水利工程施工中防滲漏技術(shù)研究

◎?qū)O祥志 王義坤 諸衛(wèi)衛(wèi) 南京市長(zhǎng)江河道管理處

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，水利工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。作為基礎(chǔ)水利設(shè)施的水庫(kù)，在提供水資源、防治洪澇災(zāi)害方面發(fā)揮著重要作用，截至今日，我國(guó)水庫(kù)建設(shè)數(shù)量已經(jīng)超8萬座。其中土石壩是水庫(kù)建壩的常見壩型，具有施工簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)。然而土石壩在使用過程中，因滲漏失穩(wěn)狀況所造成的安全事故時(shí)有發(fā)生，如果水庫(kù)大壩出現(xiàn)滲漏問題，不僅威脅著壩體自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且會(huì)影響大壩的功能性，造成水資源浪費(fèi)，從而為我國(guó)國(guó)民帶來無法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在水利工程發(fā)展時(shí)期，加強(qiáng)水庫(kù)大壩防滲漏技術(shù)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。對(duì)于水庫(kù)大壩而言，降低水量流失、避免壩體失穩(wěn)最有效的手段就是防滲漏施工，并在防滲漏施工過程中做好質(zhì)量控制，實(shí)現(xiàn)防患于未然的目標(biāo)。

1.工程概況

某中型水庫(kù)工程建設(shè)等級(jí)為Ⅱ等，用于防洪抗?jié)澈透浇r(nóng)田灌溉。該水庫(kù)大壩長(zhǎng)度約為520m，壩頂?shù)膶挾燃s為5.8m、高程約為365.0m。在水利工程安全管理中心對(duì)該大壩進(jìn)行安全鑒定核查時(shí)發(fā)現(xiàn)，在河床與壩體相連部位，已經(jīng)出現(xiàn)多處裂縫，導(dǎo)致現(xiàn)有大壩發(fā)生嚴(yán)重滲漏現(xiàn)象。由于該水庫(kù)下游為村莊，如果發(fā)生潰壩，將會(huì)危害村莊人民的生命安全，所以急需對(duì)該水庫(kù)大壩進(jìn)行防滲漏施工。

2.大壩防滲漏施工

綜合考慮該水庫(kù)大壩防滲加固工程的施工條件、施工工期等因素，本文選取高壓噴射灌漿技術(shù)來達(dá)到防滲漏目的，通過該技術(shù)所形成的防滲墻，具有優(yōu)越的截滲性與耐久性。當(dāng)下，我國(guó)高壓噴射灌漿施工技術(shù)中所使用的灌漿管，主要包括：?jiǎn)喂堋⒍芗叭苓@三種，不同類型的灌漿管所形成的防滲墻抗壓強(qiáng)度之間存在一定差異，參考該土壩的土質(zhì)特性，本文決定選取三管的灌漿管進(jìn)行施工，下面將對(duì)高壓噴射灌漿防滲漏技術(shù)的施工方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 布設(shè)灌漿孔

高壓噴射灌漿施工的第一步就是根據(jù)防滲墻的布置形式來布設(shè)灌漿孔[1]，當(dāng)下高壓噴射防滲墻主要包括折線型、交叉型、微擺型以及直擺型，綜合考慮防滲墻厚度以及施工技術(shù)等因素，本工程的防滲墻最終設(shè)計(jì)為交叉型，如圖1所示。

圖1 防滲墻布置形式圖

該防滲墻板面平整、堅(jiān)硬，具有較好的防滲漏效果。然后本文根據(jù)防滲墻的布置形式，確定鉆取灌漿孔的孔距與孔深[2]，灌漿孔之間的距離對(duì)高壓噴射灌漿防滲墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重要影響，計(jì)算公式如下所示：

式中，D 表示灌漿孔之間的距離；r 表示高壓噴射灌漿擴(kuò)散的半徑；w表示防滲墻的厚度。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及防滲墻指標(biāo)要求，最終決定最佳孔距為1.5m。關(guān)于灌漿孔的深度，主要由防滲墻的厚度決定，確定為0.4m。按照上述內(nèi)容，本次大壩防滲加固施工共布設(shè)了245個(gè)灌漿孔，為避免相鄰兩個(gè)灌漿孔在高壓噴射灌漿過程中發(fā)生串漿現(xiàn)象，采用三序布孔法進(jìn)行鉆孔施工。鉆孔流程如下：首先結(jié)合本次工程的實(shí)際特點(diǎn)，選用立軸式液壓回旋鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，該設(shè)備具有較為準(zhǔn)確的定位系統(tǒng)，可以鉆取出孔斜率滿足設(shè)計(jì)要求的灌漿孔；在鉆機(jī)就位之后，通過水平調(diào)校操作讓鉆桿軸線與灌漿孔中心保持在同一直線上，并使用水平尺控制鉆機(jī)機(jī)身處于平穩(wěn)狀態(tài)；然后開啟鉆機(jī)開始鉆取灌漿孔，在此過程中，孔徑偏差不可以超過2cm，并將鉆孔數(shù)據(jù)完整記錄下來，當(dāng)鉆進(jìn)深度達(dá)到灌漿孔深度的設(shè)計(jì)要求時(shí)，經(jīng)過施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理人員確認(rèn)后方可終孔，控制鉆機(jī)反旋，將鉆頭拔出，用測(cè)斜儀檢查灌漿孔的孔斜率是否符合設(shè)計(jì)要求，如果與設(shè)計(jì)不符需要及時(shí)糾正；最后將孔內(nèi)泥渣、碎石等雜物清理干凈，并使用清水沖洗灌漿孔。在鉆取灌漿孔過程中，如果鉆頭遇到堅(jiān)硬石塊無法鉆進(jìn)，需要及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)方式，確保鉆孔順利[3]，全部灌漿孔鉆進(jìn)完畢之后，即可進(jìn)入下一道工序。

2.2 配制漿液

高壓噴射灌漿技術(shù)的特點(diǎn)就是通過加壓為高速噴射流來灌漿，所以灌漿材料對(duì)于防滲墻的質(zhì)量[4]來說非常關(guān)鍵。一般情況下，高壓噴射灌漿施工中主要使用水泥漿液作業(yè)灌漿材料，水泥漿液具有穩(wěn)定性高、成本低、可噴性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于高壓噴射灌漿施工中，為提升水泥漿液的凝結(jié)效果，可以根據(jù)工程特點(diǎn)，于漿液中添加一定的氯化鈣、黏土等添加劑。在進(jìn)行高壓噴射灌漿施工過程中，噴射的水泥漿液會(huì)與大壩土體發(fā)生置換，由于水泥漿液與土體所置換的體積并不一致，所以置換后水泥漿液發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，從而形成防滲墻，在二者置換過程中，為使防滲墻的強(qiáng)度以及防滲性達(dá)到施工設(shè)計(jì)要求，需要噴射的水泥漿液具有良好的穩(wěn)定性以及可噴性，且其凝結(jié)時(shí)間也需滿足施工工期的設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行水泥漿液的配制[5]時(shí)，需要結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)土體性質(zhì)進(jìn)行，不同土質(zhì)類型的土體，其漿液配比也各不相同，如果土體表現(xiàn)為黏性性質(zhì)，那么高壓噴射灌漿所擴(kuò)散范圍較小，這時(shí)采用純水泥漿液作為灌漿材料即可；如果土體表現(xiàn)為砂性性質(zhì)，那么與黏性土體相對(duì)應(yīng)，該土體中的灌漿材料擴(kuò)散范圍較大，這時(shí)需要在水泥漿液中添加一定的黏土漿，增加漿液的粘稠度，確保防滲墻成墻質(zhì)量。綜上所述，結(jié)合該大壩防滲加固工程的實(shí)際特點(diǎn)，本文選用高強(qiáng)型水泥漿液作為灌漿材料，在配制這種類型的漿液時(shí)，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的防滲墻為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，選用P.C32.5復(fù)合水泥，并添加一定的擴(kuò)散劑以及石英粉，按照水泥：水：擴(kuò)散劑：石英粉=1:2.4:0.3:0.1的比例來配制漿液。為防止?jié){液出現(xiàn)離析現(xiàn)象，從而影響成墻質(zhì)量，本次工程中使用的漿液均在施工現(xiàn)場(chǎng)配制，在漿液配制過程中，嚴(yán)格控制各原材料的質(zhì)量，如果水泥出現(xiàn)結(jié)塊將會(huì)對(duì)成墻效果產(chǎn)生影響，不可以使用。將各原材料加入水中后，攪拌15min即可得到高壓噴射灌漿所需的漿液，為避免漿液凝結(jié)，盡快投入施工中。

2.3 高壓噴射灌漿

高壓噴射裝置主要包括噴射漿管、噴嘴、進(jìn)漿管等，首先需要將三重噴射管放入灌漿孔，為避免放入過程中噴射管內(nèi)進(jìn)入泥沙等雜物，影響噴射效果，可以向噴射管內(nèi)注入清水，將管內(nèi)雜物排出。在下放噴射管時(shí)，由于灌漿孔底部的沉渣較多，可以配合旋提擺裝置控制噴射管一邊旋擺一邊下放，直至噴射管到達(dá)設(shè)計(jì)深度[6]。在正式灌漿之前，需要選擇一塊空地進(jìn)行試噴，確保各項(xiàng)設(shè)備可以正常運(yùn)行。然后在噴射管插入灌漿孔后，調(diào)節(jié)噴射方向，控制噴嘴對(duì)準(zhǔn)噴射方向，開始于灌漿孔內(nèi)送入水、氣、漿，具體工藝參數(shù)[7]如表1所示。

表1 高壓噴射灌漿施工工藝參數(shù)

按照表1中參數(shù)噴射水與氣，在4min之后開始灌注漿液，在噴射灌漿過程中，當(dāng)灌漿孔口回漿的比重達(dá)到1.5g/cm3以上時(shí)，由下而上一邊轉(zhuǎn)動(dòng)、一邊提升噴射管，控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度為12r/min、提升速度為10cm/min，直到噴射管提升至設(shè)計(jì)高度。本文考慮到水泥漿液自身的凝固收縮現(xiàn)象，所以在實(shí)際施工過程中，將停止噴漿的位置照設(shè)計(jì)位置提高了0.8m。那么噴射灌漿工序的原理如圖2所示。

圖2 高壓噴射灌漿成墻效果示意圖

在高壓噴射灌漿過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些施工問題，需要作業(yè)人員密切關(guān)注高壓噴射灌漿流程，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)并解決問題。如果灌漿孔出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象，首先判斷冒漿量，在灌漿量的10%以下為正常現(xiàn)象，無需特意處理，如果冒漿量超過灌漿量的10%，需要合理調(diào)節(jié)漿液的噴射壓力或噴射管的旋轉(zhuǎn)速度，來處理冒漿現(xiàn)象。

在一個(gè)灌漿孔的漿液噴射結(jié)束之后，需要及時(shí)將噴射管清理干凈，不可以有水泥漿液殘?jiān)z留，避免堵塞噴射管，影響下一個(gè)灌漿孔的噴射效果。一般情況下，灌漿孔噴射技術(shù)一段時(shí)間內(nèi)，漿液頂部會(huì)因?yàn)殡x析現(xiàn)象而出現(xiàn)凹陷，所以需要在噴射相鄰灌漿孔時(shí)對(duì)該灌漿孔進(jìn)行回灌操作，直到該灌漿孔的漿液面穩(wěn)定為止。水孔，然后于該孔內(nèi)開始注水，一段時(shí)間后根據(jù)各試驗(yàn)孔測(cè)得滲透系數(shù)來判斷防滲墻的防滲透效果。滲透系數(shù)的計(jì)算公式如下所示：

3.防滲漏效果檢測(cè)

在大壩防滲漏施工結(jié)束后，需要進(jìn)行為期2個(gè)月的養(yǎng)護(hù)作業(yè)，然后采用圍井注水試驗(yàn)來檢測(cè)防滲墻的防滲漏效果，從而判斷出本次施工質(zhì)量。首先結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境，于大壩上游布設(shè)8個(gè)試驗(yàn)孔，形成封閉的圍井，如圖3所示。

圖3 圍井試驗(yàn)鉆孔布設(shè)圖

同時(shí)，在圍井的中心鉆取一個(gè)注

式中，λ表示滲透系數(shù)；L表示試驗(yàn)孔滲水流量；S 表示圍井滲水面積；ΔP表示圍井滲水坡降。根據(jù)《水工建筑物防滲工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》可知，只有滲透系數(shù)在1.0×10-5cm/s以下時(shí)，防滲漏施工質(zhì)量合格。那么本次圍井注水試驗(yàn)所得各試驗(yàn)孔的滲透系數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)孔滲水檢測(cè)結(jié)果表

由表可知，本次圍井試驗(yàn)中所鉆取的8個(gè)試驗(yàn)孔的滲透系數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求，平均滲透系數(shù)僅有1.92×10-6cm/s，說明高壓噴射灌漿形成的防滲墻具有良好的防滲效果。與此同時(shí)，經(jīng)過檢測(cè)可知，各灌漿孔交接處膠結(jié)牢固，沒有明顯的交接痕跡。進(jìn)一步驗(yàn)證了本次高壓噴射灌漿施工質(zhì)量較好，大壩防滲漏施工技術(shù)達(dá)到了理想的效果。

4.結(jié)束語

本文以某水庫(kù)大壩防滲加固工程為研究對(duì)象，針對(duì)該項(xiàng)目的具體特點(diǎn)，通過高壓噴射灌漿施工來實(shí)現(xiàn)大壩的防滲透。該技術(shù)可以克服傳統(tǒng)防滲墻接觸不良、穩(wěn)定性較差等問題，不僅對(duì)原水庫(kù)大壩壩體結(jié)構(gòu)影響較小，而且施工技術(shù)簡(jiǎn)單、工程造價(jià)較低，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。高壓噴射灌漿技術(shù)對(duì)于水庫(kù)大壩的防滲漏施工，具有顯著的優(yōu)越性，如果可以得到廣泛應(yīng)用，將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)水利工程發(fā)展。