小南海水库天然坝体帷幕灌浆设计与施工
摘 要:小南海水库系1856年地震山崩堵塞溪流形成的一座中型天然水库,天然坝体结构松散,渗漏加剧,为加强天然坝体的防渗性能,减少水库渗漏,采取帷幕灌浆进行大坝防渗整治。本文详细介绍了大坝防渗整治设计、施工及质量检查方法。由于地震崩塌堆积天然坝体防渗整治,国内无先例,国外罕见,没有经验可供借鉴。因此,小南海水库天然坝体帷幕灌浆设计、施工及质量检查方法具有一定的探索性,其成功经验对类似工程的防渗整治具有一定的参考价值。
关键词:小南海水库 地震崩塌堆积体 帷幕灌浆 施工
1、工程概况
小南海水库位于重庆市黔江区小南海镇境内,是1856年地震山崩堵塞老窖溪形成的一座中型天然水库。水库集雨面积98.8km2,大坝防渗整治前水库正常蓄水位高程670.5m,总库容7087万m3,有效库容2930万m3.由于天然坝体结构松散,渗漏加剧,多年平均渗漏水量约1000万m3,致使坝体产生管涌渗透变形,危及大坝安全。为了确保坝体安全,加强天然坝体的防渗性能,减少水库渗漏,保护地震遗址,在设计多方案论证基础上,经主管部门批准,采取帷幕灌浆进行大坝防渗整治。由于地震崩塌堆积的天然坝体中帷幕灌浆属“国内唯一,世界罕见”,没有经验可借鉴,亦没有对应规程规范可遵循,因此,帷幕灌浆设计、施工及质量检查方法具有一定的探索性。
1.1 天然坝的形成及分布范围
天然坝形成于1856年黔江—咸丰地震,地震崩塌堆积体堵断老窖溪形成小南海天然水库。天然坝体长约1000m,坝高一般60~70m,部分达80~100m,顶宽度为100~230m,坝底宽度为1200~1300m,坝体总体积约为4000~4600万m3.
1.2 工程地质条件
⑴天然坝体主要由地震崩塌堆积的页岩及粉砂质页岩块碎石夹孤石,以及堆积、风化或沉积碎屑组成。
天然坝体物质结构在垂向上存在明显差异,横向上差异不明显。高程633.40~659.00m以上坝体孤石含量为28.09~56.52%,孤块碎石粒径明显比下部大,孤石最大直径达10.0m以上。该部分结构松散,局部有架空结构。钻孔注水试验测得渗透系数为39.38~176.31m/d,属强—极强透水层。
下部坝体高程633.40~659.00m以下至高程608.47~622.41m之间,孤石含量为0.00~17.96%,块碎石含量较上部坝体增加,孤块碎石粒径明显较小,部分被粉细砂或粘土充填,基本无架空现象。钻孔注水试验测得渗透系数为6.53~60.80m/d,属较强—强透水层。
⑵地震崩塌堆积体之下掩埋了原河流及Ⅰ级阶地堆积物。
⑶天然坝体下伏基岩为志留系中统罗惹坪群(S2Lr1)第一段灰色及灰绿色页岩,并夹有介壳灰岩透镜体。钻孔压水试验测得,基岩强弱风化带岩体透水率为2.3~3.3Lu,新鲜岩体透水率为1.7~3.3Lu,均属弱透水岩体。
⑷坝体渗漏点主要位于大坝右侧天然溢洪道内,分布在不同层面的三个高程带上;天然坝右半部上游坝坡分布有管涌入口,一般呈圆~椭圆状,直径一般0.10~0.30m,大部分位于块碎石与孤石的接触部位。
1.3 施工时段及完成工程量
2、帷幕灌浆设计
⑴根据天然坝体工程地质条件和帷幕灌浆试验,结合水利部专家组咨询意见,设计帷幕轴线长748.138m,三排孔,相邻2排排距有1.5m、2.0m两种,孔距有3.0m、3.5m两种,设计帷幕孔724孔,帷幕孔深入坝基岩体1.0m.
⑵设计灌浆压力:两边排Ⅰ、Ⅱ序孔灌浆压力为0.2~0.8Mpa,两边排Ⅲ序孔灌浆压力为0.2~1.2Mpa,中间排各序孔灌浆压力为0.3~1.4Mpa.
⑶灌浆材料及浆液配比:灌浆材料为普通硅酸盐水泥和粘土为主,遇大漏浆及大通道时使用砂子和水玻璃。
灌浆浆液采用水泥粘土浆。边排孔采用水泥:粘土为1:0.6,中排孔采用水泥:粘土为1:0.4的水泥粘土浆,水固(水泥+粘土)比采用3、2、1三个比级,即灌浆浆液重量比水泥:粘土:水为1:0.6:1.6,1:0.6:3.
⑷质量标准:因坝体防渗帷幕的主要目的是减少渗漏,确保坝体安全,故根据坝体结构特征不同区段选取不同的防渗标准:帷幕灌浆试验区桩号坝0+ 409.100~0+394.130m、坝0+644.631~0+626.631m坝段透水率<10Lu;桩号坝0+752.638~0+ 644.631m、坝0+626.631~0+409.100m和桩号坝0+394.130~0+4.500m坝段透水率<15Lu.
3、帷幕灌浆施工
帷幕灌浆前对坝顶帷幕轴线部位进行开挖平整,浇筑宽6.0m、厚0.3m的压重混凝土(竣工后作为坝顶公路),先钻灌第1、2段,再镶铸长4.0m的孔口管,以保证灌浆效果。
3.1 灌浆方法
采用小口径无芯钻孔、孔口封闭、孔内循环的方法进行灌浆施工。根据天然坝体的工程地质特点,采用稀泥浆护壁钻孔,解决了成孔难的问题,且帷幕孔灌浆段成孔后,不进行清水冲洗和灌前压水试验。
3.2 施工顺序及灌浆段长划分
帷幕灌浆孔施工按分序加密的原则进行,先施工下游排,再施工上游排,最后施工中间排。同排中先Ⅰ序孔,后Ⅱ序孔,再Ⅲ序孔。
第1、2段段长2.0m,第3段段长3.0m,第4段及其以下各段均为5.0m,最大段长不超过8m.
3.3钻孔
钻孔主要采用300型地质钻机,φ60mm金刚石钻头无芯钻进,终孔入基岩时换用φ56mm的金刚石钻头取芯钻进。采用KXP-1型测斜仪进行孔斜检测,所有钻孔均没有孔斜超出设计要求。
3.4 水泥粘土浆变换标准
每段灌浆前用灌浆浆液置换孔内钻孔泥浆,记录仪打出的第一介读数不作为变浆依据。当水固比为3:1的浆液注入量达500L,而灌浆压力和浆液注入率无明显变化时变浓一级。当水固比为2:1的浆液注入量达800L,而灌浆压力和浆液注入率无明显变化时变浓一级。当浆液注入率大于40L/min,灌注量达 800L后压力和注入率无明显变化时越一级变浓。钻孔时,孔口一直不返浆的灌浆段,可直接灌注最浓一级浆液。
3.5 抬动观测
每个单元均设有抬动观测孔(桩),在灌浆过程中及时进行抬动观测,并做好记录。发生抬动现象时,通过降低灌浆压力或注浆速率等措施,使抬动值在设计允许范围内。
3.6 灌浆结束标准和封孔
灌注水泥粘土浆时,在设计压力下,当浆液注入率不大于1L/min时,继续灌注30min或浆液注入率不大于2L/min时,继续灌注40min结束;灌注水泥粘土砂浆时,在设计压力下,浆液注入率不大于1L/min时,稳定3—5min即可结束。
终孔灌浆结束后,用最浓一级的水泥粘土浆置换孔内稀浆,用终孔段的灌浆压力机械封孔,上部空余部分人工封孔。
3.7 钻孔和灌浆过程中特殊情况的处理措施
由于天然坝体物质组成和物质结构的特点,在坝体内形成架空和“砂窝”层(“砂窝”指天然坝体内孤块石之间及其架空空洞内堆积的风化页岩碎屑层),这是帷幕灌浆钻孔、灌浆及其质量检查的难点。
钻进中遇到架空且长时间护壁泥浆漏失时,立即停钻并提钻,根据架空段高度投入碎石,然后压塞灌浆。钻进中若遇到不架空但长时间不返泥浆的孔段,立即停钻,采用水泥粘土浆进行灌注。
由于架空段和不返泥浆段的耗浆量大,灌浆一般难以结束,需采取如下措施:
⑴灌浆过程中出现大漏浆时,优先采用无压、低压、浓浆、限流、间歇灌浆方法;
⑵按上述第⑴条原则操作,若浆液注入量累计达2000L后,仍不能回浆或升压力时,采用机械灌注水泥砂浆或水泥粘土砂浆,直至结束。
⑶水泥砂浆灌注难以结束时,采用掺水玻璃的办法灌注直至不进浆结束。
4、灌浆质量检查
灌浆质量检查,采用钻检查孔分段压水试验的方法。
为保证检查孔注水试验的准确可靠性,设计特别强调钻孔禁止用泥浆护壁。因用清水钻检查孔时总是发生缩径和塌孔事故,使检查孔施工曾出现一度受阻无策,成为本工程重要的关键技术问题。经两次多位专家咨询及先后5种不同工艺试验,最终选用“分级跟管护壁、小孔径清水回转钻进超前导孔、静水头分段压水试验”方法较好地解决了灌浆质量检查问题。
5、帷幕灌浆效果分析
共完成帷幕灌浆孔736孔,帷幕灌
5.1 检查孔静水头压水试验成果
每个单元工程均设一个检查孔,共作检查孔18个,静水头压水试验66段次,孔段合格率100%.其中帷幕灌浆试验区布置2个检查孔,透水率值最大为 4.7Lu(防渗标准为10Lu)。除试验区以外的其余坝段布置16个检查孔,透水率值最大为14Lu(防渗标准为15Lu),全部满足设计要求。
5.2 灌浆成果分析