垂直防渗技术在土石坝除险加固工程中的应用和设计优化

罗居剑

(上海勘测设计研究院,上海 200434)

垂直防渗技术在土石坝除险加固工程中的应用和设计优化

罗居剑

(上海勘测设计研究院,上海 200434)

垂直防渗是土石坝除险加固中常用的一种技术,多头小直径深层搅拌桩、高压喷射灌浆、混凝土防渗墙三种垂直防渗技术各有其特点。对三种方法进行系统总结和比较的基础之上,结合几座水库土石坝防渗加固的设计实践,论述了垂直防渗技术的设计要点和设计优化的基本方法,强调垂直防渗技术的优化选择应基于渗漏问题自身特点、地层地质条件、当地施工技术水平、投资等综合研判之上,并应重视防渗结构的可靠性。

垂直防渗墙;多头小直径深层搅拌桩;高压喷射灌浆;混凝土防渗墙;设计优化

0 引 言

我国是一个水库大国,其中95%的水库大坝为土石坝[1]。大部分水库都是建国初期所建,由于当时的社会经济条件和技术水平所限,大量工程采用“土法上马”,坝体填筑质量较差,碾压密实度及渗透系数达不到标准或者坝基防渗处理不彻底,致使大量水库处于带病工作状态。主要表现为下游坝坡或坝基出现渗漏、沼泽化,甚至出现管涌、流土、接触冲刷等渗透破坏,坝体出现裂缝或滑坡等问题。土石坝渗漏问题不仅威胁大坝稳定,还会直接导致大坝失事。因此,在土石坝加固中,大坝防渗加固往往是控制性工程,而垂直防渗是大坝加固设计中采用最多的一种方法。防渗墙成墙方法很多,主要采用的有多头小直径深层搅拌桩成墙法、高压喷射灌浆成墙方法、混凝土防渗墙等。在土石坝除险加固中,防渗方案的设计优化不仅关系到防渗的可靠与安全,也直接影响到工程的投资。笔者在“十一五”期间负责和参与了一批水库的除险加固工程设计,兹作此文,将垂直防渗技术在土石坝除险加固工程中应用的若干经验做一个总结,希望能够为以后的工作提供参考,并以此抛砖引玉,引起同行更深入的探讨。

1 垂直防渗技术

垂直防渗的方法,除帷幕灌浆外,现在常用的可以分为3大类,即多头小直径深层搅拌桩成墙法、高压喷射灌浆法、混凝土防渗墙。

多头深层搅拌机具一般为3～6钻头,钻头直径200 mm～450mm[2]。对20 m以内的软土地基来说,多头小直径深层搅拌桩是比较经济适用的,防渗效果也有保障,在中低土石坝中具有较高的竞争力。

高压喷射灌浆的显著特点是可灌性好,运用机动灵活[3]。所谓可灌性好,是指高压喷射灌浆依靠高压强力破坏原地层,不存在一般注浆的可灌性问题。运用机动灵活是指该工艺无需对地层进行开挖,可在钻孔的任何高度上、采用不同的方向、不同的喷射形式,按设计要求形成不同形状的凝结体。对高素质、有经验的施工队伍来说,可以解决很多其他方法较难解决的问题。高压喷射灌浆困扰工程的问题是其缺少快速可靠的检查方法;当地层中存在较多粒径大于10 cm的卵石、漂石时,帷幕体的连续性不易保证,虽然通过增加孔数和排数的办法可以保证其连续性,但其造价往往不一定比混凝土防渗墙低。

混凝土防渗墙几乎可以适用于一切地层[4],对于不同地层可选择不同的成槽工艺,处理深度也大,但投资较高。相比前面两种方法,此方法最为安全可靠。首先防渗墙是在完整的槽孔并有可靠的接头条件下浇筑混凝土而形成的,其次,造孔过程中泥浆的渗透和泥皮的存在形成了一个附加的隔水层,最后,防渗墙的工序检验和最终检测方法相对成熟。

3种方法的技术特点对比详见表1所列。

表1 几种大坝防渗加固方法比较一览表

2 防渗加固设计的技术要点

2.1 共性化设计

上述三种垂直防渗加固方法的设计遵守一些共同的基本原则,主要包括其布置与构造、墙厚、防渗性能指标和强度指标等。

2.1.1 布置与构造

(1)平面布置。垂直防渗应用于坝基防渗时,墙体与大坝防渗体相连接,故其轴线一般随大坝防渗体的轴线进行布置。

(2)深入相对不透水层的深度。入岩(相对不透水层)深度稍大,对防渗有利,但入岩太深,不仅增加工程投资,对防渗体应力亦不利。一般说来,防渗体深入不透水层的深度在0.3 m～2.0 m。

2.1.2 墙厚

防渗体在渗透作用下,其耐久性取决于机械力侵蚀和化学溶蚀作用,这两种侵蚀破坏作用都与水力梯度密切相关,目前在防渗体设计中是根据防渗墙破坏时的水力梯度来确定其厚度的,即:

式中:Jp为防渗体的允许水力梯度。Jp对多头小直径深层搅拌桩可以达到50,对于混凝土防渗墙为80～100。对于高压喷射灌浆,山东省水利科学院曾进行过试验[3],在渗透坡降为693～1 200时仍产生正常渗透。在已有的工程实践中,多头小直径深层搅拌桩成墙厚度为18 cm～33 cm,高压喷射灌浆防渗墙则为10 cm～50 cm(如采用多排旋喷桩套接,则不受此限),混凝土防渗墙一般厚度为40 cm～100 cm。

2.1.3 防渗性能指标

防渗性能指标用得较多的是渗透系数K,对土石坝的防渗加固,垂直防渗体的渗透系数均要求不大于1×10-5cm/s,具体应通过各工程情况和选取的防渗方法来决定。一般说来,混凝土防渗墙的渗透系数可以达到小于1×10-9cm/s左右,多头小直径深层搅拌桩和高压喷射灌浆墙的渗透系数与所在地层以及各自施工参数有关。对于20 m以内的多头小直径深层搅拌桩,当其水泥掺入量在8%以上时,是完全可以达到小于1×10-5cm/s的,这对于中低土石坝已经足够。高压喷射灌浆墙的渗透系数指标可参见表2所列。

表2 高压喷射灌浆墙墙体性能指标

2.1.4 强度指标

水利水电工程防渗墙厚度一般均较小,与大坝相比十分单薄。但由于它深埋于地基中,水平荷载主要由墙后地基承担,相当于弹性地基上的薄板,故降低墙体材料的弹性模量与强度的比值,有利于改善墙体的应力状态,无须追求过高的强度标准。

多头小直径深层搅拌桩的强度主要取决于土层的特性和水泥的掺量,一般说来,水泥掺量越高,其强度越大。当掺入比达到10%时,水泥土90 d龄期强度在粘性土中可达1 MPa以上,在砂性土中可达3 MPa上[5]。

高压喷射灌浆墙体的强度取决于地层和工法,不同土层下墙体强度指标经验值详见表2。

混凝土防渗墙墙体材料可分为普通混凝土、粉煤灰混凝土、粘土混凝土、塑形混凝土以及高强度低弹模混凝土等。其中普通混凝土是指抗压强度在7.5 MPa以上的混凝土,其特点是具有较高的强度和防渗性能,但弹性模量较大(2×104MPa级别),协调变形能力较差,和坝体填土间容易脱开并发生拉裂现象。在普通混凝土中,以粉煤灰替代部分水泥和砂,降低其造价,则成为粉煤灰混凝土防渗墙。在普通混凝土中掺加一定量的粘土,则成为粘土混凝土防渗墙,强度、弹模以及造价都相应降低,适用于强度要求不高而防渗要求较高的工程。用粘土和膨润土取代混凝土中大部分水泥而形成一种柔性的墙体,则为塑性混凝土,其特点是弹模和土体相差不大,协调变形能力强,成本最低,但其配合比试验、工艺掌握和质量控制要求严格。高强度低弹模混凝土材料则为了满足高水头水电水库工程的需要。

2.2 多头小直径深层搅拌桩

水泥的掺入量、水灰比、注浆量以及水泥浆与地基土的搅拌均匀程度是决定墙体质量好坏的主要控制因素。水泥掺入决定了水泥土的抗压强度、变形模量、破坏比降,对渗透系数也有很大影响。试验表明,水泥土强度、变形模量均随掺入比的增大而增长,且当掺入比较大时,水泥土后期强度增长度加大。当R=1 MPa～4 MPa时,E=150 MPa～550 MPa。

多头小直径深层搅拌桩的主要施工工艺参数包括供浆压力、供浆量、钻进速度、提升速度、搅拌桩转速。为保证墙体的均匀性,在施工工艺方面必须保证有足够搅拌次数和适当的钻进、提升速度。

2.3 高压喷射灌浆

2.3.1 结构形式选择

高压喷射灌浆可采用旋喷、摆喷、定喷三种形式,每种形式均可采用三管法、双管法和单管法[6-7]。高压喷射灌浆墙结构形式主要有旋喷套接;旋喷摆(定)喷搭接;摆喷对接或折接;顶喷折接。各种形式适用范围为:

(1)定喷和小角度摆喷适用于粉土和砂土地层,大角度摆喷和旋喷适用于各种地层;

(2)承受水头较小的或临时性工程的高压喷射灌浆墙,可采用摆喷折接或对接、定喷折接形式;

(3)在卵(碎)砾石地层中,深度小于20 m时,可采用摆喷对接或折接形式,对接摆角不宜小于60°,折接摆角不宜小于30°;深度20 m～30 m时,可采用单排或双排旋喷套接、旋摆搭接形式;当深度大于30 m时,宜采用双排或三排旋喷套接形式或其它形式。

2.3.2 施工参数和工艺控制

高压喷射灌浆孔的排数、排距和孔距,应根据对高压喷射灌浆墙的工程要求、地层情况、所采取的结构形式及施工参数,通过现场试验或者工程类比确定。

高压喷射灌浆施工工艺参数主要包括水、气、浆的压力和流量,提升速度、旋喷转速、摆喷的摆速和摆角以及喷嘴数量、直径(或环状间隙)、浆体密度等,其一般数值可参考《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》(DL/T5200-2004)表9.03。

2.4 混凝土防渗墙

2.4.1 成孔方法的选择

成孔方法主要包括三大类,即钻劈法、抓斗成槽法和铣槽机成槽法。液压铣槽机成槽法由于机械设备昂贵,一般重大的工程才采用,国内工程中并不常用,本文中不予讨论。

钻劈法成槽,即所谓“主孔钻进,副孔劈打”。钻劈法适用于各类地层,尤其多用于砂卵石或含漂石地层,采用反循环出渣效率更高。

抓斗法包括两种方法,一种是纯抓法,另外一种是钻抓法。纯抓法成槽,使用抓斗直接挖槽,可单抓成槽,也可多抓成槽,一般适用于细颗粒软弱地层,成槽效率高。钻抓法成槽,是目前水利水电工程防渗墙施工中广泛使用的造孔成槽方法。此法一般使用冲击钻机钻凿主孔,抓斗抓取副孔,可两钻一抓,也可三钻两抓、四钻三抓形成长度不同的槽孔。这种方法能充分发挥两种机械的优势,抓斗在副孔施工中遇到坚硬地层时,随时可换上冲击钻机或重凿克服。此法一般比单用冲击钻机成槽提高工效1～3倍,地层适用性也较广。

2.4.2 槽段连接方法

槽段连接方法主要有钻凿法、接头管法、双反弧接头法、加设止水装置的墙段连接[8]。

钻凿法即施工二期墙段时在一期墙段两端套打一钻的连接方法,其接缝呈半圆弧形。钻凿法墙段连接只适用于有冲击钻机参加施工的情况。钻凿法的优点是结构简单、施工简便、对地层和孔深的适应性较强,造价较低;其缺点是接头处的刚度较低、需重复钻凿接头孔、费工费时费料,特别是孔形、孔斜不易控制。

接头管法所形成的墙段接缝形式与钻凿法相同,都是半圆孤形,仅施工方法不同。这种方法避免了重复钻凿接头孔所造成的工时和材料浪费,并具有接触面光滑、接缝紧密、孔斜易控制、搭接厚度有保证等优点,但要有专门的设备,施工工艺较为复杂,特别是在防渗墙深度较大的情况下。接头管法一般用于墙深小于60m,墙厚小于1.2m的情况。

双反弧接头法,常规墙段与双反弧桩柱墙段相间布置,先施工常规墙段,后采用液压双反弧钻具施工双反弧桩柱墙段。它与接头管法相比,操作简单易行,风险小,且与浇筑施工没有干扰;与钻凿法相比,不用重复钻凿接头孔,节省工时和材料,且墙段连接质量好。特别是能适应较大的孔深。缺点主要是接缝的数量相对较多,接头孔的孔形不易检测,在孔壁不稳定的地层和漂卵石含量较多的地层中修建地下连续墙不宜采用双反弧法墙段连接。

在墙段连接处设置止水装置的工艺极为复杂,工程造价也很高,一般只用于有特殊要求的防渗墙工程。

3 防渗加固设计优化的思路

土石坝防渗加固设计及其优化思路可以概括为如下三大步骤:

3.1 方案初选

所谓方案初选,是指根据土石坝的渗漏原因、地质情况、当地施工水平等,结合一般的工程经验,初步选定几个切实可行的防渗加固方案。

3.2 方案优选

对初步选定的防渗加固方案进行概念设计,拟定具体的实施方案,主要从防渗效果、工程施工、环境影响、投资造价等方面进行综合性比较,从中选择最优方案作为推荐实施的方案。

3.3 方案设计优化

针对已选择的优化方案,对其进行技术优化设计。首先是基本的墙厚、防渗指标、强度指标的拟定优化;其次是各方案的主要施工技术参数的拟定。

4 防渗加固方案优化的实例分析

4.1 浙江省余姚市陆埠水库

陆埠水库坝址位于浙江省余姚市境内甬江流域姚江水系陆埠溪干流上,总库容2.599×107m3,是一座具有防洪、灌溉、城市供水、发电等综合利用的中型水库。本工程水库大坝为粘土心墙砂壳坝,最大坝高33.6 m,心墙顶宽4 m,心墙与砂砾坝壳之间为壤土过渡带。大坝坝基为砂砾石卵石层,其下为强～弱风化熔结凝灰岩,砂砾石卵石层厚度达12 m左右,原坝基采用粘土截水槽防渗,但由于心墙齿槽宽度不够,且与基岩的接触带处理不好,存在渗漏隐患。

本工程除险加固施工期要求尽可能满足供水条件,因此库水位相对较高,采用坝顶垂直幕墙防渗比较适合本工程的特点。本次防渗加固设计根据适用范围和处理深度,选择两种方案进行比较:高压喷射灌浆和混凝土防渗墙。

(1)高压喷射灌浆:采用三管法高压摆喷方式,搭接型式为微摆型,沿坝轴线上、下游侧各布置一排喷射孔,孔距 1.60 m,排距0.80 m,梅花形布孔,并深入弱风化基岩0.5 m。

(2)混凝土防渗墙:墙厚采用0.8 m。

对以上两种方案进行经济技术比选。高压喷射灌浆的问题在于孔与孔之间的墙体结合紧密与否不易检查,墙体耐久性差,桩形有时候不够规则,不能彻底根除工程隐患。当库水位较高时施工,坝基渗透流速大,成墙质量难保证,加固效果往往不理想。混凝土防渗墙则成墙防渗效果好,安全可靠。施工不受洪水影响,无须降低库水位。混凝土防渗墙虽然工程投资比高压喷射灌浆方案贵一些,但其地层适应能力更强,防渗效果和耐久性更好,工程质量更可靠,考虑到本工程防渗处理深度已达50m,因此,将混凝土防渗墙作为推荐方案。

现工程大坝坝顶宽度仅4 m,为满足防渗墙施工所需要的平台宽度要求,将大坝从坝顶高程51.79 m开挖至高程49.30 m。在原坝轴线下游位置处布置混凝土防渗墙,墙厚0.8 m。墙体材料为低弹模混凝土,弹性模量3 000 MPa～5 000 MPa,强度则对应于C8混凝土,渗透系数不大于1×10-6cm/s。防渗墙墙顶高程49.30 m,高程49.30 m以上坝体全断面填筑粘土防渗,墙体需穿透砂砾石卵石层并进入坝基础弱分化岩层不小于0.8 m。

4.2 江苏省溧阳市前宋水库

前宋水库位于溧阳市南部丘陵山区周城河上游,总库容 1.416×107m3,是一个以防洪、灌溉为主,兼顾供水、渔业等的中型水库工程。前宋水库于1959年冬开工,由于多种因素,大坝坝身填筑质量较差,土质杂乱,碾压不均、不实,坝身内存在裂隙、孔隙等,工程力学强度较低,坝身土渗透性大。根据试验资料,大坝填土干容重为 12.8 kN/m3～16.5 kN/m3,明显压实不够;主坝填土渗透系数为8.12×10-4cm/s,不满足规范强制性条文的要求。

根据本工程特点,拟对坝身和坝基采用垂直防渗进行处理,拟选以下较为适用的5种防渗加固方法进行比选(以主坝为例)。

方案1,混凝土防渗墙:墙厚0.30 m,泥浆固壁,沿坝轴线布置。

方案2,冲抓套井防渗墙:冲抓套井直径为1.2 m,中心间距0.75 m。

方案3,多头小直径深层搅拌桩成墙:设计有效厚度0.30 m,防渗墙沿坝轴线布置。

上述3个方案防渗墙长度均为2 144 m,共需造墙22 671 m2。

方案4,高压喷射灌浆:采用高压小角度摆喷,采取一排孔造墙,灌浆孔沿坝轴线布置,初拟孔距1.5 m,形成的高压喷射灌浆墙厚度在0.2 m～0.4 m左右。灌浆孔总计深度18 100 m。

方案5,上游铺设复合土工膜防渗。结合上游坝坡整治在上游面铺设复合土工膜进行防渗。上游迎水坡面积为51 080 m2。为确保复合土工膜与基础相对不透水层严密结合,形成防渗整体,在上游坝踵处设置一道混凝土齿墙,齿墙上部与复合土工膜连接,下部深入不透水层0.5 m。考虑到水库水位骤降时,膜后可能存在的水压力对膜体产生不利作用,在膜后设置排水系统。

方案1至方案5均可满足本工程大坝防渗加固的要求,由于本工程大坝轴线较长,达2 144 m,方案1、方案4及方案5等加固措施投资均较大,且对施工单位的技术水平和人员素质要求较高,因此,为节省投资、便于施工质量控制,上述三种方案不予推荐。方案2与方案3的工程投资相差不大,施工难度相当,但方案3由于在防渗墙成墙过程中掺入水泥,防渗效果可靠、耐久性好,且受白蚁危害的影响较小;方案3相比方案2在施工时受气候影响较小,可有效缩短施工工期。鉴于多头小直径深层搅拌桩成墙技术在江苏省已广泛使用,施工技术成熟,施工质量易于控制,能较好地满足除险加固的要求,因此,大坝防渗加固方案推荐多头小直径深层搅拌桩成墙方案。

多头小直径深层搅拌桩防渗墙沿坝轴线布置,施工机械布置于坝顶,防渗墙伸入坝基相对不透水土层内不少于2 m。本工程最大水头8 m,水泥土的允许水力梯度按30考虑,防渗墙设计有效厚度为0.30 m。墙体材料技术指标要求:单轴抗压强度大于0.5 MPa;渗透系数K＜1×10-5cm/s。

4.3 江西省信丰县白兰水库

白兰水库位于江西省信丰县大塘埠镇仓前村,地处赣江水系桃江支流仓前河上游,总库容1.30×107m3,是一座以灌溉为主,兼有发电等综合效益的中型水库。

本工程大坝最大坝高25.70 m,坝肩为坡残积粉土质砂砾、含砂低液限粉(粘)土,具有中等透水性;坝体填土渗透系数为 3.37×10-4cm/s,大于1×10-4cm/s,不满足规范强制性要求;坝基浅层具中等透水性,存在坝基及绕坝渗漏问题,右坝脚地面常年存在渗漏。因此,需对大坝坝体及坝基采取工程措施进行防渗加固处理。

本工程在除险加固施工期间,水库不能够完全放空,水库最低水位为死水位188.16 m,与坝前库底高程185.00m相差约3 m,水位相对较高,若采用水平铺盖防渗或者粘土斜墙方案进行防渗加固,则需在水库内沿坝轴线方向布置施工围堰,围堰断面大,施工困难并且会对水库水质造成较严重的污染,工程投资也比较大。此外,本工程存在坝基及绕坝渗漏问题,水平铺盖防渗方案与粘土斜墙防渗方案均难以彻底解决,防渗效果难以保证,因此,此两种方案均不适用于本工程,设计拟采用垂直防渗方案。

垂直防渗方式,防渗墙最大深度达30 m,平均深度达25 m左右,且施工期间水库不能放空。适合本工程的防渗加固方式包括:高压喷射灌浆和混凝土防渗墙。

(1)高压喷射灌浆。采用三管法高压摆喷方式,搭接型式为微摆型,沿坝轴线上、下游侧各布置一排喷射孔,孔距1.60 m,排距0.80 m,梅花形布孔,并深入弱风化基岩0.5 m,防渗处理平均深度约30.0 m。

(2)混凝土防渗墙。根据施工要求,将大坝开挖至高程206.0 m作为施工平台。混凝土防渗墙设计墙厚采用0.4 m。

混凝土防渗墙相比高压喷射灌浆,地层适应能力更强,防渗效果和耐久性更好,工程质量更可靠,并且工程造价低于高压喷射灌浆,因此,推荐混凝土防渗墙作为坝体防渗加固方案。

沿大坝轴线布置混凝土防渗墙。根据地勘报告,本工程库水和基岩裂隙水均具有溶出性和一般酸性型中等腐蚀性,因而混凝土防渗墙应适当加厚,考虑到施工方法和施工机具,本工程防渗墙厚度取为0.4m。防渗墙轴线长度208.0 m,墙厚0.40 m。墙体材料为C15普通混凝土,渗透系数小于1×10-7cm/s,墙体下部需进入坝基岩石强风化层1 m。

5 结 语

通过对几座病险水库除险加固工程的设计实践的总结,获得了若干有益的经验。

首先,防渗墙的成墙技术众多,对地层的适应性各有不同,垂直防渗技术的选择应基于渗漏问题自身特点、地层地质条件、当地施工技术水平、投资等综合研判之上。一般说来,对于较软弱的土层,且防渗深度在20m以内时,采用多头小直径深层搅拌桩具有一定的优越性;对于重要的土石坝工程,当地层复杂,防渗深度较大,施工期无法放空水库时,宜选择混凝土防渗墙,能充分发挥其实用性强,防渗耐久性好和可靠性高的特点;对于防渗深度小于25m,地层不含漂石或块石时,防渗线较长,施工队伍素质较高时,高压喷射灌浆技术具有一定的竞争力,因此高压喷射灌浆较多的应用于江河堤防以及临时性的防渗处理工程,某些建筑物和防渗墙间或者不同防渗墙体间也可采用高压喷射灌浆方法进行连接处理。

其次,由于防渗工程一般均属于重大的隐蔽工程,则方案选择时应注意充分考虑到其结构的可靠性。土石坝防渗工程被称作是大坝的生命线工程,防渗墙体的质量直接决定着大坝的安危。因此,在土石坝除险加固设计中,不可一味追求技术上的创新和工程投资上的节省,应充分考虑到防渗墙结构的可靠性,审慎的选择垂直防渗技术方案。

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Application and Optimal Design of Vertical Anti-seepage Technology in Rehabilitation Engineerings for Earth-rock Dams

LUO Ju-jian
(Shanghai Investigation and Design Institute,Shanghai200434,China)

The vertical anti-seepage technology is commonly used in the rehabilitation engineering for earth-rock dams.Three vertical anti-seepage technologies such as multiaxial and minor diameter deepmixing piles,high pressure jet grouting and concrete cutoff wall have their own peculiarities.Based on the summarization and comparison for these three methods,the design essentials and design optimization of vertical anti-seepage technology are discussed here according to the rehabilitation experiences for the earth-rock dams of several reservoirs.The choice of vertical anti-seepage technology should lie on the synthetic studies for the factors such as characteristics of reservoir leakage,geological conditions,technical level of local construction,investment and so on,besides,the reliability of anti-seepage structures should be also attached importance to.

vertical anti-seepage wall;multiaxial and minor diameter deep mixing pile;high pressure jet grouting;concrete cutoff wall;design optimization

TV641

A

1672—1144(2012)02—0111—06

2011-12-01

2012-01-19

罗居剑(1978—),男(汉族),湖北红安人,工学硕士,工程师,主要从事水工结构和岩土工程的设计与研究工作。