弓上水库高压旋喷灌浆防渗试验.pdf

2 0 0 1 年 l 2月 第 2 l 卷第 6期 水 利 水 电 科 技 进 展 弓上水库高压旋喷灌浆防渗试验 户朝旺， 冯玉宝， 刘继红 河南 省豫北水利勘测设计 院 ， 河南 安阳4 5 5 0 0 0 摘要 为解决河南 上水库坝基漏水严重的 问题 ， 提 出以高压喷射灌浆为主、 其 它灌浆为辅的综合 防渗处理方案． 高压喷射灌浆处理最大深度达 8 3 m 要 穿过上部 5 0 1T I 的粘土 墙 ， 为保证大坝安 全， 施_ T - 前先在坝上进行 围井试验 注永试验表 明， 渗透系数 K值满足设计要 末 据此在坝上正式 施I后 ， 下游坝脚 明流全部消失 _ T - 程节水效果显著 关键词 喷射灌浆； 坝基防渗 ； 上水库 中图分类号 T V 5 4 3 ． 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 6 - 7 6 4 7 2 0 0 1 0 6 - 0 0 6 1 0 3 弓上水库位于河南省林州市台涧镇河西村， 距 林 州市 2 3 k m， 距 安 阳市 7 0k m 谚水 库是海 河 流域卫 河干流淇河支流淅河上游 的一座 中型水库 该 水库 始建于 1 9 5 8年 ， 1 9 6 0年建成并蓄水运用 ． 大坝为粘 土心墙砂壳堆石坝 ， 现状坝顶 高程 5 0 7 ． 3m， 防浪墙 顶高程 5 0 9 ， 5lif t ， 最大坝高 5 O 3 m， 坝长 2 7 4 m， 坝顶 宽 6m， 心墙 顶 部 高 程 5 0 5 8m， 顶 宽 3 I 7 1 ， 上 下 游 1 0 ． 3 的边坡至4 5 7 m高程 ， 然后 与砂卵石层 中的粘 土齿槽连接 ， 齿槽底 宽 5 m， 深 5m， 上游覆 盖高程 4 6 0． 6 3 r t l ， 覆盖长 1 4 9， 61T I ． 坝址处为震旦系石英砂岩、 页岩 ， 地层出露 ， 岩 层产状平缓 ， 走向 N W3 4 0 。 至 N E 2 0 ， 以 N E为主， 倾 向 N E ， S E ， 倾角左岸 5 。 ～1 5 。 ， 右岸 l o 。 ～3 0 。 坝址测 区遇 大小 断层计 7 0余 条， 集 中分布于 左岸， 走 向 N F 3 0 。 ～6 0 。 ． 倾向 N W者 占 7 0 ％， 断层破碎带集 中分 布于两岸坝头 ， 岩层产状变化极大， 最大倾角 7 0 。 ， 破 碎带内岩石多呈 2～1 0 C 1T I 的碎石块 ， 吸水率 值平 均为 0 ， 2I 1 s ， m m ， 河床段 原有第 四纪地 层厚 3 6 ． 8 1 1 11 其 中砂卵石层厚约 3 0m， 在 4 4 6 1 11I 高程左右 有一连 续 分布 的壤 土 层 ， 渗 透 系 数 为 2 4～ 8 1 r r v d 左坝肩基岩受两泥质页岩夹层影响 ， 倾 角左 岸 5 。 一1 5 。 ． 右坝头试验处基 岩为紫红色石英砂岩 ， 岩面高程在 4 3 5 ～4 3 7 m之间 ， 岩石完整 ， 裂隙少， 适 宜做围井 砂卵石透水层未做任何处理， 致使水库蓄水后不久 ， 即出现一系列问题， 主要有 ①坝基下游漏水严重 ， 年平均漏水流量约 2 3 0 L ／ s ， 尤其是 间歇性漏浑水 ， 怀疑在心墙接触带有接触 冲刷破坏； ② 坝基砂卵石 层存在有不 同程度的渗透变形 ， 局部有承压水， 这从 后期钻孔 中出现 的掉 钻、 涌水现象 可以得到证实 ③坝体心墙及右坝头出现了不 同程度 的裂缝， 最大 缝长 8 0 m， 最 大缝 深 3 o ． 3 1T I ， 最大 缝 宽 O l 5m， 最大 错距 0 ， 3 6 m， 裂缝 以平行于坝轴线 的纵缝为主 ； ④左 坝肩基岩破碎 ， 绕渗严重 ， 据 1 9 7 5年地质报告 ， 有 7 组断层自左坝肩穿过， 产生很多垂直裂隙及破碎带 ． 形成 水库埽 水通道 ． 针对水库防渗体系存在的问题 ， 经方案比较、 论 证， 提出以垂直防渗代替现状水平防渗体系的防渗 处理指导思想； 以高压喷射灌浆为主， 其它灌浆为辅 的综合处理方案． 该方案是利用高压喷射灌浆处理 坝 基 砂 卵 石 覆 盖 层， 高 压 喷 射 墙 体 顶 部 高 程 4 5 6 ． 0 m， 底部高部至基岩 以下 l 1T I ， 最大高压喷射深 度8 3 ／ 1 1 ， 是目前灌浆处理 的最大高压喷射深度 ． 为保 证幕墙连续及最小搭接厚度 ， 经测算， 采用终孔孔距 0 ． 5 m的高压旋喷灌浆 ， 要求孔 斜率小 于 0 5 ％， 旋 喷桩体直径不小于 1 ． 3 m； 大坝左坝肩 桩号 01 6 2 ～ O 2 2 6 的透水基岩采用帷幕灌浆处理 ； 右坝头及 牯土心墙裂缝部分用回填灌浆处理 1 大坝防渗存在问题及处理方案 2 高压喷射灌浆现场试验 水库施工正值大跃进时期 ， 设备落后， 施工质量 差， 心墙及坝壳堆石碾压不均匀、 不密实 ， 加之坝基 高压喷射灌浆是正在发展 中的新技术 理论尚 不成熟 ， 实践经验不 多 弓上水 库最大处理深度近 作者简介 朝旺 I 9 6 5 ． ． 河南清主人．1 程啼 ． 主要从事水利工程勘 测设计 工作 6 1 9 0 ／ 1 1 ， 据 r解， 目前我 国最大处理深度为 7 0 m． 为 了 克服施工的盲 目性 ， 大规模施工前 要求先进行围井 试验 ， 通过试验寻找并确定适合该地层的各项参数 ， 用于大坝正式 施工 ． 2 ． 1 试验位置选择 围井试验位置选择 了两个方案 一是在下游坝 脚原状砂卵石覆盖层上 ， 井深 5 m； 二是在现状坝顶 上直接进行 围井试 验， 井深 7 0余 1T I 其 中要 穿过 5 6 m的粘土心墙 ． 两方案各有优缺点 ， 方案一投资 少、 工期短 ， 便于开挖检查 ， 试验直观 ， 但 因实际施工 中， 最大高压喷射深度 8 3 1 T I ， 试验参数及试验结果与 实际施工没有可 比性 ； 方案二直接上坝试验， 试验结 果与工程实际接近， 但 因围井深 ， 不 能直接开挖 检 查 ， 只能通过压 、 注水试验检测 其效果 ． 综合 分析上 述两方案优缺点 ， 考虑谚水库处理深度深 ， 为安全起 见， 决定在坝上直接进行试验． 在坝上进行围井试验 ， 因不能进行开挖检查 ， 这 样就不能知道利用的高压喷射参数在砂 卵石层中的 影响半径究竟是多少， 能否满足设计要求 为了解决 这些问题， 在上坝进行 围井试验前 ， 先在下游坝脚出 露的河床砂卵石覆盖层上做了个试喷桩 ， 桩深 5 m， 用于寻找满足设计要求的各项高压喷射参数 ． 试喷 桩位置选在坝下河西电站院 内， 围井位置根据工程 地质条件， 选在坝顶右坝头 大坝桩号 00 7 0 0 0 7 3 的现状坝轴线 下游侧 ， 该处 底部基岩完整性较 好 ， 高程在 4 3 5～ 4 3 7 1 T I 之 间 ． 2 ． 2 围井试验 2． 2 ． 1围井井型 参照巳建工程的围井试验， 按照以下原则确定井 型 ①在达到试验 且的并满足设计要求 的前提下． 尽 可能节省试验投资； ②围井布孔在满足孔斜等要求的 前提下， 要能形成封闭体； ③保证围井内有足够的原 状砂卵石层． 按照上述原则 ， 在坝上布置了由 l 6个旋 喷孔 其中坝轴线上有 5 个 组成的多边形围井． 孔距 0 ． 5 m， 孔深至基岩以下 l m， 这样就将围井四周封闭． 一 般围井试验深度较浅． 四周封闭后进行开挖， 然后 浇注混凝土形成上下盖， 而该围井深度 7 4 m， 开挖是 不可能的， 为了解决这一难题， 拟在 围井形心处打一 孔， 在设计高程进行高压喷射灌浆形成上下盖． 围井处砂 卵石层厚约 1 4 m， 依据压水试验规程． 确定试验段长为 5 1T I ， 为了满足试验要求， 利用 中间 L 分别在 4 5 1 ． 0～4 4 9 ． 5 l q fl ， 4 4 4 5～4 4 3 0 r ill ， 4 3 8 0～ 4 3 6 5 m高程段进行高压 喷射灌浆， 形成 l 5 1T I 厚的 三层盖板 ， 将围井分成段长 5 m的两段 ， 见图 I a 1 平面 布置 m】 [ 一I 剐 回 圉 1 国井试 验平 面位置 2 ． 2 ． 2 试验设备及参数选择 经多方考察， 考虑该工程处理深度较大 ． 拟采用 目前较先进 的双管高压喷射 ， 即利用高压水泥浆和 空气两介质进行高压喷射， 这样较原三介质藏少 了 高压水对浆液的稀释作 用； 考虑高压喷射 的刚度限 制， 深度太深， 喷嘴方向难以控制， 为 了保证幕墙的 连续 ， 拟采用旋喷． 主要设备有造孔机械、 高压泵、 高 压喷射台车等 ． 为了确定围井试验各项参数， 在坝下做了 3 个斌 喷桩 ， 三个试喷桩的高压喷射参数是参照已建工程实 例， 结台弓上水库实际及设备情况拟定的， 详见表 1 ． 按照表 I 参数 ， 于 1 9 9 8年 8月在坝下进行 了 3 个试喷桩 的高压喷射灌浆 ． 1 5 d后 ， 进行 了 开挖检 查， 开挖后发现 ， 试喷位置是后期人工 回填的， 地层 不太均匀 ， 但 密实 度很好 ， l号 、 2号桩 有大粒径卵 石 ． 最大 l 1 T I 左右 ， 3号桩在砂砾石层上 ， 粒径普遍较 小． 从高压喷射效果看， 砂砾石地层形成桩体直径达 1 ． 8 m， 局部达 2 m， 2号、 3号砂卵石地层形成桩体直 径 1 ． 4m， 局部达 1 ． 6 m． 由此可看 出 地层粒径大小 对高压喷射影响半径影响很大 ． 大粒径地层 ， 虽然提 升速度慢 ， 其影响半径反而小 根据试验情况， 为保 证坝上试验成功， 在坝上围井试验中， 要求根据不同 地层采用不同的提升速度 高压喷射过程中， 其它参 表 1 坝下试喷桩高压喷射参数统计 数均已确定 ， 最大提升速度不超过 1 5 c m ／ m i n ， 遇大 孤石 钻孔时将地层情况记录清楚， 高压喷射灌浆时 按照造孔时确认的地层情况进行高压喷射 或壤土、 牯土层， 提升速度降 为 1 0 e l l a ／ m i l 1 ． 高压喷射 围井盖 板时， 提升速度降为 5 ～6 e ra ／ m i ll 2． 2． 3固井试 验施工 施工难题有两个 一是工作面窄， 现状坝顶宽仅 6 m． 无法布置高喷台车等设备 ， 为了解决这一难题 ， 结合大坝加高， 在施工安排上首先进行 了现状坝顶 以下的下游坝坡培厚工程施工， 使坝顶工作 面由原 来的 6 m增加至 1 3 _ 8 m， 满足了施工要求 ． 二是围井 要穿过5 6 m深的牯土心墙坝体 ， 且心墙本身有裂缝 等隐患， 如何保护好坝体心墙， 也是防渗处理的关 键 ． 最初设计方案为 心墙要求干钻， 结束后， 即下套 管至心墙底部 ， 下部砂卵石层用泥浆固壁钻进 ． 经过 一 段时间的施工后发现 ， 钻孔 速度慢 ， 尤其是 3 0m 以下， 小时进尺不足 0 ． 5 m， 随着深度的加大 ， 需要机 械动力不断增加， 机械损坏时有发生 ， 严重影响了施 工进度． 为了提高钻孔速度， 经有关专家研讨 ， 决定 全孔采用牯土泥浆固壁钻进 ， 心墙部分遇漏浆时， 及 时进行堵漏处理， 心墙钻孔结束后， 及时提钻下套管 保护上部心墙 ， 然后钻下部卵石层． 为了确保大坝安 全， 要求在施工过程 中， 加强大坝变形及渗漏观测 ， 发现问题 ， 及时解决 ． 围井高压喷射灌浆分三序进行施工 施工程序 是 钻机就位一调平机架一钻孔一测斜一下套 管一 钻机移位一高压喷射台车就位一调平一试喷一下高 压喷射管一灌浆一起拔套管一封孔 ． 钻下部砂卵石 层时， 如有漏浆现象 ， 及时停钻， 回填粗砂、 中细砂及 粘土堵漏， 直至返浆正常， 再继续钻进 ． 施工中遇到 的其它特殊情况 ， 现场解决． 2． 2． 4围井试验检 验 为了查明围井成功与否， 要进行一系列的检查和 试验． 因不能开挖检查 ， 结合水库实际情况 ， 对围井进 行 r 注水试验 ， 注水试验结束后， 钻孔取样做渗透及 一 些物理 、 力学指标测定 桩体密实 ， 无漏 喷现象 ． 坝上围井注水试验分两段进行 ， 第一段 上下面 高程分别为4 4 9 ． 5 m， 4 4 4 5 m； 第二段 上下面高程分 别为 4 4 3 ． 0 m， 4 3 8 ． 0 m， 坝顶 面高程 为 5 0 7 ． 3 m． 围井 墙体计算厚度考虑两种情况 ①纯理想情况， 即按设 计影响半径 ， 无孔斜计算最 小搭 接厚 度， 经计算 为 1 ． 2 m； ②按照平均实测孔斜率计算最不利 情况组台 下的最小搭接厚度 ， 围井试验 l 6孔实测平均孔斜率 为 o ． 2 7 ％， 按此孔斜率计算最小搭接厚度为 9 5 c m． 围井注水试验观测数据及计算成果见表 2 表 2 围井注水试 验计 算成果 表 2中， 做注水试验时 ， 在大坝围井左右两侧均 读取了测压管水位 ， 但两管水位不同 ， 计算采用平均 水头； 另外， 计算 围井渗透 面积时 ， 没有考虑上下盖 板， 故计算的渗透系数 值偏大 从表 2可见 ， 各种 情况计算结果 的 值均小 于 1 1 0 一 c s ， 满足设 计要求 ． 由此可见围井试验是成功的． 3 结语 通过试验 ， 说 明弓上水库采用高压喷射灌浆进 行防渗处理的方案是合理的． 弓上水库最大处理深 度达 8 3余 m， 在实施过 程中出现 了一些问题 ， 有一 定的施工难度 ， 但 都得 到了圆满解决 ． 水库运行 至 今， 防渗处理以来的最高运行水位 4 9 5 m， 下游没有 出现明流 ． 经过查孔测试 ， 形成的帷幕渗透系数均在 1 1 0 c m ／ s 左右 ， 取 出的岩心强度等各项指标满 足设计要求 ． 弓上水库防渗工程实施后， 每年可为林 州市节水 8 0 0余万 m 3 ， 同时为 以后地层工程的处理 取得了宝贵的经验 ． 收稿 日期 1 9 9 9 1 0 1 0 编辑 张志琴、 上接第 6 o页 现象， 延长止水橡皮的正常使用寿命， 方便管理 ． 改进型闸门止水技术 ， 既适用于新建水闸 ， 包括 平面钢闸门、 混凝土闸门， 同时也适用于现有灌排渠 系上广泛分布的小型闸门的止水改造， 在 目前灌 区 节水改造配套 中具有较高的推广价值 ． 参考文献 [ 1 ]5 L 7 4 - 9 5 ， 水利水电工程钢闸门设计规范[ s ] [ 2 ]D L ／ T 5 0 1 8 9 4 ， 承利承电工程钢闸门制造安装及验收规 范[ s ] ． [ 3 ] 蔡正坤． 闸门与启闭机[ M]第二版． 北京 水利电力出版 社 ， 1 9 9 3 1 6 5～1 8 1 ． [ 4 ] S L 1 0 1 9 4 ， 水工钢闸门和启用机安全检测技术规程[ s ． [ 5 ] 穆绪刖． 闸门止水的新形式[ J _ ． 山东水利科技， 1 9 8 9 3 3 5． [ 6 ] 穆绪刚． 闸门双重止水技术及施工要求[ J ]山东水利科 技 ， 1 9 9 7 3 1 0～1 1 收稿 R期 2 O 0 一 邮 1 4编辑 张志琴、