小南海水库地震崩塌堆积天然坝体帷幕灌浆设计与施工

标签：市政工程技术,市政工程施工方案, 小南海水库地震崩塌堆积天然坝体帷幕灌浆设计与施工,http://www.gong66.com
  　　摘  要：小南海水库系1856年地震山崩堵塞溪流形成的一座中型天然水库，天然坝体结构松散，渗漏加剧，为加强天然坝体的防渗性能，减少水库渗漏，采取帷幕灌浆进行大坝防渗整治。本文详细介绍了大坝防渗整治设计、施工及质量检查方法。由于地震崩塌堆积天然坝体防渗整治，国内无先例，国外罕见，没有经验可供借鉴。因此，小南海水库天然坝体帷幕灌浆设计、施工及质量检查方法具有一定的探索性，其成功经验对类似工程的防渗整治具有一定的参考价值。　　关键词：小南海水库  地震崩塌堆积体  帷幕灌浆  施工　　1、工程概况　　小南海水库位于重庆市黔江区小南海镇境内，是1856年地震山崩堵塞老窖溪形成的一座中型天然水库。水库集雨面积98.8km2，大坝防渗整治前水库正常蓄水位高程670.5m，总库容7087万m3，有效库容2930万m3.由于天然坝体结构松散，渗漏加剧，多年平均渗漏水量约1000万m3，致使坝体产生管涌渗透变形，危及大坝安全。为了确保坝体安全，加强天然坝体的防渗性能，减少水库渗漏，保护地震遗址，在设计多方案论证基础上，经主管部门批准，采取帷幕灌浆进行大坝防渗整治。由于地震崩塌堆积的天然坝体中帷幕灌浆属“国内唯一，世界罕见”，没有经验可借鉴，亦没有对应规程规范可遵循，因此，帷幕灌浆设计、施工及质量检查方法具有一定的探索性。　　1.1 天然坝的形成及分布范围　　天然坝形成于1856年黔江—咸丰地震，地震崩塌堆积体堵断老窖溪形成小南海天然水库。天然坝体长约1000m，坝高一般60～70m，部分达80～100m，顶宽度为100～230m，坝底宽度为1200～1300m，坝体总体积约为4000～4600万m3.　　1.2 工程地质条件　　⑴天然坝体主要由地震崩塌堆积的页岩及粉砂质页岩块碎石夹孤石，以及堆积、风化或沉积碎屑组成。　　天然坝体物质结构在垂向上存在明显差异，横向上差异不明显。高程633.40～659.00m以上坝体孤石含量为28.09～56.52%，孤块碎石粒径明显比下部大，孤石最大直径达10.0m以上。该部分结构松散，局部有架空结构。钻孔注水试验测得渗透系数为39.38～176.31m/d，属强—极强透水层。　　下部坝体高程633.40～659.00m以下至高程608.47～622.41m之间，孤石含量为0.00～17.96%，块碎石含量较上部坝体增加，孤块碎石粒径明显较小，部分被粉细砂或粘土充填，基本无架空现象。钻孔注水试验测得渗透系数为6.53～60.80m/d，属较强—强透水层。　　⑵地震崩塌堆积体之下掩埋了原河流及Ⅰ级阶地堆积物。　　⑶天然坝体下伏基岩为志留系中统罗惹坪群（S2Lr1）第一段灰色及灰绿色页岩，并夹有介壳灰岩透镜体。钻孔压水试验测得，基岩强弱风化带岩体透水率为2.3～3.3Lu，新鲜岩体透水率为1.7～3.3Lu，均属弱透水岩体。　　⑷坝体渗漏点主要位于大坝右侧天然溢洪道内，分布在不同层面的三个高程带上；天然坝右半部上游坝坡分布有管涌入口，一般呈圆～椭圆状，直径一般0.10～0.30m，大部分位于块碎石与孤石的接触部位。　　1.3 施工时段及完成工程量　　2、帷幕灌浆设计　　⑴根据天然坝体工程地质条件和帷幕灌浆试验，结合水利部专家组咨询意见，设计帷幕轴线长748.138m，三排孔，相邻2排排距有1.5m、2.0m两种，孔距有3.0m、3.5m两种，设计帷幕孔724孔，帷幕孔深入坝基岩体1.0m.　　⑵设计灌浆压力：两边排Ⅰ、Ⅱ序孔灌浆压力为0.2～0.8Mpa，两边排Ⅲ序孔灌浆压力为0.2～1.2Mpa，中间排各序孔灌浆压力为0.3～1.4Mpa.　　⑶灌浆材料及浆液配比：灌浆材料为普通硅酸盐水泥和粘土为主，遇大漏浆及大通道时使用砂子和水玻璃。　　灌浆浆液采用水泥粘土浆。边排孔采用水泥：粘土为1：0.6，中排孔采用水泥：粘土为1：0.4的水泥粘土浆，水固（水泥+粘土）比采用3、2、1三个比级，即灌浆浆液重量比水泥：粘土：水为1：0.6：1.6，1：0.6：3.2，1：0.6：4.8，1：0.4：1.4，1：0.4：2.8，1： 0.4：3.2共六个比级。　　⑷质量标准：因坝体防渗帷幕的主要目的是减少渗漏，确保坝体安全，故根据坝体结构特征不同区段选取不同的防渗标准：帷幕灌浆试验区桩号坝0+ 409.100～0+394.130m、坝0+644.631～0+626.631m坝段透水率＜10Lu；桩号坝0+752.638～0+ 644.631m、坝0+626.631～0+409.100m和桩号坝0+394.130～0+4.500m坝段透水率＜15Lu.　　3、帷幕灌浆施工　　帷幕灌浆前对坝顶帷幕轴线部位进行开挖平整，浇筑宽6.0m、厚0.3m的压重混凝土（竣工后作为坝顶公路），先钻灌第1、2段，再镶铸长4.0m的孔口管，以保证灌浆效果。　　3.1 灌浆方法　　采用小口径无芯钻孔、孔口封闭、孔内循环的方法进行灌浆施工。根据天然坝体的工程地质特点，采用稀泥浆护壁钻孔，解决了成孔难的问题，且帷幕孔灌浆段成孔后，不进行清水冲洗和灌前压水试验。　　3.2 施工顺序及灌浆段长划分　　帷幕灌浆孔施工按分序加密的原则进行，先施工下游排，再施工上游排，最后施工中间排。同排中先Ⅰ序孔，后Ⅱ序孔，再Ⅲ序孔。　　第1、2段段长2.0m，第3段段长3.0m，第4段及其以下各段均为5.0m，最大段长不超过8m.　　3.3钻孔　　钻孔主要采用300型地质钻机，φ60mm金刚石钻头无芯钻进，终孔入基岩时换用φ56mm的金刚石钻头取芯钻进。采用KXP-1型测斜仪进行孔斜检测，所有钻孔均没有孔斜超出设计要求。　　3.4 水泥粘土浆变换标准　　每段灌浆前用灌浆浆液置换孔内钻孔泥浆，记录仪打出的第一介读数不作为变浆依据。当水固比为3：1的浆液注入量达500L，而灌浆压力和浆液注入率无明显变化时变浓一级。当水固比为2：1的浆液注入量达800L，而灌浆压力和浆液注入率无明显变化时变浓一级。当浆液注入率大于40L/min，灌注量达 800L后压力和注入率无明显变化时越一级变浓。钻孔时，孔口一直不返浆的灌浆段，可直接灌注最浓一级浆液。　　3.5 抬动观测　　每个单元均设有抬动观测孔（桩），在灌浆过程中及时进行抬动观测，并做好记录。发生抬动现象时，通过降低灌浆压力或注浆速率等措施，使抬动值在设计允许范围内。　　3.6 灌浆结束标准和封孔　　灌注水泥粘土浆时，在设计压力下，当浆液注入率不大于1L/min时，继续灌注30min或浆液注入率不大于2L/min时，继续灌注40min结束；灌注水泥粘土砂浆时，在设计压力下，浆液注入率不大于1L/min时，稳定3—5min即可结束。　　终孔灌浆结束后，用最浓一级的水泥粘土浆置换孔内稀浆，用终孔段的灌浆压力机械封孔，上部空余部分人工封孔。　　3.7 钻孔和灌浆过程中特殊情况的处理措施　　由于天然坝体物质组成和物质结构的特点，在坝体内形成架空和“砂窝”层（“砂窝”指天然坝体内孤块石之间及其架空空洞内堆积的风化页岩碎屑层），这是帷幕灌浆钻孔、灌浆及其质量检查的难点。　　钻进中遇到架空且长时间护壁泥浆漏失时，立即停钻并提钻，根据架空段高度投

www.gong66.com入碎石，然后压塞灌浆。钻进中若遇到不架空但长时间不返泥浆的孔段，立即停钻，采用水泥粘土浆进行灌注。　　由于架空段和不返泥浆段的耗浆量大，灌浆一般难以结束，需采取如下措施：　　⑴灌浆过程中出现大漏浆时，优先采用无压、低压、浓浆、限流、间歇灌浆方法；　　⑵按上述第⑴条原则操作，若浆液注入量累计达2000L后，仍不能回浆或升压力时，采用机械灌注水泥砂浆或水泥粘土砂浆，直至结束。　　⑶水泥砂浆灌注难以结束时，采用掺水玻璃的办法灌注直至不进浆结束。　　4、灌浆质量检查　　灌浆质量检查，采用钻检查孔分段压水试验的方法。　　为保证检查孔注水试验的准确可靠性，设计特别强调钻孔禁止用泥浆护壁。因用清水钻检查孔时总是发生缩径和塌孔事故，使检查孔施工曾出现一度受阻无策，成为本工程重要的关键技术问题。经两次多位专家咨询及先后5种不同工艺试验，最终选用“分级跟管护壁、小孔径清水回转钻进超前导孔、静水头分段压水试验”方法较好地解决了灌浆质量检查问题。　　5、帷幕灌浆效果分析　　共完成帷幕灌浆孔736孔，帷幕灌浆钻孔总段长51497.46m，灌浆总段长50961.76m，灌入水泥14350.26t，粘土7424.68t，平均单位耗干料（水泥+粘土）427.28kg/m.　　5.1 检查孔静水头压水试验成果　　每个单元工程均设一个检查孔，共作检查孔18个，静水头压水试验66段次，孔段合格率100%.其中帷幕灌浆试验区布置2个检查孔，透水率值最大为 4.7Lu（防渗标准为10Lu）。除试验区以外的其余坝段布置16个检查孔，透水率值最大为14Lu（防渗标准为15Lu），全部满足设计要求。　　5.2 灌浆成果分析　　注入量随孔序加密呈递减规律。下游排帷幕孔单位干料（水泥+粘土）注入量为528.27kg/m，上游排为476.49kg/m，中间排为 283.48kg/m，上游排比下游排减少9.8%，中间排比上游排减少40.5%.下游排Ⅱ序孔单位干料注入量比Ⅰ序孔减少12.3%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔减少22.2%；上游排Ⅱ序孔单位干料注入量比Ⅰ序孔减少5.5%，Ⅲ序孔比Ⅱ序孔减少24.0%；中间排Ⅱ序孔单位干料注入量比Ⅰ序孔减少12.5%， Ⅲ序孔比Ⅱ序孔减少18.7%.　　5.3、开挖检查分析　　溢洪道施工，在桩号坝0+668.231～0+605.900m范围内开挖深度7.0m ，从开挖揭露的灌浆后坝体地层结构看，大孤石裂隙以及较松散的堆积体中均被水泥粘土浆结石充填密实，浆液结石最大宽度达25cm，浆液在地层中扩散延伸长度达20m余。　　溢洪道闸室段开挖右边坡垂直深度5米处的灌浆结石照片　　5.4 渗流量观测系统观测资料分析　　灌浆施工期所建渗流量观测系统位于坝下游河床，渗流量观测从2001年7月22日至今，实测灌后最大渗流量为30.0L/s（相应库水位高程669.48m），是灌浆前库水位高程668.24m的渗流量5.2%，正常蓄水位670.50m的3.54%.　　备注： 847★为设计根据多年观测资料计算值　　综上所述，小南海天然地震堆积坝体帷幕灌浆工程，设计合理，施工质量控制科学，防渗加固效果明显。　　6、结语　　在小南海天然地震堆积坝体中作帷幕灌浆防渗加固工程，目前属国内唯一的先例。设计施工过程中，对钻孔、灌浆技术参数，灌浆材料、浆液配比、灌浆过程中特殊情况的处理、以及灌后质量检查方法等多项技术与工艺进行了较多的试验探索，并取得成功经验。　　该工程的成功实施，为我国今后解决类似工程问题积累了宝贵的设计和施工经验。　　（屈龙良   程丙权

，小南海水库地震崩塌堆积天然坝体帷幕灌浆设计与施工