中小型水库灌浆防渗技术探讨

赖伟清,冯 波

(中国水利水电第五工程局有限公司,成都 610066)

0 引言

水库是人类利用水资源的重要工程,水库的安全运行直接关系到人民群众的生活和国家经济的发展。水库坝体的渗漏是影响水库安全性能的重要因素之一,严重的渗漏会导致坝体结构破坏,甚至引发坝体溃决等灾难性后果。因此,对水库坝体进行有效的防渗处理,是保障水库安全运行的必要措施。

灌浆防渗是一种常用的水库坝体防渗技术,它是通过在坝体内注入灌浆材料,填充和封堵坝体内部的裂缝、孔隙和空洞,从而提高坝体的抗渗能力和抗渗系数,降低坝体的渗流量和渗流速度,减少坝体的渗透压力和渗透力,增强坝体的稳定性和耐久性。灌浆防渗技术具有施工方便、效果显著、成本低廉等优点,适用于各种类型和规模的水库坝体。近年来,随着水利工程建设的发展和科学技术的进步,灌浆防渗技术也不断得到改进和完善。国内外学者在灌浆防渗技术的理论研究、试验研究、工程应用等方面都取得了一些成果。例如李靖[1]介绍了沙田水库除险加固工程中采用的灌浆防渗处理技术,分析了灌浆方案的设计原则、灌浆材料的选择、灌浆参数的确定等,总结了灌浆施工的注意事项和效果评价方法;赵晓军[2]提出了一种改进的灌浆技术,即在帷幕灌浆的基础上增加一道斜孔灌浆,以增强防渗效果和稳定性,通过工程实例验证了该技术的可行性和优越性;韦明景等[3]探讨了水利工程防渗处理中灌浆施工技术的相关问题,包括灌浆材料的选择、配比、检验等,以及灌浆方案的设计、施工、监理等,提出了一些改进和优化建议;丁晋[4]介绍了防渗灌浆施工技术在水库大坝基础工程中的应用,重点分析了防渗灌浆施工过程中应注意的问题和解决办法,以及防渗灌浆效果的评价标准和方法。

本文旨在探讨中小型水库灌浆防渗技术的原理、特点、应用实例及存在问题,并提出改进措施和建议。

1 中小型水库灌浆防渗技术的原理和特点

1.1 灌浆防渗的基本原理

灌浆防渗技术采用了液压、气压及电化学的相关原理。该技术的实施需要将浆液均匀地注入地层,使得地层得到充分的填充,经过一定时间的渗透及挤密,排除地层中存在的空气及水分。最终,原本松散的土壤地层或者开裂的岩石重新胶结成新的结合体。这样形成的结合体具有新的结构特性,如强度大、防水性能高和化学性良好。灌浆防渗的主要方法和工艺有单液灌浆、双液灌浆、劈裂灌浆等。灌浆防渗技术具有效果好、适应性好、经济性高的优点。在中小型水库中得到了广泛的应用,解决了坝体和基础的渗漏问题,提高水库的安全性和运行效率。

1.2 灌浆防渗的主要方法和工艺

灌浆防渗的主要方法和工艺有:(1)单液灌浆法,即将注浆材料全部混合搅拌均匀后,用一台注浆泵注浆的系统,该法适用于凝胶时间大于30 min的注浆;(2)双液灌浆法,即用两台注浆泵或一台双缸注浆泵,按照一定比例分别压送甲、乙两种浆液,在孔口混合器或孔内混合后,再注入到岩层中;(3)高压喷射灌浆法,即采用高压输送的方式,通过高压泵及特制喷嘴的结合,将浆液以高速喷射流的形式注入地层,高速喷射流在进入地层后可以进行地层的切削,最终和地层中的砂、土等颗粒发生混合、凝结;(4)复合土工膜灌浆法,在地层中设置复合土工膜作为隔水带,并在其内部进行灌浆加固。

2 打石窿水库灌浆防渗技术的应用实例分析

2.1 打石窿水库灌浆防渗工程概况

本文选取了位于广东省白云区的小(2)型水库作为灌浆防渗技术的应用实例,该水库是一座以灌溉为主,兼顾防洪、生态和供水的综合性水利工程。该水库坝址处残积层、全风化岩或强风化岩石上,土壤类型以黏土、沙壤土和壤土为主,土壤有机物积累多,风化层较深,较肥沃,坝基渗透系数较大,存在较大的渗漏风险。坝型为重力式混凝土坝,坝高程为36.1m,坝高8.6 m,坝长275 m。坝体与坝基接触部位出现渗透现象,原防渗效果一般～较差,渗透稳定存在威胁。为了进一步提高坝基的防渗能力,同时,考虑到工程经济性和施工可行性,本文采用了单液浆法对坝基进行二次灌浆防渗处理。

2.2 打石窿水库灌浆防渗工程设计方案

本文根据坝基的岩层结构、裂隙特征、渗透性能等因素,综合考虑了灌浆材料的选择、灌浆孔的布置、灌浆压力的控制及灌浆量计算等。经过综合评估,本工程使用分段灌注方法进行灌浆,并制定了合理的灌浆防渗设计方案:施工准备→桩机定位→钻孔→冲洗清孔→孔口预埋护壁套管→下导浆管→设置阻浆盖→制浆→灌浆→终孔→封孔→桩机移位。

2.2.1 施工准备

(1)确定观测点位置,埋设好必需的观测标点,沿轴线的方向设置观测标点,每个标点之间间隔10m,每组实验需要同时在堤顶的上游及下游处都设置一个观测标点,标点用桩或混凝土桩。

(2)准备观测和试验仪器及观测纪录表和成果表。

(3)准备机械设备和布置好制浆和灌浆机械及土料堆放位置,具体施工设备为:地质钻机(150A型)额定功率11 kW、空压机(V3/8)28 kW、泥浆泵(BW-120)14 kW、双层制浆桶(0.4m3)7.5 kW、灌浆泵(SGB-10)11 kW、搅拌机(JB-300)11 kW。

(4)在施工前,应进行灌浆试验,选择具有代表性的坝段,并按照灌浆设计进行布孔、造孔、制浆和灌浆操作。在试验过程中,需要观测灌浆压力、吃浆量、泥浆容重及坝体位移和裂缝等指标,至少要设置3个试验孔。试验结束后,需要对试验数据进行分析,总结经验,并进行参数的修正,以完善和熟练掌握灌浆工艺,确保施工的全面进行。

(5)针对土料及浆液开展必要的试验。灌浆所使用的土料和浆液都应进行试验。土料试验包括颗粒分析、有机质含量和可溶盐含量等指标的测定。浆液试验包括容重、粘度、稳定性、胶体率和失水量等性质的检测。

2.2.2 钻孔

(1)首先按设计要求把每个孔的位置放样好。造孔顺序先上游排,后下游排,分2序跳跃式造孔。

(2)应用干法造孔,不得用清水循环钻进,钻孔时保持铅直,孔斜率<2 %,沉渣≤20 cm。

(3)在钻孔结束之后,注浆管下放要及时,施工过程中,保证注浆管和孔壁贴紧,同时保证密封性。

具体设计参数如表1,设计材料如表2。

表1 水库灌浆防渗工程设计参数

表2 水库灌浆防渗工程设计材料

2.2.3 充填灌浆

(1)先灌第一序孔(上游孔),再灌第二序孔(下游孔),各排按钻孔顺序分序进行灌注。

(2)采用由下而上分段法灌注,每段5 m左右;采用“少灌多复”的方法灌注,每个灌浆孔的灌浆次数宜在5次及以上,每米孔深每次平均灌浆量控制在0.5～1.0m3。

(3)在灌浆过程中,初始阶段应使用稀浆,经过3～5 min后逐渐增加泥浆的浓度。如果观察到孔口压力下降和注浆管出现负压(压力表读数低于0),则应立即增加浆液的浓度。同时,浆液的容重应根据技术要求进行控制。

(4)做好灌浆记录和成果汇总,并绘制图表。

2.3 打石窿水库灌浆防渗工程施工过程和效果评价

本文对打石窿水库灌浆防渗工程的施工过程和效果进行了详细的记录和分析,主要包括以下几个方面:

(1)灌浆施工进度

打石窿水库灌浆防渗工程的施工时间为2022年5月至2022年12月,共计8个月。

(2)灌浆施工质量检验

打石窿水库灌浆防渗工程的施工质量检验主要包括以下几个方面:灌浆孔位的准确性、灌浆孔的封堵情况、灌浆液的配比和性能、灌浆压力和量的控制、灌浆效果的监测。各方面的具体检验结果如表3。

表3 打石窿水库灌浆防渗工程施工质量检验结果

(3)灌浆施工效果评价

打石窿水库灌浆防渗工程的施工效果评价主要通过对比分析灌前和灌后的坝基渗透系数、坝基水位、坝下游渗流量等指标来进行。对比分析结果如表4。

表4 打石窿水库灌浆防渗工程施工效果对比分析

表4显示,打石窿水库灌浆防渗工程施工后,坝基渗透系数和坝下游渗流量均降低达到设计要求,坝基水位也降低且满足蓄水需要,说明灌浆防渗技术有效地提高了坝基的防渗能力,减少了水库的渗漏损失,保证了水库的安全运行。

3 中小型水库灌浆防渗技术的存在问题和改进措施

3.1 灌浆防渗技术在中小型水库中的应用面临的主要问题

灌浆防渗技术是一种常用的水库坝体防渗加固方法,它通过在坝基或坝体内注入水泥浆或其他材料,充填和封闭裂缝、孔隙和渗透通道,提高坝体的抗渗性能和强度。然而,灌浆防渗技术在中小型水库中的应用也存在一些问题,主要有以下几方面:

(1)灌浆设计不合理。灌浆设计是灌浆防渗工程的重要环节,它涉及到方案计划、参数选择、材料比例及工艺制定等。如果灌浆设计不合理,可能会导致灌浆效果不佳,甚至造成灌浆失败。

(2)灌浆施工质量差。灌浆施工质量直接影响到灌浆防渗效果和工程安全。然而,在中小型水库中,由于施工条件限制、施工人员技术水平低、施工管理不严格等原因,往往导致灌浆施工质量差。

(3)灌浆后期维护不到位。灌浆防渗技术虽然可以提高坝体的抗渗性能和强度,但并不能完全消除坝体的渗漏问题。因此,在完成灌浆防渗工程后,还需要进行后期的维护和管理,以保证防渗效果的持久性和稳定性。然而,在中小型水库中,由于资金缺乏、管理松懈、技术落后等原因,往往导致灌浆后期维护不到位。

3.2 灌浆防渗技术在中小型水库中的改进措施和建议

根据水库的不同类型、规模和渗漏情况,灌浆防渗技术在中小型水库中的改进措施和建议如下:

(1)对于坝基渗漏较严重的水库,可以采用垂直防渗技术,即在坝基上钻孔灌浆,形成封闭式防渗帷幕,切断渗透通道。灌浆时应注意控制灌浆压力、量和速度,避免引起坝体变形或破坏。灌浆材料应选择高强度、高抗渗性、高耐久性的水泥浆或化学浆。

(2)对于坝体渗漏较严重的水库,可以采用劈裂灌浆技术,即在坝体上钻孔灌浆,充填裂缝和孔隙,提高坝体的密实度和强度。灌浆时应注意选择合适的钻孔位置、方向和深度,以覆盖可能存在的裂缝区域。灌浆材料应选择具有良好流动性、胶凝性和稳定性的水泥浆或化学浆。

(3)对于涵管渗漏较严重的水库,可以采用高压喷射灌浆技术,即利用高压喷射设备将浆液喷射到涵管周围和地板以下的土层中,实现对土层的防渗加固处理。灌浆时应注意控制喷射压力、量和角度,以充分搅拌土层和浆液。灌浆材料应选择具有高强度、高抗渗性、高粘结性的水泥浆或化学浆。

(4)对于坝后渗漏较严重的水库,可以采用复合土工膜技术,即在坝后铺设复合土工膜,形成防渗屏障,减少渗流量。复合土工膜应选择具有高抗渗性、高延展性、高耐久性的聚乙烯或聚丙烯等材料。复合土工膜施工时应注意与坝体有效连接,避免裂缝或损坏,并做好保护措施。

4 结论

本文以打石窿水库为例,介绍了中小型水库灌浆防渗技术的原理、特点、设计、施工和效果评价,分析了灌浆防渗技术在中小型水库中的应用问题和改进措施。对中小型水库灌浆防渗技术进行了初步的探讨,为该技术在实际工程中的推广和应用提供了一定的参考依据。但由于笔者水平有限,文中难免存在不足之处,敬请读者批评指正。