中图分类号: T V543 文献标识码: B 文章编号: 1007-2284(2011) 02-0082- 02
近年来, 高压喷射灌浆防渗技术在水利工程基础处理中的应用获得了迅速发展, 取得了良好的防渗效果和明显的经济效益。但这些防渗墙多用于已建成或临时性工程, 主要起防渗加固或临时性挡水作用, 用于永久性新建工程的基础防渗并不多。主要原因是, 高喷防渗墙由单元孔喷射灌浆形成的板与板或板与桩相互交接而成, 厚度一般较薄(10~ 30 cm) , 或者薄厚不均匀, 属板状防渗体; 旋喷桩与桩套接虽然形成了较厚的墙体, 但由于单桩在不同地层深度存在桩径不一的缺陷, 使旋喷套接桩墙整体防渗性受到影响。因此由高喷灌浆形成墙体难于满足永久性建筑物防渗和耐久使用要求。
针对这一问题, 辽宁省水利水电科学研究院在小龙口水库坝基砂卵石层防渗中, 将高压喷射灌浆与静压充填灌浆结合在一起, 构筑复合结构防渗墙。墙体由外壳和内核组成, 外壳由双排高喷板墙相互连接成菱形井状结构, 菱形井中心布置静压充填灌浆孔, 待高喷板达到一定强度后再进行静压充填灌浆。与高喷板墙相比, 该种形式防渗墙厚度增加了3~ 4 倍; 与旋喷套接桩墙相比, 由于采用双排摆喷折线搭接, 提高了防渗墙整体的可靠性; 同时在墙内进行充填灌浆使墙体单位体积水泥含量大幅增加, 从而使墙体的防渗性和耐久性都得到很大程度的提高。并且通过工程实际运用, 取得了较为理想的防渗效果。
在造价方面, 该种形式防渗墙平均综合单价为590 元/ m2 ,虽比单一高喷板墙(单价为200 元/ m2 左右) 或旋喷套接桩墙(单价为460 元/ m2 左右) 偏高, 但与防渗可靠性和墙体耐久同样能满足要求的混凝土防渗墙相比(单价为850 元/ m2 左右,0. 8 m 厚) , 造价节省约260 元/ m2 , 约节省投资30%。因此复合结构防渗墙具有价格优势。
1 工程概况
小龙口水库位于大连市长海县大长山岛, 坝型为黏土心墙土坝, 总库容为68. 4 万m3, 坝顶长310 m, 最大坝高7.6 m, 水库主要是为严重缺水的大长山岛镇供水。
水库坝基为第四系较松散的砂卵(砾)石覆盖层, 宽约280m, 最大厚度为12. 7 m, 渗透系数一般为4. 2×10- 2 ~ 6. 3×10- 4 cm/ s。覆盖层蕴藏着较丰富的孔隙潜水, 潜水位距地表2. 5~ 3. 0 m, 水质分析结果表明, 地下水对混凝土具有硫酸性与镁化性侵蚀。
海岛淡水资源极为贫乏, 水库集雨面积仅为1.05 km2 , 年调节水量不足16万m3 , 设计上要求大坝(含坝基) 不允许发生大于0.1L/ s 的渗漏量。通过对几种覆盖层防渗方案分析比较, 选择了防渗、耐久使用均有实际保证, 经济上可行的复合结构防渗墙。墙体上部插入黏土心墙2. 0 m, 下部及两端嵌入基岩0. 3~ 0. 5 m, 全封闭坝基覆盖层。
2 复合结构防渗墙的设计
复合结构防渗墙由双排高喷板墙相互连接成菱形井状结构, 菱形井内静压充填灌浆, 其平面布置如图1 所示。高喷灌浆孔沿防渗墙轴线的上下游侧布置成双排, 排间距为0. 8 m,同排孔间距为1. 7 m, 2 排灌浆孔呈一一对应分布。各对应灌浆孔向内进行120o 高压摆喷灌浆, 形成的高喷板对接在一起,构成菱形井状防渗墙外壳。静压充填灌浆孔布置在菱形井中心, 待周围高喷板达到一定强度后进行静压充填灌浆, 使浆液充填、扩散到井内卵砾石层孔隙中去, 固结后形成墙体内核。
同时扩散到井壁的浆液又将墙体内核与高喷板壳凝结在一起,从而形成一道复合结构防渗墙。
3 高喷灌浆施工
3. 1 工艺原理
高压喷射灌浆成墙工艺是利用工程钻机造孔, 将底端带有水、气、浆喷嘴的灌浆管置于预计的地基处理深度, 调试灌浆管的升速、转速及喷嘴出口的压力、流量等灌浆参数达到设计要求值, 然后自下而上提升灌浆管, 进行连续不断地喷射灌浆。在灌浆管提升(旋、摆) 过程中, 喷嘴喷出的高压水气细射流冲切破坏地层土体, 并将剥落下来的部分细颗粒顺孔壁升扬到地面, 同时灌入浆液在射流作用范围内与扰动的地层土掺搅混合, 形成具有一定形状的凝结体。单元孔形成的凝结体相互交接在一起, 构成连续的防渗板墙[1]。
图1 复合结构防渗墙示意图(单位:m)
Fig. 1 The sketch of compound structure anti-seepage wall (UNIt:m)
3. 2 施工参数的选择
高喷灌浆工艺参数选取的合理与否直接关系到形成板墙质量与工程投资多少。本工程首先参考国内高喷灌浆处理砂卵石地基防渗工程资料, 对各种灌浆参数进行初步设计, 而后针对这些设计参数及处理地层进行现场喷射成墙试验, 通过开挖检查成墙效果, 修正设计选取参数值, 得出符合工程实际情况的施工工艺参数(见表1) [ 2] 。
表1 高喷灌浆施工工艺参数
Tab. 1 Start construction craft parameter of high jet grouting
3. 3 设备及施工方法
高喷灌浆设备除高压水泵、空压机、泥浆泵、灌浆管等成套的通用设备外, 本工程还采用了满足双排孔作业的新型高喷台车及使基岩与墙体结合更牢固的下倾式喷嘴。
灌浆施工以2 排间斜对应2 灌浆孔为一组, 分一序组孔和二序组孔2 个序列进行。分序施工的目的是避免喷射时造成邻孔塌孔和串浆。先进行一序组孔施工, 迁移高喷台车至已钻完的一序组2 孔上择一孔就位, 经定向、下管、试喷、提升、补浆等工序完成该孔喷射灌浆。然后将台车上部底盘转动一个角度, 进行另一孔喷射灌浆。这样, 台车每迁移一个工位可完成一组孔喷射灌浆。当一序组孔高喷灌浆施工完毕后, 将台车整体转向180°进行二序组孔灌浆施工。双排孔分序施工详见图2所示。
为使高喷板墙嵌入基岩达到设计要求, 灌浆施工中, 除保证灌浆孔钻入基岩足够深度和使用下倾15°喷嘴外, 还采用了复喷工艺。即在基岩面以下0. 5 m 至基岩面以上0. 3 m, 先采用高压水气定喷, 冲切基岩面附近风化岩层, 随后将喷射管插回到原处, 进行复喷灌浆。这样, 通过二次喷射灌浆作用, 扩大了基岩面处防渗墙的厚度及搭接长度。
整个高喷灌浆历时50 d, 完成高喷灌浆孔303 个, 构筑菱形井151 个, 耗用水泥408 t。
图2 高喷灌浆分序施工示意图
Fig. 2 The sketch of high jet grouting to divide preface construction
4 静压充填灌浆施工
充填灌浆在高喷灌浆后30 d 进行。施工工艺采用在菱形井中心钻孔, 在钻进过程中, 通过钻杆向井内卵砾石孔隙灌浆。孔内的冲洗液即为充填灌浆的水泥浆液, 水灰比为0. 5, 密度为1. 8 g/cm3。充填灌浆压力为0.4 ~ 0.6 MPa (泥浆泵压力) 。由于高喷灌浆在先, 高喷时部分浆液已充填到卵砾石中的较大孔隙, 因而充填灌浆的吸浆量小于设计量。充填灌浆完成151孔, 耗用水泥95. 2 t, 平均每个菱形井充填水泥630kg。
5 防渗墙质量检查及防渗效果
5. 1 开挖检查
整个灌浆施工结束后, 沿防渗墙轴线方向进行全断面开挖(墙体插入心墙施工需要), 清理出长256 m, 厚0.5~ 0.85 m、高2.0 m 裸露的地下连续墙。可以看出, 组成墙体的各单元菱形体轮廓清晰, 连接牢固, 板壳与内核间层次分明。墙体表面粗糙不平, 卵砾石被喷射灌浆液充分包裹, 较大块砾石部分被浆液紧密包裹, 部分悬露于墙外。将菱形体剖开检查充填灌浆液以孔口为中心呈脉状扩散, 并与高喷灌浆扩散的浆脉相通。与灌浆前相比, 菱形体内卵砾石的密实度明显提高, 已由灌浆前的松散状变成类似于窝团状凝固体。
5. 2 室内试验
根据安排指定的位置, 在开挖的防渗墙上, 对组成菱形墙体的外壳、内核分别取样(龄期约150 d) , 进行室内物理力学性能试验, 试验结果见表2。从表2 中看出:①墙体外壳和内核的渗透系数均达到设计要求, 而且外壳的渗透系数更低些。由此可见, 在实际运行中, 由高喷灌浆形成的墙体外壳将起主要的防渗作用。②组成墙体这2 部分的弹性模量均较低, 而且彼此相接近, 说明墙体具有良好的变形适用性和协调性。③墙体的抗压强度完全满足水库低水头防渗要求。
表2 防渗墙体的物理力学性能指标
Tab. 2 The physical mechanics function of anti- seepage wall body
5. 3 防渗效果
水库建成后, 经历4年蓄水, 库水位达到设计正常高水位,坝前后形成了约6. 1m 水头差, 观察坝后坡脚附近地面无散渗浸出点, 经长期观测, 水库坝基几乎不产生渗漏。说明复合结构防渗墙取得了明显的防渗效果, 达到了设计防渗要求。
6 结语
复合结构防渗墙是一种新型地下防渗墙体结构。突出特点是墙体防渗性能高, 耐久性好, 抗海水侵蚀能力强, 与传统混凝土防渗墙相比价格偏低, 适用于松散的砂卵(砾) 石覆盖层强透水地基防渗。对具有特殊防渗及耐久要求工程, 特别是淡水资源极其缺乏的海岛蓄水工程, 该防渗墙在阻隔海水, 蓄积淡水方面效果十分明显。
参考文献:
[ 1] 白永年, 吴士宁, 王洪恩, 等. 土石坝加固[ M] . 北京: 水利电力出版社, 1992: 589.
[ 2] DL/ T5200-2004, 水电水利工程高压喷射灌浆技术规范[S] .
[ 3] 尹红莲, 陈克森, 王明森, 等. 王河地下坝高喷灌浆与振动沉模试验研究[ J ] . 中国农村水利水电, 2009, (3) : 104- 106.
作者简介: 崔双利(1964- ) , 男, 高级工程师, 主要从事水利工程设计及施工管理工作。
