壩面帷幕灌漿技術在竹銀水庫主壩壩基處理中的應用

曾凡杜

(中國水利水電第八工程局有限公司,湖南 長沙 410007)

我國現行壩基灌漿處理規范[1-2]主要是針對混凝土壩、漿砌石壩及土壩壩體填筑前的基礎處理,大量的施工實踐證明:參照現行規范實施的基礎灌漿處理是可行的、有效的。在土石壩施工中先行填筑壩體、后在填筑壩面上進行基礎處理的事例鮮有報道,類似的施工工藝僅見于文獻[3-4]。而在南方進行土石壩施工時,通常面對基坑基礎處理、壩體填筑、安全度汛三者相互制約的難題,于是出現了基坑開挖完成后先將壩體填筑(或防滲體填筑)到度汛高程再在填筑壩面上進行基礎處理的施工工藝。筆者針對南方多雨地區土壩的施工特點,提出了在已填筑壩面采用“埋設孔口管(穿越已填土層)、土巖接觸段先行單獨處理、孔口封閉法孔內循環灌漿”的一整套施工方法,既解決了壩體填筑與基礎處理的矛盾,又使工程得以安全度汛,工期得到了保證,可供類似工程參考。

1 工程概況

竹銀水源工程位于珠海市斗門區白蕉鎮灣村,主要建筑物包括新建竹銀水庫、2條輸水隧洞、1個提水泵站及管線,以及擴建月坑水庫。竹銀水庫由 1座主壩、2座副壩、溢洪道及壩下涵管等組成。主壩長 556.5m,最大壩高為66m;1號副壩長435m,最大壩高約56m;2號副壩長210m,最大壩高為48m。3座壩之間山體相隔,壩頂高程均為51.6m。壩頂設有防浪墻,防浪墻頂高程為52.8m。3座壩均為土石分區壩,工程等級為Ⅱ級。竹銀水庫主壩標準剖面見圖1。

竹銀水源工程的主要任務是解決澳門和珠海東區(主城區)在枯水期珠江咸潮上溯期的應急供水問題。工程建成后通過泵站抽水,竹銀水庫汛期抽取淡水存蓄,與珠海現有的供水系統相結合向澳門、珠海東區(主城區)和珠海西區水廠供水。

圖1 竹銀水庫主壩標準剖面(高程單位:m,尺寸單位:mm)

2 主壩壩址區工程地質條件及主要地質問題

壩址兩側為丘陵山地,左側山頂高程為89.3m,右側山頂高程為153.0m,大壩位于河谷部位,谷底地面平坦。根據地表觀察及鉆孔揭露,壩址區出露的地層主要有寒武系八群組,侏羅系中上統百足山群下亞群和第四系松散堆積層,以砂巖及含礫石砂巖為主,斷層很少,僅在左壩肩下游側有一小型構造,屬壓扭型斷層,走向約北東 30°,傾向東南,傾角較陡,約75°。壩址區分布的主要巖類為第四系松散巖類和侏羅系碎屑巖類,由于兩巖類地下水儲存條件不同,形成第四系孔隙含水層和基巖裂隙含水層。壩基覆蓋層為第四系孔隙含水層,地表上部粉質黏土、淤泥質土滲透系數一般均小于1×10-5cm/s,屬弱、微透水層;砂土層為強～中透水層,局部形成承壓水。基巖裂隙含水層分布于第四系覆蓋層之下,侏羅系中上統百足山群下亞群的碎屑巖體裂隙及斷裂帶透水性主要取決于裂隙、斷裂發育程度及其相互連通情況。

壩址區主要工程地質問題是壩基存在厚度為4.25～14.3m的軟土層,其含水量高、壓縮性大、抗剪強度低、承載力低,存在壓縮變形、抗滑穩定及地震沉陷等問題,其下的淤泥質粉細砂層亦存在震動液化問題。壩基的基巖風化層滲透性多為中透水,存在滲透穩定問題。在長期有壓滲流的作用下,有可能導致壩基集中滲漏加大,產生滲透破壞,危及壩體安全[5-8]。

3 壩基處理方案

3.1 設計處理方案

根據壩基存在的主要工程地質問題,首先考慮將淤泥質土及含泥中細砂層全部挖除;其次對全風化層以下中透水層進行帷幕灌漿處理,以基巖透水率q≤3 Lu下 2～3m作為下限,灌漿深度 9.5～45.10m,灌漿帷幕平均深約30m。沿壩基帷幕灌漿軸線開挖灌漿齒槽,齒槽底寬 6.0m,開挖坡比1∶1,以全風化下限作為開挖灌漿齒槽底線。

3.2 工期安排

珠海地區每年 4月下旬至 9月底為雨季,雨季中太平洋及南海生成的熱帶氣旋帶來大量水汽,形成強風暴雨,5—6月雨量較大,占全年總雨量的30%以上,對土壩施工非常不利,特別是主壩基坑最大開挖深度達-14.5m,需要在主汛來臨之前將壩體(防滲區)填出水面,防止基坑被暴雨淹沒。

主壩基坑計劃于2008年12月25日開始開挖,第2年2月12日開挖完成;基坑開挖完成后進行壓漿板混凝土澆筑(上下游壩體開始填筑施工),安排固結灌漿、帷幕灌漿施工,基坑部位帷幕灌漿基礎處理于第2年5月13日完成;第2年5月底,壩體全斷面填筑至5.0m高程。

3.3 實際施工進展情況

由于前期移民征地等原因,主壩于2009年10月15日才開始開挖施工,期間因基坑淤泥深厚開挖困難,導致開挖方案屢次調整,直至 2010年 3月13日主壩基坑淤泥及中細砂層才基本開挖完成。還需要完成基坑灌漿齒槽開挖、混凝土壓漿板、固結灌漿、帷幕灌漿等工作,至少需要50d以上才能開始基坑填筑施工,此時距汛期僅剩余不到40d,按正常程序填筑施工主壩將無法達到度汛目標高程,基坑面臨被暴雨淹沒的危險。

3.4 壩基處理調整方案

為確保工程度汛安全,參建各方經充分討論,提出如下方案:取消壩基部位灌漿齒槽開挖、混凝土壓漿板及固結灌漿;基坑清基達到設計要求后即進行防滲體填筑,力爭在主汛前防滲體填出地面高程,以免被洪水淹沒。壩基帷幕灌漿在防滲體地面以上的壩面上進行,灌漿期間同時進行兩側壩體填筑。調整后的壩基處理斷面見圖2。

4 壩基帷幕灌漿施工

根據土壩壩基基礎處理“上截下排”的原則,為確保大壩安全和水庫正常運行,對壩基透水地層進行全面帷幕灌漿防滲處理,從壩體至接觸面、基礎形成完整的立體防滲體系,壩體與壩基接觸面灌漿施工效果是防滲體系成敗的關鍵[9]。

圖2 調整后的竹銀水庫主壩壩基處理斷面(高程單位:m,尺寸單位:mm)

4.1 幕體布置

防滲灌漿布置的原則為:通過帷幕灌漿使土壩防滲體與基礎連接成整體,并與兩岸有壓漿板及固結灌漿的岸坡帷幕灌漿形成壩基統一防滲軸線。相應的壩基防滲軸線長度為319.5 m,防滲面積為13682.33m2,防滲灌漿鉆孔總進尺為8563.52m,基巖灌漿進尺為6850m。

4.2 施工工藝及主要技術參數

為達到設計的幕體防滲效果,灌漿鉆孔必須穿越最大深度達18m的已填防滲壩體及壩下的強風化土層,帷幕灌漿大部分處于強風化層;穿越壩體鉆孔、灌漿對施工工藝要求非常高,如施工工藝不當則不僅影響灌漿質量,且影響壩體質量。灌漿土層鉆孔易塌孔,如何使接觸段灌漿達到預期防滲幕體完整結合的效果及確定合理的施工參數是施工前必須解決的3個難題。通過施工前進行專項論證及現場工藝性試驗確定主要施工工藝及技術參數。

針對已填防滲體土層鉆孔易塌孔的問題,考慮了埋設孔口管、加PVC保護管、土層鉆孔水泥漿護壁等施工方法,通過方案比較并結合類似地層施工經驗發現,埋設孔口管可以最大程度地減少灌漿對壩體的擾動、確保鉆孔精度及提高灌漿效率。最后采用?120mm埋設孔口管穿越已填土層,深入基巖2m(接觸段)解決了土層鉆孔易塌孔的難題。這2m接觸段是壩基立體防滲體系的紐帶,按分序加密的原則對接觸段重點灌漿,以每孔有效的漿液擴散范圍做到孔孔相連,水平方向接觸段通過漿液擴散也達到了基面的整體性,接觸段灌漿對以下各段灌漿形成了一個壓重,壓重可提高以下各段的灌漿壓力并避免漿液劈裂已填土體。接觸段Ⅲ序全部施工完成后,采用孔口封閉法分序對接觸段以下各段自上而下分段灌漿,上段灌漿結束后不待凝立即進行下段鉆灌,反復灌注,使各灌漿段形成密實防滲幕體[10-11]。

通過現場工藝性試驗,確定主要施工參數如下:①灌漿孔排距:根據工程地質條件,考慮布置單排孔,孔距2.0m。②灌漿深度:根據基巖的透水性、庫水位及基巖風化破碎程度,灌漿深度為深入相對不透水層頂板線以下3～5m。③灌漿壓力:以灌漿壓力不小于1.5倍水頭為原則。為確保已填土體質量及灌漿效果,第1段(2m接觸段)第Ⅰ序、第Ⅱ序灌漿壓力為0.2～0.25MPa,第Ⅲ序為0.3MPa;第2段(3m)及以下各段每增加1m孔深,灌漿壓力增加0.02MPa。

4.3 施工程序

先對接觸段分序灌漿、鑲鑄孔口管,形成接觸段壓重;再按孔口封閉法對接觸段以下各段自上而下分段灌漿,分序加密。每單元至少1個第Ⅰ序孔作為先導孔[8],取芯描述并復核地下水位及地層巖性。

4.4 重要工序施工要點

a.灌漿材料選用:壩基主要灌漿地層以中透水地層為主,根據前期地質勘探地層滲透系數,選用425號普通硅酸鹽水泥。

b.鉆孔:由于帷幕軸線布置在防滲體內,因此土層及2m接觸段鉆孔采用干鉆,鉆?120mm孔,下放?110mm套管護壁;鉆接觸段以下地層時按一般要求進行施工,鉆?76mm孔。

c.鑲鑄孔口管:2m接觸段沖洗及壓水試驗后,下灌漿塞卡在土體與基巖接觸面50 cm處,灌漿時采用循環式栓塞,射漿尾管距孔底不大于0.5m,進行孔內循環式灌漿,直至達到結束標準。第1段灌漿接觸后,取出孔內灌漿塞,通過鉆桿向孔內注入0.5∶1(質量比)的濃漿置換孔內稀漿,然后放入上端車有連接絲、管徑為110mm的已預加工的無縫鋼管,孔口管根據現場情況和埋入深度分節制作,在孔口用對接接頭連接,直至下入孔底,導正孔口管。孔口管上端高出地面0.1m。孔口管下入、固定后不得碰撞,待凝72h以上可進行掃孔,掃孔結束經檢查孔口管合格后進行第2段鉆灌。

d.灌漿:為加快施工進度,在孔口管段分序灌漿的同時鑲鑄孔口管。采用自上而下分段灌漿,第1段(接觸段)長2m,第2段長3m,第3段以下按5m考慮,最長不得超過8m。

e.漿液配比變換:灌漿漿液由稀到濃逐級變換,當灌漿壓力保持不變而注入率逐漸減少時,或注入率保持不變而灌漿壓力持續升高時不得改變水灰比。當某一級水灰比漿液注入量已達300L以上或持續灌注時間已達30min,而灌漿壓力或注入率均無明顯改變時,變濃一級水灰比。當注入率大于30L/min時根據具體情況采用越級變濃。

f.灌漿結束標準:灌漿段在最大設計壓力下注入率不大于 0.4 L/min后,繼續灌注 60 min結束灌漿,或注入率不大于1L/min后繼續灌注90min結束灌漿。

g.封孔:帷幕孔全孔灌漿結束并經監理工程師單孔驗收合格之后按“置換和壓力灌漿封孔法”完成巖層封孔,再分層邊拔出土層套管邊向孔內填入由黏土料做成的黏土球,黏土球直徑 2～3cm,呈可塑狀,用鉆桿反復搗實直至填滿整個土層鉆孔,最后用泥漿封堵孔口并夯實。

h.質量檢查:帷幕灌漿質量檢查孔的數量為灌漿孔數的10%。孔壓水檢查的合格標準為透水率小于或等于5Lu。基巖接觸段及第2段合格率應為100%,以下各段的合格率不小于90%。不合格試段的透水率不超過設計規定的150%,且不集中,灌漿質量可認為合格。

5 灌漿效果

竹銀水庫壩基河床部分長319.5m,共布置了162個灌漿孔(包括與岸坡搭接段各加密 1個 Ⅲ序孔)。通過對灌漿數據統計分析發現,灌前各段簡易壓水試驗得出透水率在2～14Lu之間,其中接觸段透水率普遍在8～12Lu之間,個別孔最大達14Lu,估計原因為基坑局部中細砂層未清理干凈。

灌后壓水檢查發現,各段透水率大部分在3 Lu以下,少數在3～5Lu之間。此外,建設單位獨立委托第三方對壩基部位帷幕灌漿進行了3個檢查孔壓水試驗,各段透水率均小于3Lu,說明灌漿取得了成功。

6 結 語

竹銀水庫主壩工程通過將壩基處理調整至填筑壩面,獲得了主汛前壩體填筑的黃金時間(45d),完成了壩體填筑(主要為防滲體填筑)47萬m3,壩體于2010年5月20日填筑至1.0m度汛高程,避免了暴雨淹沒基坑的風險。壩基帷幕灌漿施工于2010年7月26日在 3.5m高程壩面開始,9月30日灌漿質量檢查完成,實現了壩體填筑進入枯水期全斷面施工的階段目標,為竹銀水庫主壩在2011年4月初填筑完成并初期蓄水打下了堅實基礎。這表明在壩面進行壩基帷幕灌漿處理在技術上是可行的,在最大壩體填筑高度達18m的條件下,鉆孔灌漿采取的埋設孔口管穿越土層、先對接觸段分序灌漿形成壓重、再按孔口封閉法灌漿的施工工藝是合適的,不會對已填筑壩體產生有害影響。

在竹銀水庫主壩的施工過程中,也出現了灌前壓水試驗局部段次透水率突變的情況,經現場查勘及比對地質資料確定為壩基存在局部隔層風化現象導致,灌漿過程中采用濃漿、速凝水泥漿對此進行了特殊處理。

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