无损物探和摆喷灌浆技术在杨坑水库中的应用_张初滦.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 092无损物探和摆喷灌浆技术在杨坑水库中的应用张初滦(龙岩市新罗区水利水电技术工作队，福建 龙岩 364000)摘要通过物探法对土石坝进行无损探测，分析坝体填筑密实性和存在的渗漏通道，并进行高压摆喷灌浆，是水库防渗处理的有效形式之一。以福建龙岩市杨坑水库坝体防渗工程实践为例，对无损物探及摆喷灌浆技术在杨坑水库中的应用进行研究，无损物探采用高密度电法及微动勘探法，从应用效果看，无损物探方法减少了对原有坝体破坏，结合各异常的高程和水平位置，推测了三条渗漏通道的位置，分别为(1)由异常 B1 和 A1 汇集到 A3，再流经 B5，在分别从两个现场渗漏点流出;(2)由异常 A1 和 A2 汇集到 A4，再和 B4 汇集到 B6，再从右边渗漏点流出;(3)由异常 A2 流经 B4 再分流到 B7，此异常处于坝体和坝基交界处，渗漏可能沿着交界处继续。结合物探成果精准选定高压摆喷灌浆技术对大坝进行加固处理，减了少工程投资，防渗处理效果很好。研究应用成果可为供类似工程借鉴。关键词水库;无损物探;防渗处理;高压摆喷灌浆中图分类号TV543+12;P631 8 文献标识码B 文章编号 1004 1184(2023)03 0267 03收稿日期2023 01 10作者简介张初滦(1973 )，男，福建尤溪人，工程师，主要从事水利水电工程管理方面工作。1工程概况1 1工程位置及等别杨坑水库位于龙岩市新罗区适中镇，东南诸河九龙江西溪支流坪坑溪上游，是一座以城镇供水为主的小(1)型水库。坝址以上集雨面积 2 46 km2。大坝为均质土坝，最大坝高为36 30 m，坝顶高程 768 00 m，水库正常蓄水位 766 00 m，校核洪水位 767 66 m，总库容 122 80 万 m3，属完全年调节水库。该工程于 1977 年动工兴建，1980 年 12 月建成。1 2工程地质坝址所在工程区属低中山地貌，植被发育，坝址处河流流向为 S25W，河谷呈敞开式“V”字型，河床比降较小，无阶地发育，左岸坡脚沿库周地势平缓，局部形成干沟，为雨水排泄通道，坝址两岸地形基本对称，两岸山坡坡度 35 45。大坝填筑土主要为粉质粘土，土黄色，硬塑 可塑，干强度中等，切面平整，有砂粒感，粘性一般，填土的物理力学性质存在不均一性，钻孔注水试验渗透系数最大值 1 81 10 4cm/s，最小值 5 26 10 5cm/s，平均值 1 5 10 4cm/s，坝体总体为中等透水。坝基为上统翠屏山组(P3cp)灰色粉砂岩，为弱透水。经核查:该水库在库水位为 756 00 m 时，下游背水坡坝面 744 90 m 高程处出现约 80 100 m2的湿润面，且有 2 个渗漏点，渗漏量约为 2 0 3 0 L/s。该水库大坝病险严重，属三类坝。2物探法无损探测为了解大坝整体填筑质量和渗漏通道位置，现阶段对于此类地质问题，通常采用钻探和物探两种探查手段。钻探手段是采用在坝体上钻孔、压水试验，再根据钻孔取芯芯样本、孔内摄影和压水试验情况，再进行判别。虽然也能够在一定的范围内检查出大坝病险问题，但要求在大坝布设很多的钻孔、要很长的施工工期，也花费大量的时间和资金，还存在无法准确的查清渗漏通道具体分布，同时高密度的布设钻孔对大坝本身也是一种损坏。物探手段是通过对坝体介质物性差异进行数据采集与处理分析，其无损方式、大面积勘查、高效低成本等特点，适合于对大坝全面、常态化检测和测试，可为大坝安全评价和治理提供有效的参数，是大坝隐患快速、准确、无损探测的首选方法。所以杨坑水库选择高密度电法和微动勘探综合物探法进行地质探查。2 1物理基础水库大坝的渗漏通道通常含水量较大，水是良导体，从而导致渗漏通道相对于周围介质而言电阻率较低。同时渗漏通道一般是由不良地质体或工程隐蔽缺陷导致的，其波速低于周围正常介质的波速。因此，当大坝坝体或坝基中存在渗漏通道时，其相对于周围的介质，会存在明显的电性、波阻抗差异，这就是大坝利用物探方法进行探测的地球物理基础。本大坝填筑土中含砂量占 10%30%，且经过压实处理，在不浸润的情况下其电阻率值比壤土或素填土要高;填土存在局部不均匀性，局部土层渗透性较大，呈中透水，可引起局部低阻、低速异常;背水坡偏下位置有渗流现象，坝体整体的电阻率值变化范围较大，而横波波速变化范围相对较小;另外坝基为上统翠屏山组(P3cp)灰色粉砂岩，呈弱透水，其电阻率值较高，横波波速较大;坝体中的裂隙、孔洞、松散软弱层等不良地质体能够引起明显的物性差异，为本次开展物探提供了物性基础。2 2物探方法和技术2 2 1高密度电法高密度电法是在测线上同时布置多个电极，通过电极转换装置，组合成指定的电极装置，进而实现多电极距在观测7622023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3剖面的多个测点上的视电阻率观测，具有电阻率剖面法和测深法双重作用。本次物探在大坝坝顶与背水坡高程 758 93m 马道处布设了 G1 和 G2 两条测线，测线电极距 1 5 m，测线长均为 123 m，采集 83 个物理点。采用温纳 装置进行测量。2 2 2微动勘探法微动勘探法就是以平稳随机过程理论为依据，基于空间自相关法数据处理技术，从台阵微动观测数据中提取瑞雷波相速度频散曲线，通过对频散曲线反演、计算，获取地下介质S 波速度结构、视 S 波速度剖面，以划分地层岩性、探测地质构造的地球物理探测方法。本次在大坝坝顶、高程 758 93 m马道处和高程 750 26 m 马道处分别布设了 W1、W2 和 W3三条测线。W1 线点距 3 m、W2 线点距为 2 m 和 W3 线点距1 5 m，三条测线线长分别为 99 m、52 m 和 43 5 m，分别采集34、27 和 30 个物理点。采用 GN209 远程实时智能微动系统进行数据采集。2 3成果解译2 3 1高密度电法高密度电法 G1、G2 线 2 条测线电阻率剖面成果分别如图 1、图 2 所示。图 1 和图 2 的物探剖面成果显示，二条测线的视电阻率范围基本一样，G1 和 G2 阻 值 在 150 5 000m范围内。二条剖面电性分布总体上呈水平层状。图 1高密度电法 G1 测线图 2高密度电法 G2 测线电阻率剖面成果图电阻率剖面成果图1)G1 测线桩号 3 120 m 范围内，其底界面高程变化范围为 749 768 m，大致分为三层，即近地表浅部的低阻 中低阻薄层，可能与施工近期有降雨，地表湿度较大有关。水位线下中间约 8 m 厚的中阻 中高阻层，以及底部的低阻 中低阻层，各电性层阻值差异较小。坝体内有两处显示的低阻异常位于剖面下部左下角和右下角位置，异常面积较小，左下角异常因勘探深度不够异常呈不完整，编号为 A1，在桩号 48 54 m 范围内，其底界面高程变化范围为 749 751 m，该异常较不明显，阻值在 100 150 m 范围内。右下角异常呈圈闭状，编号为 A2，在桩号 69 77 m 范围内，其底界面高程变化范围为 751 755 m，阻值在 300 350 m 范围内。2)G2 测线桩号 3 120 m 范围内，其底界面高程变化范围为 741 768 m，低阻异常带位于剖面底部的左右两侧，因勘探深度原因，推断异常范围未完整呈现，异常区域位于剖面底部左右两侧，编号为 A3 位于水平距离 33 42 m，其底界面高程变化范围为 744 749 m，编号为 A4 位于水平距离 63 72 m 之间，其底界面高程变化范围为 741 746 m，表现为两个半圈闭的半椭圆形异常，A3 异常不明，A4 异常明显，阻值都在 150 200 m 范围内。2 3 2微动勘探微动勘探共获得 W1 W3 线 3 条测线的视横波速度剖面，成果分别如图 3 图 5 所示。图 3 图 5 的微动物探视横波速度成果剖面显示，微动勘探成果较高密度电阻法更为直观，有足够的探测深度。图 3微动勘探 W1 测线视横波速度剖面成果图图 4微动勘探 W2 测线视图 5微动勘探 W3 测线视横波速度剖面成果图横波速度剖面成果图1)W1 测线:编号为 B1 的异常中心在水平距离 15 21 m左右的次低速异常，形态为芒果状，波速在 270 300m/s范围内，面积较大，处于水位线以下到高程 751 m 近地表区域;编号为 B2 的异常中心在水平距离 42 66 m 左右的低速异常，15 21 m 波速在 200 330 m/s 范围内，面积大，处于高程 750 751 m 近地表区域。2)W2 测线:编号为 B3，水平距离 3 12 m 高程 745 735 m 区域，由 2 个小面积次低速异常一起组成的次低速异常，波速在 300 330 m/s 范围内;坝体右侧中下部，有一面积较大，编号为 B4 异常中心在水平距离 36 42 m 高程 751 740 m 区域的次低速异常，波速在 240 330 m/s 范围内。3)W3 测线:剖面显示坝体上半部分波速普遍很低，推断圈定了三处异常。一处为编号 B5 位于水平距离 4 22 m 高程 748 743 m 区域之间，在离地表较近位置，呈凸起状，大面积低速异常，波速在 100 160 m/s 范围内;一处为编号 B6位于水平距离 29 33 m 高程 746 740 m 区域之间离地表较近位置，异常中心呈圈闭状，面积较大的低速异常，波速在160 240 m/s 范围内;还有一处为编号 B7 位于水平距离 41 33 m 高程 745 739 m 区域之间坝底与坝基的接触带附近，异常呈立起保龄球起状的次低速异常，面积较小，波速在270 300 m/s 范围内。2 4渗漏通道的推断根据 2 条高密度电法剖面上的低阻异常分布情况圈定了异常区，分别编号为 A1 A4。根据 3 条微动勘探剖面圈闭的低速异常圈定了异常区的范围，分别编号为 B1 B7，圈定的低速异常区位置存在不良地质体的可能性较大。由于 G1 线和 W1 线，施工位置基本一致，首先通过对比发现，A2 异常和 B2 异常位置对应较好，此处位置渗漏通道可能性较大，A1 异常和 B1 异常虽然水平距离对应位置不是很理想，但是有可能因为受限于高密度勘探深度不够的影响，未能充分反映出 A1 异常的范围，所以 A1 和 B1 异常有可能是渗漏通道。G2 和 W2 线对应起来看，A4、和 B4 异常在水平距离上相对较近而且高程位置基本一致，存在低阻异常和低速异常情况，有可能存在渗漏通道，而 A3 和 B3 异常位862第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月置相对独立的，A3 异常处在坝体与坝基的交界处，与 B1 异常可能存在关联性有可能存在渗漏通道，而 B3 高程位置更低，是中速异常，通过 W3 线的低速异常情况倒推 B3 是渗漏通道的可能性较小。根据 W3 线圈定的 B5、B6 和 B7 异常都有可能是渗漏通道。根据以上分析，结合各异常的高程和水平位置，推测了三条渗漏通道的位置，如图 6 所示，一条是由异常 B1 和 A1汇集到 A3，再流经 B5，在分别从两个现场渗漏点流出;一条是由异常 A1 和 A2 汇集到 A4，再和 B4 汇集到 B6，再从右边渗漏点流出;还有一条由异常 A2 流经 B4 再分流到 B7，此异常处于坝体和坝基交界处，渗漏可能沿着交界处继续。图 6综合物探推测渗漏通道分布图3大坝防渗设计大坝防渗处理，总的原则是“上堵下排”，上堵的措施有垂直防渗和斜墙铺盖防渗，下排的措施有反滤透水铺盖、导渗沟和减压井等。垂直防渗和斜墙铺盖防渗措施能有效解决大坝渗漏问题，适用于本大坝工程，经比较最终选定高压摆喷灌浆技术对大坝进行加固处理。3 1防渗设计根据物探 G1 线和 W1 线推断的异常位置和存在的渗漏通道，设计选择在坝顶沿坝轴线做三管高压摆喷造防渗墙进行处理，沿右岸坝端往左岸 76 8 m 范围内布置单排孔，孔距1 2 m，共布置 65 个孔，钻孔孔深至坝基强风化层下限。钻孔总进尺为 2 058 m，灌浆总进尺 1 993 m。无物探勘测时，设计选择沿坝轴线全断面布置，需布置 103 个孔，钻孔总进尺为 2 798 m，灌浆总进尺 2 695 m。通过物探探测后可少布置 38 个孔，灌浆进尺可减少 702 m，可节省投资 48 80 万元。3 2灌浆参数高压喷射灌浆施工属隐蔽性工程，选取试验段试验后来确定 灌 浆 的 施 工 参 数:水 压:37 38 MPa，流 量 75 78L/min;搭接长度20 cm，防渗墙厚度15 30 cm，平均厚度 20 cm;压缩空气喷射压力 0 6 0 8 MPa，压缩空气输送量 1 0 1 2 m3/min;水泥浆压力 0 8 1 0 MPa，流量 74 80 L/min，浆液比重 1 4 1 5;回浆比重 1 4 1 6;提升速度15 cm/min，摆速 10 次/min，摆角 30，喷嘴 4 个，喷嘴直径3 2 mm。3 3灌浆施工在经过试验和充分施工准备的基础上，开始正式施工。分两序施工，先序孔，后序孔。工艺流程为:定位放线钻机就位钻孔至设计孔深完孔钻机移位测孔斜率高喷灌浆台车就位制浆、送浆试喷下入注浆管至设计深度喷射摆动提升按设计参数提升速度提升喷完全孔冲洗机具、静压灌浆回填封孔结束移机具到新孔位。施工总工期为 80 日历天，总耗灰量 1 243 9 t，平均耗灰量为0 60 t/m。3 4质量检查工程施工结束 28 d 后，通过钻孔取芯和压水试验，抗压强度平均值为 7 5 MPa，渗透系数为 1 12 10 7cm/s，均满足规范和设计要求。本工程加固后运行至今已近 10 a，经历了多次洪水和高水位变化考验，下游坝面湿润面和渗漏点消失，说明灌浆效果明显，坝体渗漏得到了全面解决。4结语杨坑水库通过高密度电法和微动探测的组合物探手段，分析了坝体填筑质量和渗漏通道，减少了对即有坝体破坏，同时结合物探成果优化了防渗措施，减少工程投资，防渗处理效果好，值得在更多的水库除险加固工程和大坝安全鉴定中推广应用。参考文献 1王大平 浅谈工作实践中的物探问题 有色矿冶 2020 36(02)2乌江，张明财，陈宗刚 综合物探法在水库除险加固工程中的应用 科技广场 2017(05)(上接第 233 页)能满足 60 m3/s 泄量，且堤防两侧均为水田)8，黄家岗与范家山水库按水库调节洪水进行下泄，各水库下泄洪水过程线采用除险加固后成果，具体见表 6 所示(部分)。4结语水库的洪水计算成果对于雨季防洪有着重要的指导意义，虽然本项目涉及到的三座水库均以灌溉为主要任务，但如果加之科学管理，也能起到一定的调水防洪作用。通过查找资料结合科学计算，得出了合隆、黄家岗、范家山三座水库的设计洪水过程线和下泄洪水过程线，并且有针对性地对水库进行了除险加固，使它们满足了 10 a 一遇洪水的调节需要。参考文献 1郭生练，刘章君，熊立华 设计洪水计算方法研究进展与评价J 水利学报 2019 47(3):13 16 2王忠静，朱金峰，尚文绣 洪水资源利用风险适度性分析J水科学进展 2020 26(1):77 83 3刘招，席秋义，贾志峰，等 水库防洪预报调度的实用风险分析方法研究J 水力发电学报 2013 32(5):68 73 4景晓菊，闫伟伟，颜雪丽 浅析无资料中小流域梯级水库下游设计洪水计算J 水利规划与设计 2019 21(6):52 56 5郭生练，熊立华，熊丰，等 梯级水库运行期设计洪水理论和方法J 水科学进展 2020 31(5):12 17 6李大伟，马建军，龙腾华 存在引洪渠的小型水库洪水组合分析J 水利技术监督 2021 22(02):11 16 7李天元，郭生练，刘章君，等 梯级水库下游设计洪水计算方法研究J 水利学报 2021 45(6):85 91 8顿晓晗，周建中，张勇传，等 水库实时防洪风险计算及库群防洪库容分配互用性分析J 水利学报 2018 50(2):38 43962第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月