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高压旋喷桩防渗墙在罗翠水库土坝加固中的应用

                          高压旋喷桩防渗墙在罗翠水库土坝加固中的应用
                                                               陈连兴
                      ( 三明市联盛工程咨询监理有限公司,福建三明365000)
    [摘要]结合罗翠水库大坝除险加固工程,介绍了高压旋喷桩防渗墙在土坝加固中的设计和施工关键技术,重点探讨了高压旋喷桩加固方案参数的确定、质量控制、注意事项以及施工质量检验等。经质量检验,实际渗透系数小于设计渗透系数,桩体抗压强度满足设计强度要求,施工效果良好,达到设计意图。
    [关键词] 高压旋喷桩; 土坝; 防渗; 强度
    [中图分类号] TV52 [文献标识码] B [文章编号] 1006 - 7175( 2014) 08 - 0142 - 03
    1 ·概述
    高压旋喷桩防渗墙利用钻机成孔,用高压泵将预制好的水泥浆加压,冲击和切割土体,强制搅拌充填,从而形成一种新的、有一定强度的地下防渗构筑物,用以提高土坝、土堤、地基防渗和承载力的施工技术。高压旋喷桩墙体强度能够达到几兆帕至十几兆帕,并且渗透系数较低,因此该技术除了是一种良好的地基加固措施外,还是一种良好的防渗止水措施,具有施工快、成本低、加固效果良好等特点,在防渗加固工程中有着广泛的应用。本文结合该技术在福建省明溪县罗翠水库土坝坝体防渗加固中的应用实例,论述高压旋喷桩的施工工艺、注意事项,为类似水利工程提供技术参考。
    2· 工程概况
    罗翠水库土坝坝址位于明溪县城西北部的城关乡罗翠村上游约1 km处,属金溪流域盖洋支流划桥溪,距县城12 km,是一座以灌溉为主、结合城镇供水综合利用的小( Ⅰ) 型水库,总库容512 × 104 m3。水库于1992 年3 月动工, 1995 年5 月26 日开始蓄水运行。土坝枢纽工程由主坝、副坝、输水结合泄洪的压力隧洞等建筑物组成。主、副坝均为均质土坝,上下游坡均为干砌石护坡,坝顶高程633. 10 m,校核洪水位为632. 48 m。其中主坝坝顶宽5. 5 m,长160 m,最大坝高37. 5 m; 副坝坝顶宽4. 0 m,长61. 5 m,最大坝高12 m。
    根据地质勘测报告,主坝坝区基本上被第四系松散坡积、残积土层所覆盖,河床及左岸局部出露强风化岩石,岩性为黑云母花岗岩,局部见有细晶岩脉穿插出露,所见岩石强度不高,风化较深,其中右岸覆盖厚度达8 m以上,左岸覆盖厚约2 ~ 3 m,山体基本稳定。副坝坝址位于主坝上游左岸,坝址区均被第四系坡残积层所覆盖,岩性为砂质粘土。
    该土坝长期运行以来,主、副坝坝体均存在坝体渗漏问题,有安全隐患。分析原因应为土坝填料含有一定的粗颗粒,干密度值差异较大,施工时压实度不均,坝体整体抗渗能力较弱,致使形成渗漏通道。为避免降雨集中影响土坝的稳定和安全运行,经研究决定对该工程主坝坝体进行防渗加固处理。
    3· 土坝加固方案、桩径和桩距的确定
    3. 1 土坝加固方案确定
    土坝坝体防渗处理常用的方法有充填式灌浆、高压喷射灌浆防渗墙等方法。充填式灌浆是利用浆液自重将浆液注入坝体薄弱区,以填满孔洞和缝隙,适用范围广、投资省、施工设备简单,但是防渗效果不理想,不能提高坝体的密实度,不能彻底根治坝体薄弱区的渗漏问题,适用于较低的土坝,罗翠水库副坝即采用此法。
    相比而言,高压旋喷桩防渗墙的适用范围广泛,适用于软土、粉质粘土、砂土、碎石等地基或土坝、土堤中,对全风化、强风化基岩也能够起到加固作用。此外,高压旋喷桩还具有旋喷桩体强度大,成墙整体性较好,施工简单快速等优点。而罗翠水库主坝较高,经综合比较,该工程主坝坝体防渗最终确定为单管高压旋喷+ 双管高压旋喷的方法,即从坝顶至深度30 m内采用单管高压旋喷桩、30 m以下深度采用双管高压旋喷桩进行加固。本文着重介绍该技术方法。
    3. 2 高压旋喷桩径和桩距的确定
    桩径和桩距的确定用于防渗墙体墙厚的确定,墙厚主要根据旋喷防渗墙破坏时的水力梯度来确定,计算公式为[1]:
    δ≥ΔH/[J]
    式中: ΔH 为作用在墙体上的最大水头差; [J]为防渗墙体的允许水力梯度,一般为80 ~ 100,取90。
    1) 单管旋喷墙体厚度确定。取最不利因素,上游校核洪水位为632. 48 m,单管高喷墙底高程为603. 10 m,ΔH为29. 38 m,经计算最小墙厚δ 为0. 29 m,取工程桩径0. 6 m,桩距0. 5 m,则桩与桩的交圈厚度为0. 33 m >0. 29 m,满足要求。
    2) 双管旋喷墙体厚度确定。取最不利因素,上游校核洪水位为632. 48 m,双管高压旋喷最低高程为596. 80 m,ΔH 为35. 68 m,经计算最小墙厚δ 为0. 39 m,取工程桩径0. 9 m,桩距0. 8 m,则桩与桩的交圈厚度为0. 41 m > 0. 39 m,满足要求。
    高压旋喷桩实际施工时的桩径受诸多因素影响,包括喷射压力、土体性质、土体深度等,根据土坝填筑土体的形状和工程经验,最终确定单管旋喷桩桩径0. 6 m,桩距0. 5 m; 双管旋喷桩桩径0. 9 m,桩距0. 8 m。高压旋喷旋喷桩孔布置在坝顶处,防渗墙中心线布置在坝顶坝轴线处。
    4 ·高压旋喷桩质量控制
    4. 1 材料选择与准备
    高压旋喷是靠高压液流的冲击力破坏土层并与土体混合成为固化体,根据喷射工艺要求,浆液需具备以下特性: 灌浆液具有良好的可喷性、足够的稳定性、气体少、能调解胶凝时间、优良力学性能、无毒无臭等。本工程注浆材料使用合格水泥产品,采用32. 5 普通硅酸盐水泥,水灰比采用1∶ 1. 5 的水泥浆液,水泥浆比重为1. 50,在喷浆之前按施工要求准备好足够量的水泥浆液。
    4. 2 参数的确定
    本工程坝体为粉质黏土,均匀性较好,经过试桩确定:
    1) 旋喷压力参数。大坝单管旋喷灌浆压力为25 MPa,双管旋喷灌浆压力为35 MPa。
    2) 旋转提升参数。旋转提升速度关系到旋喷桩施工质量,若提升过快,容易造成固化效果较差。因此根据设计要求,确定旋喷提升速度控制在20 cm/min之间,旋转速度控制在18 r /min范围以内。
    3) 喷嘴直径。喷嘴安装在钻头的侧面,是旋喷灌浆的关键部分,喷嘴直径大小对喷射流速度影响很大,本工程单管灌浆中喷嘴直径选用采用2. 5 mm。
    4. 3 施工工艺控制
    本工程中,高压旋喷桩加固土坝的施工工艺包括: 钻机就位、钻孔、喷射作业、冲洗共4 步,以下分别简述。
    1) 钻机就位。钻机沿土坝轴向位置安放在设计的孔位上并保持垂直,每次施工时对旋喷管的垂直度均用水平尺进行检测,旋喷管的偏斜率小于0. 5%。
    2) 钻孔。本工程单管旋喷采用两台75 型旋转地勘钻机隔孔进行钻孔,钻孔位置与设计位置的偏差不超过50 mm。
    3) 喷射作业。当钻孔达到预定的深度后,由下而上进行喷射作业,技术人员时刻检查浆液初凝时间、灌浆流量、压力、旋转提升速度、返浆状况等参数是否满足设计要求,并做好施工记录。
    4) 冲洗。喷射施工完毕后,将灌浆管等机具冲洗干净,管内、机内无残存水泥浆,把浆液换成水,在地面上喷射,以便把泥浆泵、灌浆管和软管内的浆液全部排除。
    4. 4 施工注意及事故预防事项
    1) 喷射灌浆作业完毕后,由于浆液析水作用,一般均有不同程度的收缩,使固体顶部出现凹穴。因此,及时用水灰比为0. 6∶ 1 的水泥浆进行补灌,预防其他钻孔排除的泥土或杂物进入。
    2) 为加大固化体( 旋喷桩) 尺寸,或深层硬土为避免固化体尺寸减小,采用提高喷射压力、泵量或降低回转与提升速度等措施,也可采用复喷工艺。
    3) 冒浆的处理。在旋喷处理中,有部分土粒随浆液沿着灌浆管壁冒出地面。通过对冒浆的观察,及时了解土层状况、旋喷的大致效果和旋喷参数的合理性等。冒浆( 内有土粒、水及浆液) 量小于灌浆量的20%为正常,超过20%或完全不冒浆的查明原因并采取相应的措施。若是地层中有较大空隙引起的不冒浆,则可以在浆液中掺入适量的速凝剂,缩短固结时间,使浆液在一定土层范围内凝固。另外,还可以在空隙地段增加灌浆量,填充空隙后再继续正常旋喷施工。
    4) 钻孔事故预防。钻孔施工随时注意和观察钻杆、钻具的可使用性,杜绝使用破损的钻杆和钻具,避免断钻等事故发生。每次喷灌前保证喷灌设备运转状况良好,水中无坚固砂粒,避免和减少因设备故障或水嘴在喷射中堵塞造成喷灌中断; 检查施工参数检测仪表和器具计量的准确性,保证施工技术参数得到有效控制,完全达到和满足设计规范要求。
    5· 高喷墙体质量检验
    高喷灌浆施工结束达到龄期后,按规范要求对该施工质量进行抽检:
    1) 对防渗墙体进行开挖检查,开挖位置和数量由监理工程师随机抽取。经开挖检查,桩体间的连续性及完整性较好,墙体成型比较规则,厚度大于30 cm,符合要求。
    2) 按规范要求对高压旋喷墙体进行取芯( 图1) 和注水试验,并对抽取的芯样做抗压检测试验,测定防渗墙的抗渗和强度指标,渗透系数要求≤1 × 10 - 6 cm/s,检测点数量为施工孔数的1%,并不小于3 孔。渗透系数采用常水头试验方法,强度采用万能试验机测试其无侧限抗压强度,质量检验在高压喷射注浆结束28d 后进行,检测结果见表1 和表2。可以看出: ①钻取的芯样多数基本连续、完整,断口吻合,固化效果良好; ②实际渗透系数均小于设计渗透系数,桩体抗压强度均能满足设计强度要求,表明施工效果良好。
              

    6· 结语
    通过对罗翠水库土坝坝体采用高压旋喷桩进行加固防渗处理,探讨高压旋喷桩设计和施工的若干重要参数,讨论了施工方法、施工质量控制技术措施; 同时提出在灌浆中特殊情况的处理方法等经验。经工程实践表明,采用了高压旋喷桩防渗墙加固后,罗翠水库主坝坝体渗漏问题已解决,达到预期效果。
[参考文献]
[1]郑光顺. 高压旋喷墙在土坝防渗加固工程中的应用[J]. 黑龙江水利科技, 2013, 41( 8) : 273 - 276.编辑:赵琳琳 

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