双管高压旋喷灌浆技术在小型水库除险加固中的应用.pdf

引言由于部分水库在工程施工中袁 受到了当时的条件和技术限制袁 实际的施工质量未能满足规范规定要求袁在长期运行过程中袁部分小型水库出现了渗漏尧裂缝等病险问题遥 为了有效实现水库除险加固的目标袁保障人民的生活安全袁需采用合适的除险加固措施来增强水库大坝的安全性袁 让水库发挥出更为显著的使用价值遥 本文主要以团结水库大坝为研究对象袁对大坝现有问题展开讨论袁灵活应用双管高压旋喷灌浆技术袁 确保水库安全可靠运行袁发挥工程效益遥1工程概况1.1团结水库基本情况团结水库位于南平市延平区巨口乡田溪村袁是一座以灌溉为主袁结合防洪尧养殖等综合利用的小渊一冤型水库袁属郁等工程袁大坝等主要永久建筑物级别为 4 级遥 大坝保护着水库下游 0.487 万亩耕地和当地一些重要乡镇企业的安全袁为保证当地工农业的生产和人民生命财产安全发挥出了重要的作用遥水库枢纽工程主要由大坝尧溢洪道尧输水涵洞等组成袁其大坝为均质土坝袁坝顶的高程为 50.30m袁防浪墙顶高程 51.10m袁坝顶宽 4.0m袁坝顶长 156m袁最大坝高 26.60m袁大坝横剖面图如图 1 所示遥 经查福建省径流图袁 坝址处多年平均降雨量 1 740mm袁多年平均径流深 830mm袁 坝址以上多年平均径流量 466 万 m3袁水库库容系数 22%袁为年调节水库遥团结水库大坝等工程施工时受条件和技术限制袁实际施工质量部分未达到规范规定要求袁经历过多次除险加固过程袁 但大坝左岸下游侧仍存在渗漏现象袁严重影响了大坝的渗透安全问题袁制约了整体水库的安全运行和防洪灌溉等经济效益的有效发挥遥 因此袁基于目前团结水库的具体情况袁本文针对坝体存在的渗流与结构安全隐患袁 充分计算坝基渗流量袁分析大坝整体的渗流安全性袁论证双管高压旋喷灌浆技术在小型水库除险加固过程中的应用效果遥1.2存在的渗流安全问题团结水库于 2015 年 11 月至 12 月期间袁进行过放水试验及观测遥 根据多日观测情况袁在库水位降低至 41.9m 期间袁 漏水量随库水位降低而减小曰咱文章编号暂 1009-2846 渊2023冤 09-0054-06第 09 期渊总第 496 期冤吉林水利圆园圆3 年 09 月双管高压旋喷灌浆技术在小型水库除险加固中的应用黄志平渊南平市富建水利水电勘察设计有限公司袁福建南平354200冤咱摘要暂 在小型水库除险加固工程项目中袁 单管高压旋喷灌浆技术由于对结构影响程度小尧 施工操作方便尧 投入成本较低袁 已经取得了较为广泛的应用遥 伴随着单管旋喷技术逐步走向成熟袁 为了充分论证双管高压旋喷灌浆技术的应用价值袁 拓宽我国小型水库除险加固项目的技术思路袁 围绕团结水库目前面临的渗流问题袁 计算出大坝整体的渗流安全性袁 详细阐述了双管高压旋喷灌浆的技术原理和施工方案袁 并通过抗压强度及渗透系数试验袁 论证了此种防渗加固方案的实际效果遥 结果表明袁 双管高压喷射灌浆技术在团结水库除险加固中的应用满足工程防渗加固要求袁 兼顾水库的经济和社会效益遥咱关键词暂 小型水库曰 除险加固曰 双管高压旋喷灌浆曰 渗流安全咱中图分类号暂 TV 697.3咱文献标识码暂 B咱收稿日期暂 2023-05-05咱作者简介暂 黄志平渊1991-冤袁男袁福建宁化人袁主要从事水库除险加固尧河道治理研究遥54-图 2现场观测情况渊a冤背水坡湿渗渊b冤左岸排水沟渗水吉林水利双管高压旋喷灌浆技术在小型水库除险加固中的应用黄志平圆园圆3 年 09 月图 1大坝横剖面图当库水位继续降低至 35m 后袁 背水坡渗漏点无水流流出袁初步认为背水坡高程 41.9m 平台渗水为坝体渗漏遥 图 2 为 2019 年现场观测的背水坡情况袁下面对渗漏问题进行讨论院淤迎水坡院 由于团结水库处于限制运行的状态袁库水位较低袁大坝迎水坡为干砌块石护坡袁未勾缝遥 坝坡表面平整袁 未发现沉陷凸起等不良现象袁靠近防浪墙处有零星杂草遥于坝顶部分院坝面表面完好袁坝顶为混凝土路面遥 坝顶迎水侧设有防浪墙袁防浪墙部分开裂遥盂背水坡院背水坡坝脚至高程 32.7m 为堆石棱体袁外观良好袁未发现沉陷变形等不良现象袁坡面及两侧杂草丛生遥高程 32.7m 至 41.9m 为干砌块石护坡袁坝顶为预制块砼护坡袁未发现隆起塌陷等不良情况袁坡面有零星杂草及灌木袁高程 41.9m 平台中间及靠近左侧排水沟处存在渗漏现象遥榆溢洪道院 现状溢洪道平顶段渠底净宽15.0m袁平顶段有一桥中墩袁两侧挡墙为浆砌块石袁进口处有部分损坏袁底板及两侧杂草丛生袁进口处边墙存在损坏遥 陡坡段底板为浆砌块石袁两侧挡墙部分为浆砌块石袁两侧现状挡墙高度 2.1m遥 末端采用底流水跃消能袁因长期未泄过洪水袁消力池杂草丛生袁淤积严重袁轮廓不明显遥综合以往试验和现场观察结果袁 并结合 2010年除险加固施工资料可知袁 大坝坝体填土因为早期历史原因袁填土不规范尧土质较差袁且大坝左岸下游侧渗漏量会随着库水位的降低而减少袁 认为团结水库大坝存在坝体渗漏问题遥2团结水库坝体渗流安全性计算2.1大坝渗漏量计算2.1.1坝体渗漏量团结水库拦河坝为均质土坝袁 大坝粘土多呈软塑-可塑状袁标贯试验击数低袁含水量较大袁说明坝体浸润线高遥 坝体填土室内试验总体属于弱透水层袁 但土质不均袁 局部含防渗性能较差的碎砾石袁 注水试验结果表明坝体多处渗透系数大于 1伊10-4cm/s袁属于中等透水层袁不满足叶碾压式土石坝设计规范曳渊SL 274-2001冤第 4.1.5 条要求袁说明坝体填土的素填土不均匀袁 碎砾石及砂含量约占6%袁坝体分层填土的结合情况较差袁故存在渗漏问干砌块石护坡厚 300碎石垫层厚 15036.0030.0026.0028.0026.0050.3050.1041.9032.7041.9023.50堆石棱体坝轴线55-分区渗透系数透水层厚度相对透水层长度上下游水位差坝体宽度上游边岸含水层厚度下游边岸含水层厚度渗漏量总渗漏量kMBH2bh1h2Q撞Qm/dmmmmmmm3/dm3/d坝基渗漏左岸0.046 24.347.524.396/2.356.90.234 43.447.524.396/9.30.102 84.147.524.396/4.9右岸0.069 31.786.924.396/2.50.225 58.386.924.396/37.9绕坝渗漏左岸0.234 4/24.3/173113.9239.90右岸0.225 5/24.3/203126.0土层名称室内试验成果渊cm/s冤注水试验成果渊cm/s冤压水试验成果渊cm/s冤采用值渗透性等级素填土淤渊坝体填土冤水平院4.25伊10-5曰垂直院4.23伊10-51.20伊10-4/1.2伊10-4中等透水层残积粉质粘土于水平院6.05伊10-5曰垂直院5.94伊10-56.68伊10-5/6.6伊10-5弱透水层强风化花岗岩盂/3.16伊10-4/3.1伊10-4中等透水层弱风化花岗岩榆/6.74伊10-56.7伊10-5弱透水层高压旋喷防渗墙1.5伊10-6复合土工膜1伊10-10坝基渗漏量计算表表 1渗流计算参数表 2题遥 通过地质勘察结果袁当库水位处于 38.80m 时袁量水堰处测得渗漏水量约为 80L/min遥2.1.2坝基渗漏量大坝左右岸表层分布残积粉质粘土袁 渗漏较小袁多为强风化岩及弱风化岩袁根据注水及压水试验表明袁强风化岩属于中等透水层袁而弱风化岩上部透水率在 5要10Lu袁因此左右岸坝基存在强风化岩渗漏遥 以大坝坝轴线剖面进行估算袁以正常蓄水位线 47.80m 与底部相对隔水层交线为界袁根据地形分左岸尧河床尧右岸三个区选用卡明斯基公式近似计算坝基渗漏量袁计算结果详见表 1袁坝基渗漏量为 56.9m3/d遥Q=kBMH渊2b+M冤渊1冤式中院k 为渗透系数渊m/d冤曰B 为计算相对透水层长度渊m冤曰M 为透水层厚度渊取平均值冤渊m冤曰H 为上下游水位差渊上游取正常蓄水位 47.80 m袁下游取下游水位 23.50 m冤曰2b 为设计坝底宽度渊m冤遥2.1.3绕坝渗漏量大坝左右岸山体均分布强风化岩及弱风化岩袁强风化岩结构面很发育袁属于中等透水层袁左右岸坝基存在强风化岩渗漏袁 河床坝基主要分布为弱风化岩袁 渗漏较小袁 不能排除绕坝渗漏的可能袁因此左右岸均可能存在绕坝渗漏遥 两岸绕坝范围线取设计正常蓄水线与隔水层顶板交线袁 按简单水文条件层流来考虑袁选用式渊2冤粗略计算绕坝渗漏量袁 计算结果如表 1 所示袁 绕坝渗漏为239.90m3/d遥Q=KH渊h1+h2冤渊2冤2.2整体渗流安全性分析2.2.1渗流计算模型和方法本次大坝整体渗流安全性分析的计算断面选用坝体最大断面袁计算依据为叶碾压式土石坝设计规范曳渊SL274-2001冤遥 渗流计算中采用河海大学工程力学研究所编写的 野水工结构有限元分析系统渊AutoBank7.7冤冶计算程序袁通过设置坝体边界条件后采用有限元方法进行分析遥2.2.2渗流参数的选取考虑到团结水库的实际地质情况袁 通过适当选取 叶南平市延平区团结水库除险加固工程施工阶段工程地质勘察报告曳 中的土层渗透系数进行计算分析袁如表 2 所示遥 大坝坝体为均质土坝袁根据钻探提供的地质勘察资料袁 大坝填筑土的临界水力坡降取为 0.94袁允许水力坡降取为0.47遥2.2.3渗流计算工况工况 1院 上游库水位为正常蓄水位 47.80m袁下吉林水利双管高压旋喷灌浆技术在小型水库除险加固中的应用黄志平圆园圆3 年 09 月56-计算工况工况 1工况 2工况 3工况 4单宽渗流量渊m3/s 窑 m冤2.42伊10-32.66伊10-32.74伊10-32.74伊10-3背水坡溢出点最大水力坡降0.520.590.630.63大坝渗流计算成果表表 3图 3正常蓄水位渗流计算图图 4设计洪水位渗流计算图图 5校核洪水位渗流计算图图 6校核洪水位骤降至正常蓄水位渗流计算图游无水遥工况 2院上游库水位为设计洪水位 49.605m袁下游无水遥工况 3院上游库水位为校核洪水位 50.155m袁下游无水遥工况 4院上游库水位为校核洪水位 50.155m 骤降至溢洪道堰顶高程 47.80m袁下游无水遥2.2.4渗流计算成果根据有限元计算分析方法袁 对不同土层采取相应的渗透参数袁 按照团结水库大坝的坝体结构图袁对其背水坡的单宽渗流量进行计算袁并将分析得到的溢出点最大水力坡降与允许水力坡降进行对比袁画出大坝浸润线随坝体的分布情况袁得到目前坝体的渗流状态袁针对性地采取除险加固措施袁具体渗流计算成果如图 3要图 6 所示院通过表 3 可以看到袁 坝体在不同工况下的单宽渗流量较大袁 背水坡溢出点最大水力坡降大于允许水力坡降 0.47袁 因此坝体渗流安全性不满足规范要求遥 同时袁大坝浸润线较高袁已经接近 41.9m平台袁 导致背水坡 41.9m 平台处附近产生漏水现象袁 与实际情况较为符合袁 需对坝体进行除险加固袁增强坝体的防渗性以降低浸润线袁避免产生漏水问题袁消除安全隐患遥3双管高压旋喷灌浆技术原理及应用3.1双管高压旋喷灌浆技术原理自 20 世纪 60 年代末袁 高压旋喷灌浆技术作为一种较为有效的除险加固措施袁 被广泛运用于土石坝结构的水库工程中1遥 高压旋喷灌浆技术是指采用钻机将带有旋转喷嘴的注浆管袁 利用一定的压力钻入指定深度的土层中袁 将水泥浆液以高压射流的方式从旋转喷嘴中喷射出袁 并与周围被破坏的土体结合为凝结体袁边喷射边提升袁在逐渐向上提升的过程中与不同深度的土颗粒搅拌混合袁从而形成完整的固结体2遥 这种高压旋喷灌浆技术施工后可以在地基中形成强度足够的圆柱桩体袁主要应用于地基和坝体的防渗加固3遥结合不同工程的特性袁 在土石坝结构加固中往往采用高压旋喷的喷射方式4遥 目前袁高压喷射灌浆法常采用的基本工艺类型有院单管法尧二重管法和多重管法等遥 单管喷射法以喷射水泥浆液为主袁通过高压的冲击力量去破坏土体的原有结构袁使得水泥浆液迅速和土体混搅在一起5曰而双管喷射法会在水泥浆液的喷射过程中袁 在浆液四周包裹一层高压空气共同喷射袁 减少喷射中动能的损失袁可以在一定程度上提高破坏土层的效率遥 在相同条件下袁 由于受到高压喷射流周围压缩空气的影响袁双管喷射法切割破坏土体结构的效果更好袁水泥浆液和土颗粒混合形成的固结体防渗功能更强袁在水下喷射作业时表现更为明显6遥3.2团结水库大坝防渗加固方案吉林水利双管高压旋喷灌浆技术在小型水库除险加固中的应用黄志平圆园圆3 年 09 月高压旋喷桩正常蓄水位47.8m土工膜均质土坝淤泥质土浸润线排水棱体基岩ss0袁Time=0h袁H=47.8 渗流量渊进冤=2.42e-03m3/sss0袁Time=0h袁H=49.605 渗流量渊进冤=2.66e-03m3/sss0袁Time=0h袁H=50.155 渗流量渊进冤=2.746e-03m3/sss0袁Time=0h袁H=50.155 渗流量渊进冤=2.74e-03m3/sss0袁Time=24h袁H=47.800 渗流量渊进冤=2.42e-03m3/s设计洪水位49.605m高压旋喷桩土工膜浸润线均质土坝游泥质土排水棱体基岩排水棱体基岩高压旋喷桩土工膜校核洪水位50.155m浸润线均质土坝游泥质土浸润线游泥质土均质土坝排水棱体基岩高压旋喷桩土工膜t=0h袁校核洪水位50.155mt=24h袁正常蓄水位47.8m57-3.3双管高压旋喷灌浆施工方法在进行双管高压旋喷灌浆施工时袁首先利用钻机成孔袁并将注浆硬管及其喷头置于预定地层的深度袁 用高压泵将预制好的水泥浆加压袁 压力约为25要40MPa袁并经过高压软管输送到喷头袁从喷嘴中喷射出来袁接着用空压机输送高压空气袁让水泥浆液伴随空气冲击并切割土体袁强制搅拌充填周围土体袁 在此同时按照一定的转速向上提升钻杆袁从而形成一道有较高强度的圆柱体防渗结构7遥 具体的施工方法如下院渊1冤造孔院按设计孔位在坝顶安装 XY-100 型旋喷钻机遥 对钻机底座进行纵横向整平尧对中袁直至钻杆垂直于引孔预埋管遥渊2冤安放灌浆管院用特制提升三角架袁连接钻杆袁注意注浆管每节维持在 2m袁并依次逐节安装袁把带合金钢片的喷头体钻穿坝体至设计孔深袁边下钻边注入低压水冲洗防堵8遥 同时注意机械振动和及时量测调整校正垂直度袁使钻杆偏差臆0.5%遥渊3冤注浆施工院注浆材料应使用 425 号早强型水泥遥 注浆方式为压入式上行法袁自下而上袁当旋喷管下至设计深度注浆开始时应先试喷袁 旋喷过程主要技术参数为院玉气体压力为 0.6要0.8MPa袁 浆液喷射压力20要30 MPa曰域气体流量为 0.8要1.2m3/s,浆液流量 80要120L/min袁浆液比重 1.4要1.5g/cm3曰芋提升速度 10要15cm/min曰郁旋转速度 20要25r/min曰吁钻杆垂直度臆0.5%曰遇旋喷桩间距暂定 0.60m曰喻渗透系数院k臆1伊10-6cm/s遥渊4冤冲洗院在高压旋喷灌浆施工结束后袁由于注浆泵的吸水口长期运行袁 无法自动排出内部水图 7大坝防渗加固方案横剖面图图 8帷幕灌浆孔位布置图根据目前团结水库的现场监测情况和渗流安全性分析结果袁考虑到大坝浸润线的位置袁为了能够显著加强大坝的防渗功能袁改善渗漏问题袁本次除险加固采用双管高压旋喷灌浆技术袁 通过灌浆形成的防渗墙来进行防渗遥 顺着坝轴线方向袁将双管高压旋喷灌浆封口至坝顶袁 且灌浆向左坝肩延伸 15 m袁保证使坝体形成一个完整的防渗体系袁如图 7 所示遥 坝体双管高压旋喷桩号为桩号坝 0-015要0+164遥 双管高压旋喷桩孔距 0.6m袁 成桩直径逸0.9m袁孔斜率臆0.5豫袁钻孔伸至坝基土岩分界线以下 1.0m袁布置图如图 8 所示遥 本次高压旋喷灌浆钻孔总进尺为 4 610m袁 成桩后的渗透系数不大于1.5伊10-6cm/s遥同时由于坝基和绕坝均存在一定的渗漏袁故对坝基进行相应的帷幕灌浆措施遥 帷幕灌浆布置在高压旋喷防渗墙的轴线上袁从坝顶开始钻孔袁其具体范围为院 桩号 0+005要0+045尧0+052.5要0+160袁布设单排孔袁孔距 2.5m袁灌浆深度深入 10Lu不透水层以下 3.0m遥 土体钻孔总进尺为 943m袁岩体钻孔总进尺为 608m遥吉林水利双管高压旋喷灌浆技术在小型水库除险加固中的应用黄志平圆园圆3 年 09 月50.3036.0030.0026.00死水位28.00干砌块石护坡厚 300碎石垫层厚 150原高压旋喷灌浆防渗墙深入坝基以下 1m本次双管高压旋喷和帷幕灌浆轴线深入相对不透水层 3m坝基帷幕灌浆坝轴线堆石棱体23.5032.7041.90帷幕灌浆轴线坝轴线上游侧下游侧坝顶50.302 5002 5002 50058-结构部位芯样深度/m龄期/d试样状态抗压强度/MPa渗透系数渊伊10-7cm/s冤坝 0-015要0+164 桩0.5要2.048潮湿3.65.66.5要10.548潮湿3.14.816.5要20.548潮湿3.35.421.5要25.548潮湿2.85.1钻孔取芯注水试验结果表表 4吉林水利双管高压旋喷灌浆技术在小型水库除险加固中的应用黄志平圆园圆3 年 09 月泥浆液袁应及时插入清水中袁吸入清水以排出管内剩余的水泥浆液袁防止管内产生凝结堵塞的现象遥在将泥浆泵和注浆管的浆液全部排出后袁 检查全部灌浆设备袁整理记录施工参数遥渊5冤试验院在双管高压旋喷灌浆防渗施工完成后袁为确保施工质量袁应进行取芯注水试验袁测定防渗加固的抗渗和强度指标遥4防渗加固效果分析4.1开挖墙体检查在对团结水库大坝进行双管高压旋喷防渗墙施工 28d 后进行开挖检查袁 着重分析桩墙的防渗质量袁开挖检查点按照施工墙轴线情况进行布设袁在首端和末端分别开挖 2m 长度和深度的墙体袁对部分墙段的连接质量进行分析袁 检查固结体的厚度尧垂直度是否满足设计要求袁施工墙体是否满足整体均匀性的要求遥 根据开挖检查的结果袁团结水库双管高压旋喷防渗墙的墙体厚度较为均匀袁墙体成型形状规则袁 其连续性和完整性均满足设计要求遥4.2钻孔取芯注水检查在对团结水库大坝进行双管高压旋喷防渗墙施工 28d 后进行钻孔取芯注水检查袁 取芯的检查点同样按照施工墙轴线情况随机布设袁 在钻孔取芯后完成注水试验袁 取不同组别的芯样在潮湿状态下进行室内无侧限抗压强度试验及渗透系数试验袁监测抗压强度和渗透系数等性能指标遥 本次团结水库大坝取双管高压旋喷防渗墙其中四个芯样进行实验袁芯样颜色多呈深灰色袁表面较为光滑袁形状质地规则袁 试验所得的抗压强度及渗透系数试验结果如表 4 所示袁均满足设计要求遥5结语在小型水库除险加固工程中袁 单管高压旋喷灌浆技术已经能够发挥出应有的价值遥 伴随着单管旋喷技术逐步走向成熟袁 应尝试在更多的工程项目中对双管高压旋喷灌浆技术加以实践应用遥本文通过对团结水库目前面临的渗流问题进行分析袁 计算出大坝整体的渗流安全性不满足规范要求袁认为大坝存在坝体渗漏问题遥 为了能够显著加强大坝的防渗功能袁 改善渗漏问题袁 提高工程质量袁 根据团结水库的现场监测情况和渗流安全性分析结果袁采用双管高压旋喷灌浆施工方法袁与单管旋喷灌浆方案对比分析其技术优势袁 并在防渗墙施工结束后袁 通过抗压强度及渗透系数试验论证了此种防渗加固方案的实际效果遥 结果表明袁双管高压喷射灌浆技术在团结水库除险加固中的应用满足工程防渗加固要求袁 实现了团结水库的经济和社会效益袁 有利于促进我国小型水库等水利工程事业的可持续发展遥 阴参考文献院1杨雨儒.水库大坝除险加固帷幕灌浆设计及施工分析J.东北水利水电袁2022袁40渊2冤院25-27.2吴阳锋袁吴国芳.坝基帷幕灌浆在石门坎水库除险加固中的应用J.浙江水利水电学院学报袁2015袁27渊4冤院13-16.3吕云英.高压旋喷灌浆技术在陈源水库除险加固工程中的应用J.黑龙江水利科技袁2020袁48渊7冤院139-142+169.4凌朗.浅谈单管高压旋喷灌浆技术在水库除险加固工程中的应用J.陕西水利袁2015渊3冤院75-76.5吴阳锋袁吴国芳.坝基帷幕灌浆在石门坎水库除险加固中的应用J.浙江水利水电学院学报袁2015袁27渊4冤院13-16.6林亚南袁房鑫袁王博文袁等.小型水库除险加固设计J.东北水利水电袁2016袁34渊12冤院6-7.7郭亮袁肖晓春袁黄均龙袁等.高压旋喷工艺中喷射流切割效果影响因素的研究J.地下空间与工程学报袁2008渊5冤院937-942.8张璐.高压旋喷灌浆技术在小型水库防渗加固中的应用J.重庆三峡学院学报袁2016袁32渊3冤院87-91.59-