帷幕灌漿技術(shù)在新疆二塘溝水庫大壩壩基防滲中的應(yīng)用研究

賈文亮

(吐魯番市二塘溝水庫運(yùn)行調(diào)度中心，新疆 吐魯番 838000)

新疆鄯善縣二塘溝水庫于2014年11月6日正式下閘蓄水以來，充分發(fā)揮了防洪、灌溉、供水等效益，綜合效益凸顯[1]。該水庫不但改善了附近灌區(qū)春季嚴(yán)重缺水的問題，而且可以有效防止洪水帶來的損害。新疆鄯善縣二塘溝水庫中存在較大的滲透問題，該問題會(huì)影響其綜合效益，故尋找一種合適的方法提高其防滲性能具有重要意義[2]。帷幕灌漿技術(shù)為水利工程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其通過各孔中的注漿液體相互搭接，形成連續(xù)的阻水帷幕，達(dá)到阻斷水流的目的。帷幕灌漿技術(shù)還可以減少地基中地下水的滲透，提高大壩的穩(wěn)定性和安全性，保障大壩的有效運(yùn)行[3-5]。故研究將帷幕灌漿技術(shù)應(yīng)用于新疆二塘溝水庫中，期望該技術(shù)可以有效改善水庫的防滲性能，提升水庫的綜合效益，同時(shí)為水庫防滲提供參考。

1 工程概況

二塘溝水庫樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)鄯善縣二塘溝河中游，經(jīng)緯度分別為東經(jīng)89°53′、北緯43°18′，其距離鄯善縣65 km、吐魯番市120 km、蘭新鐵路25 km。該水庫大壩工程距312國道53 km，其中有40 km的道路為7 m寬的瀝青道路，而剩下的13 km均有便道通行，在施工期將改建為瀝青道路，方便對外交通[6]。水庫總?cè)菟亢蛿r河壩高度分別為2380萬m3和64.8 m。

2 帷幕灌漿技術(shù)在壩基防滲中的應(yīng)用

2.1 技術(shù)介紹

帷幕灌漿技術(shù)是通過將一定濃度的漿液注入間距適宜的鉆孔中壓至巖土體的縫隙或者孔洞內(nèi)，在地層中形成具有一定結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及抗?jié)B性能的幕墻，從而達(dá)到防滲堵漏的工程措施[7-8]。帷幕頂部與混凝土閘底板或壩體連接，底部深入相對不透水巖層一定深度，以阻止或減少地基中地下水的滲透[9-10]。20世紀(jì)以來，帷幕灌漿一直是水工建筑物地基防滲處理的主要手段，對保證水工建筑物的安全運(yùn)行起著重要作用。在所有的帷幕灌漿技術(shù)涉及的參數(shù)中，灌漿壓力極為關(guān)鍵且不易直接獲得。灌漿壓力即為灌漿段鉆孔受到的所有壓力，如式(1)所示。

F=Fi+Fj+Fk

(1)

式中：F為灌漿壓力，MPa；Fi為孔口處壓力表指示的壓力，MPa；Fj為壓力表至灌漿段間漿柱的壓力，MPa；Fk為壓力表處至灌漿段間管路摩擦壓力，MPa。

帷幕厚度通常取決于兩個(gè)方面的考慮：一是帷幕長期滲流穩(wěn)定要求，可按帷幕允許水力坡降決定；二是設(shè)幕地層的地質(zhì)條件、密實(shí)性和防滲設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。帷幕厚度如式(2)所示。

(2)

式中：T為帷幕厚度，m；Ia為帷幕前后的允許水力坡降；δ為帷幕的水頭衰減系數(shù)；H為水頭，m。

2.2 工藝流程

為了加強(qiáng)新疆二塘溝水庫大壩工程的防滲效果，研究利用帷幕灌漿技術(shù)對其進(jìn)行優(yōu)化。在該過程中，根據(jù)二塘溝水庫大壩工程的實(shí)際情況研究采用“孔口封閉、自上而下分段孔內(nèi)循環(huán)灌漿”的灌漿方法進(jìn)行帷幕灌漿，具體的工藝流程如圖1所示。

圖1 帷幕灌漿的工藝流程

如圖1所示，在鉆機(jī)就位定向后，需要對孔口管段進(jìn)行鉆孔。此次鉆孔地層主要是灌漿洞洞內(nèi)鉆孔和洞外鉆孔，洞內(nèi)為純基巖鉆孔，洞外分大壩過渡層鉆孔與基巖鉆孔，為滿足施工需要，基巖鉆孔選擇使用XY-2型地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔鑲管灌漿。洞外大壩過渡層鉆孔與基巖鉆孔選擇根管工藝，鉆到基巖位置時(shí)可進(jìn)行鑲管。在鉆孔過程中需保證孔向準(zhǔn)確孔位偏差不得>10 cm，以及孔徑的大小需要符合要求(第一段孔徑≤89 mm且終孔孔徑≥46 mm)，在鉆進(jìn)結(jié)束等待灌漿或繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)，孔口均進(jìn)行堵蓋，妥善保護(hù)。帷幕灌漿孔鉆孔結(jié)束后須進(jìn)行鉆孔沖洗，沖凈孔內(nèi)巖粉、泥渣。在帷幕灌漿技術(shù)的工藝流程中，灌漿前需對所有灌漿孔進(jìn)行裂隙沖洗和壓水試驗(yàn)。其中在沖洗過程中需要注意三點(diǎn)，一是需要以從孔底向孔外沖洗的方法進(jìn)行沖洗，二是在沖洗過程中需要采用80%的灌漿壓力，三是在沖洗完成后需要立即進(jìn)行灌漿操作。研究采用五點(diǎn)法進(jìn)行壓水試驗(yàn)，質(zhì)量檢查孔采用五點(diǎn)法壓水試驗(yàn)，檢查孔的數(shù)量不少于灌漿總孔數(shù)的10%，并對基巖帷幕灌漿先導(dǎo)孔自上而下分段卡塞進(jìn)行壓水試驗(yàn)，壓水試驗(yàn)采用單點(diǎn)法進(jìn)行施工。

帷幕灌漿采用自上而下分段灌漿法施工，孔內(nèi)循環(huán)式灌漿，接觸段作為單獨(dú)的灌漿段，接觸段長度為2 m，其下帷幕灌漿段長度采用5～6 m，特殊情況下可適當(dāng)縮減或加長，但不得大于10 m。在使用自上而下分段灌漿且孔口封閉的灌漿方法時(shí)，灌漿結(jié)束要求為注入率≤0.4 L/min時(shí)，繼續(xù)灌注60 min后結(jié)束，或≤1.0 L/min時(shí)，繼續(xù)灌注90 min后結(jié)束。在每個(gè)帷幕灌漿孔全孔灌漿結(jié)束后，會(huì)同監(jiān)理工程師及時(shí)對其進(jìn)行驗(yàn)收，主要的檢查內(nèi)容為壓水試驗(yàn)結(jié)果、鉆孔以及測試成果等。基巖帷幕灌漿合格標(biāo)準(zhǔn)為灌后帷幕體透水率≤10 Lu；混凝土與基巖接觸段及其下一段的合格率為100%；其余各段的合格率為90%以上；不合格段的透水率值不超過設(shè)計(jì)規(guī)定值的100%，且不集中，則灌漿質(zhì)量可認(rèn)為合格。帷幕灌漿壓水試驗(yàn)質(zhì)量檢查在該部位灌漿結(jié)束14 d后進(jìn)行，檢查孔的數(shù)量不少于灌漿孔總數(shù)的10%，一個(gè)單元工程內(nèi)至少應(yīng)布置一個(gè)檢查孔。灌漿孔灌漿和檢查孔檢查結(jié)束后，排除鉆孔內(nèi)的積水和污物，采用“全孔灌漿封孔法”進(jìn)行封孔，并將孔口抹平，則整個(gè)帷幕灌漿技術(shù)結(jié)束。

3 帷幕灌漿技術(shù)的防滲效果分析

3.1 壓水試驗(yàn)結(jié)果分析

為了對帷幕灌漿的防滲效果進(jìn)行分析驗(yàn)證，研究以壓水試驗(yàn)結(jié)果為指標(biāo)進(jìn)行分析。首先對河床段基巖灌漿孔在帷幕灌漿試驗(yàn)前的透水率進(jìn)行測算，具體數(shù)據(jù)如表1所示。壩基帷幕灌漿防滲標(biāo)準(zhǔn)為：壓水試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)為透水率小于10 Lu。

表1 河床段基巖帷幕試驗(yàn)灌漿孔各段次透水率統(tǒng)計(jì)情況 Lu

由表1可得，河床段基巖各灌漿孔第一段和第二段的透水率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出防滲指標(biāo)10 Lu，其中HCWM-30號灌漿孔全控多數(shù)斷次透水率均超標(biāo)。在進(jìn)行帷幕灌漿試驗(yàn)后，河床段各灌漿孔的透水率均得到有效改善，且所有灌漿孔的透水率均下降為防滲指標(biāo)之下，進(jìn)行灌漿后的各灌漿孔的透水率結(jié)果如表2所示。

表2 河床段基巖帷幕試驗(yàn)灌漿孔各段次透水率統(tǒng)計(jì)情況 Lu

由表2可得，HCWM-27號灌漿孔、HCWM-28號灌漿孔、HCWM-29號灌漿孔、HCWM-30號灌漿孔、HCWM-31號灌漿孔的平均透水率分別為4.75 Lu、5.75 Lu、4.71 Lu、4.77 Lu、5.03 Lu。通過表1和表2的數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)通過帷幕試驗(yàn)之后，各灌漿孔的透水率均得到有效控制。上述結(jié)果說明，帷幕灌漿在新疆二塘溝水庫樞紐工程的應(yīng)用方式具有良好的防滲效果，可以利用該方式提高水庫大壩壩基的防滲水平。

3.2 實(shí)際應(yīng)用效果分析

為了對帷幕灌漿技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，將該方法與傳統(tǒng)的灌漿方法進(jìn)行對比。將實(shí)際水位以及壩后滲流量作為對比指標(biāo)進(jìn)行比較分析兩種方式的防滲效果，結(jié)果如圖2所示。其中位置1是實(shí)施帷幕灌漿技術(shù)的區(qū)域，位置2是實(shí)施傳統(tǒng)灌漿技術(shù)的區(qū)域。

圖2 兩種方式的實(shí)際水位及壩后滲流量

從圖2(a)可看出位置1和位置2在灌漿操作前的水位及滲流量數(shù)值相差不大。從圖2(b)中可看出，兩個(gè)區(qū)域的水位高度相差不大，且隨著天數(shù)的增加，施行帷幕灌漿技術(shù)的區(qū)域的滲流量呈現(xiàn)先下降再上升最后下降的趨勢，其最終穩(wěn)定在0.1 L/s。而施行傳統(tǒng)灌漿技術(shù)的區(qū)域滲流量處于穩(wěn)定下降的趨勢，但其最終穩(wěn)定在0.4 L/s。上述結(jié)果說明，帷幕灌漿技術(shù)相較于傳統(tǒng)的灌漿技術(shù)具有更好的防滲性能。若以此方式對二塘溝水庫大壩壩基進(jìn)行改建，則可以有效提升其防滲水平，進(jìn)而保證水庫能夠正常地發(fā)揮功效。為了進(jìn)一步分析帷幕灌漿對二塘溝水庫大壩壩基的影響效果，選取兩個(gè)不同區(qū)域，分別在實(shí)施帷幕灌漿后3個(gè)月、6個(gè)月以及9個(gè)月的水庫水位和滲流量之間的關(guān)系進(jìn)行對比。選取的兩個(gè)區(qū)域分別為位置3和位置4。

圖3為研究選取的兩個(gè)區(qū)域的水庫水位與滲流量之間的曲線圖。從圖3(a)中可以看出，在位置3區(qū)域隨著水庫水位的升高，水庫的滲流量均呈現(xiàn)上升趨勢。其中在實(shí)施帷幕灌漿后9個(gè)月后的曲線明顯低于其他兩根曲線，且其平均滲流量為0.18 L/s，低于實(shí)施帷幕灌漿后6個(gè)月后的0.23 L/s以及實(shí)施帷幕灌漿后3個(gè)月后的0.31 L/s。從圖3(b)中可以看出，隨著水庫水位的升高，水庫的滲流量也呈現(xiàn)上升趨勢，且與圖3(a)中的結(jié)論類似，可以得出實(shí)施帷幕灌漿后9個(gè)月后平均滲流量低于實(shí)施帷幕灌漿后3個(gè)月后和6個(gè)月后。以上結(jié)果說明，隨著時(shí)間的增加，帷幕灌漿對大壩壩基的防滲效果越明顯，進(jìn)一步說明帷幕灌漿技術(shù)可以有效地提高水庫大壩壩基的防滲效果。

圖3 不同位置的水庫水位和滲流量

4 結(jié) 論

針對二塘溝水庫大壩壩基防滲性能不足的問題，提出利用帷幕灌漿技術(shù)對大壩壩基進(jìn)行改建，提高其防滲效果。性能對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)施帷幕灌漿技術(shù)的區(qū)域滲流量穩(wěn)定在0.1 L/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)施傳統(tǒng)灌漿技術(shù)的0.4 L/s。通過進(jìn)一步性能驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，帷幕灌漿隨時(shí)間防滲效果越明顯。上述結(jié)果表明，帷幕灌漿技術(shù)的確可以有效提升二塘溝水庫大壩壩基的防滲水平。