺、试验及检测等内容进行了研究和总结，重点介绍了下库北坝段深层搅拌结合高喷加固坝体及坝基水泥土防渗墙的施工工艺以及取得的效果。2深层搅拌水泥土防渗墙施工2.1施工方案下库北坝（桩号0+0004+803段）长4 803 m，坝顶宽度5.00m，坝顶高程1370.80m，最大坝高8.67m，上游坝坡为1 2.25，下游坝坡为1 2.00，坝体为壤土填筑均质坝，该段是本次加固处理的重点部位。为彻底解决坝体、坝基存在的缺陷，根据坝体、坝基的实际情况和地质条件，应该严格控制坝体、坝端的渗透比降或渗透流速小于其允许值，也就是说需要尽快释放渗透压力，防止渗透变形破坏，增强坝体边坡的稳定性。在初步设计阶段，对小海子水库下库北坝桩号0+0004+803段坝体、坝基防渗处理进行了多方案比较。根据小海子水库的自身条件，从适用条件、防渗效果和施工条件及工程投资等方面进行综合比选，认为采用深层搅拌地下连续防渗墙55防渗的方案，投资最合理，施工技术成熟，能够满足工程除险加固的要求1-2。深层搅拌水泥土防渗墙布置在大坝坝顶轴线上，距坝顶上游边缘距离不小于2.5 m，防渗墙墙顶高程为1 369.2 m。鉴于各坝段坝基黏土层的厚度不同，按照渗流计算结果进行分段确定。在桩号0+0001+200段，防渗墙自坝底起深入到黏土层顶面以下2.0 m；在桩号1+2004+803段，采取高喷墙自坝底起深入到未扰动的粉细砂层以下2.0 m，以使接触冲刷渗透坡降满足要求。2.2施工工艺试验及设备选型北坝坝体、坝基深层搅拌地下连续防渗墙施工分两个标段进行，第1标段为下库北坝桩号0+0002+630段，第2标段为桩号2+6304+803段。按照设计要求，施工设备为三轴搅拌桩机，首先选择具有代表性的地段进行深层搅拌水泥土防渗墙施工工艺试验，通过现场开挖检查及取样试验检测后，确定相关的施工参数3。根据批复的设计方案，结合施工工期要求，第1标段由2台三轴搅拌桩机同时进行施工，施工进展比较顺利，按设计要求和工期完成了施工任务。第2标段下库北坝桩号2+6304+803段坝体、坝基深层搅拌地下连续防渗墙也是由2台三轴搅拌桩机同时施工，分别从桩号2+646.41和4+759.00处相向施工。但在施工过程中，出现了深度达不到设计要求的情况。第 2 标段 2 台三轴搅拌桩机共进行深层搅拌地下连续防渗墙施工 693.55 m（桩号 2+646.412+892.15 段和 4+310.284+758.09 段）。其中，防渗墙深度达到设计要求的长度为 498.68 m（桩号2+648.232+788.37段和4+399.554+758.09段）；防渗墙深度未达到设计要求的长度为157.43 m（桩号2+646.412+648.23段、2+788.372+873.91段和4+329.484+399.55段），成墙深度比设计深度减少了 1.003.67 m。对施工试验结果进行分析研究，认为主要是由于电机功率不够大，造成桩机的下沉力不能打穿坝基土层。对此，调整了施工工艺，采用二轴搅拌桩机进行施工，施工长度37.44 m（桩 号2+873.91 2+892.15段 和4+310.28 4+329.48段），防渗墙的深度基本达到设计要求。再继续钻进施工其他坝段时，又出现了防渗墙深度达不到设计要求的情况，故及时停工查找原因。根据二轴搅拌桩机和三轴搅拌桩机施工试验结果分析认为，二轴搅拌桩机较三轴搅拌桩机的钻进深度要大一些，但仍不能确保水泥土搅拌防渗墙深度达到设计要求的深度。理论上，通过加大单根搅拌轴的下沉力和电机功率来增加钻进深度是可行的，因此，决定使用单轴搅拌桩机进行现场施工试验。通过咨询和市场调查，单轴搅拌桩机电机最大功率为55 kW。由施工单位及时调用55 kW单轴搅拌桩机进场施工试验，选择在桩号2+8933+190段后坝肩进行钻孔施工试验。共布设了 7 个钻孔，桩号分别为2+893、2+895、2+915、2+930、2+960、3+160和3+190。现场试验结果表明，7个钻孔的深度均能满足设计要求，但每孔单轴搅拌桩施工的时长在1.51.8 h，施工效率较低，严重影响正常的施工工期。鉴于上述情况，设计单位对第2标段进行了补充工程地质勘察工作。根据钻孔取样分析试验资料可知，坝体壤土结构相对较密实，钻孔中可以提取出一定长度的完整岩芯，且具有一定的强度和硬度，说明坝体碾压质量良好。钻孔揭露，坝基部分在不同深度内，砂层和淤泥质黏土层具有不同程度的胶结，厚度不一，分布连续。砂层和淤泥质黏土层表现出不同的硬度和密实度，在横向和竖向上均表现出了胶结程度的各向异性。根据补充地质勘察中钻孔编录和现场原位试验资料，结合施工设备、施工工艺，分析认为：在标准贯入锤击数小于15击时，适宜三轴搅拌桩机施工，当标准贯入锤击数大于15击时，不适合三轴搅拌桩机施工。为此，在经过大量市场调研和借鉴同类工程施工经验的基础上，进行了设计方案的变更，确定采用三轴搅拌桩搭接高压喷射灌浆防渗墙的组合形式来完成剩余部分防渗墙的施工。3深层搅拌水泥土与高喷防渗墙搭接施工深层搅拌水泥土防渗墙与高压摆喷、旋喷防渗墙搭接施工方法，主要用于已经开始施工，但防渗墙的深度达不到设计要求深度的坝段以及经地质勘察认为三轴搅拌桩机钻进困难的坝段。3.1防渗墙搭接试验为了保证深层搅拌水泥土防渗墙与高压喷射2022年第9期甘肃水利水电技术第58卷56灌浆防渗墙搭接质量，按照相关技术规范的要求，对于重要的、地层结构复杂的以及深度较大的高压喷射混凝土灌浆施工前，应选择具有代表性的地层进行高压喷射灌浆现场试验，通过现场试验进一步论证设计方案的可行性和适用性以及灌浆质量能否满足设计防渗要求4。为此，通过对施工现场实际情况和坝体钻孔揭露的地质条件进行分析，选择了在桩号3+597.803+611.45段，平行于坝轴线的坝体上游偏移 6.30 m 的位置，进行了搭接施工试验。通过现场试验，确定高压喷射灌浆形成的有效桩径、施工参数（水压、水量、气压、气量、浆压、浆量、喷管提升速度及旋摆速度等）、浆液性能、孔间距以及墙体防渗性能等，为后续施工提供合理的技术参数和施工工艺参数。为了全面检查喷射混凝土浆液形成的固结体质量，反映高喷墙搭接的整体质量，在试验段高喷灌浆施工结束14 d后5，现场采取了大开挖的方式进行取样，并测量成墙厚度、搭接宽度等技术数据，来检查高喷墙固结体的整体性及均匀性。同时，将芯样送权威试验室进行固结体的渗透性及物理力学试验。通过查阅试验过程记录、各项参数记录、整体效果分析等措施检查评价高压喷射灌浆质量，从而确定施工参数。3.2搭接施工控制3.2.1 搭接方案对于已经施工但防渗墙的深度未达到设计要求 的 坝 段，桩 号 2+646.412+648.23 段 和 2+788.372+873.91段，合计长度 87.36 m，施工将采用高压灌浆摆喷、旋喷防渗墙与原有防渗墙进行搭接处理。根据补充工程地质勘察资料，对未施工的 2+892.153+900.00段，长度1 007.85 m，首先采用三轴搅拌桩机进行深层防渗墙施工，当三轴搅拌桩机搅拌至坝基黏土层与粉细砂层胶结良好的深度，搅拌头不能继续下沉时停止搅拌施工，及时记录搅拌防渗墙墙底的高程，然后继续进行下一仓搅拌防渗墙施工。等待搅拌桩防渗墙达到龄期要求凝固后，再进行高压灌浆摆喷、旋喷防渗墙与原搅拌防渗墙搭接的施工工序。3.2.2 高喷搭接布置及参数高压摆喷防渗墙施工采用三管喷射法，摆喷位置在深层搅拌桩防渗墙轴线上游0.3 m处，设计为单排布孔，孔距1.2 m，摆角40。设计要求为：高喷灌浆所形成的防渗墙厚度不小于20.0 cm；防渗墙钻孔为垂直孔，偏斜应小于0.3%；实际高喷灌浆孔位与设计孔位的偏差应小于5.0 cm；根据试验数据，结合其他工程的施工经验，确定细砂层的提升速度为8.0cm/min，黏土层的提升速度为12.0cm/min；高喷灌浆的水压力为38.0 MPa，流量为80.0 L/min，空气压力为0.6 MPa，风量为0.81.2 m3/min，水泥浆压力为0.81.2 MPa,流量为60.0 L/min，水泥浆比重控制在1.51.6 g/cm3；高压喷射注浆的水泥采用中抗硫酸盐硅酸盐水泥，水泥 强 度 等 级 为P.MSR42.5，水泥浆由制浆机搅拌而成，水灰比1.01.5，搅拌时间不小于 2.0 min；旋喷桩半径0.5 m，旋转速度为8.0 r/min。3.2.3 施工方法为保证搅拌水泥土连续防渗墙与高喷防渗墙紧密搭接，先进行摆喷，然后利用摆喷墙钻孔，在摆喷墙与深层搅拌水泥土防渗墙搭接的0.51.5 m范围内再进行二次旋喷。高压摆喷灌浆在钻孔施工完成并经检验合格后进行，钻孔深度严格按照深层搅拌桩防渗墙设计墙底高程来控制，灌浆深度为深层搅拌水泥土防渗墙底高程以上0.51.5 m至设计防渗墙底高程范围内。施工过程采用二序法，先进行序孔摆喷，再进行序孔摆喷，相邻两个孔施工间隔时间要大于24h。高压旋喷施工时利用高压摆喷钻孔进行，搭接长度为深层搅拌水泥土防渗墙底高程以上0.51.5 m范围内，即在高压摆喷灌浆达到设计顶高程后，连续在深层搅拌水泥土防