帷幕灌浆方案在东风水库中的防渗效果评估

毕仁芬

(贵州省兴仁市水务局,贵州 兴仁 562300)

0 引 言

帷幕灌浆方案在东风水库中的防渗效果评估,旨在深入研究和评估一项关键的水资源工程措施即帷幕灌浆技术,在东风水库中的应用效果[1]。作为重要的水利工程项目,东风水库承担着供水、防洪、灌溉等多重任务,对周边地区的生活和农业产出至关重要[2]。

水库在长期使用过程中,可能会受到地下水位上升、土壤渗透、土壤松动等因素的影响,进而引发水库防渗问题。而帷幕灌浆技术作为一种常见的工程手段,被广泛应用于水库工程的防渗措施。它通过注浆材料的注入,形成一道坚固的防渗墙,从而有效降低渗水风险[3]。但帷幕灌浆方案的具体效果以及对水库安全性和效益的贡献仍需深入研究和评估。

因此,本文深入探讨帷幕灌浆技术在东风水库中的防渗效果,并将其与传统的灌浆方法进行详细对比。通过全面的对比分析,展示帷幕灌浆技术相较于传统灌浆方法的创新性和优越性。研究成果可为类似水库工程提供科学依据,推动帷幕灌浆技术在水资源工程中的更广泛应用。

1 帷幕灌浆技术在东风水库中的防渗应用

1.1 东风水库工程概况

兴仁市东风水库位于贵州省黔西南州兴仁市大山镇野纳村,距离兴仁市区约35km,距离大山镇政府约11km。该小型水库主要用于农田灌溉和人畜饮用水,工程等级为V等。水库集雨面积1.52km2,总库容77×104m3,正常蓄水位1 565.5m,设计洪水位1 566.0m,防洪标准20年一遇。水库设计灌溉面积1 666.667hm2,供水人口10 000人,供水牲畜2 280头。水库周边交通便利,有通村公路,该水库对于满足农田灌溉和人畜饮水需求至关重要[4]。

东风水库的特点在于不设大坝,主要依赖位于库区西南角的天然垭口地形和相对隔水层作为主要挡水体以及辅助工程防渗措施,以确保库区的水库形成。库区地质特征呈现侵蚀型低中山地区的山体鞍部地形,地表覆盖层以残坡积黏性土为主,平均厚度不超过2m。对于天然垭口地形,未发现严重流水冲刷破坏迹象,也未见规模较大的不良地质体分布,表明其地质稳定性相对较好。

目前,水库坪口段下伏岩体渗漏严重,直接影响水库的正常蓄水和运行。此外,水库经过2010年的除险加固工程,新增溢洪道等基础设施,调查结果表明溢洪道的边墙和底板质量良好,未出现严重崩塌或下渗等质量问题。但受防渗体局部失效的影响,水库发生了严重的渗漏现象,无法正常蓄水和运行。

图1 东风水库防渗处理工程现状平面图

东风水库存在两个重要的技术问题:①经过2010年的除险加固工程后,水库正常运行了两年,但随后出现了防渗体局部失效的情况,导致水库发生严重的渗漏问题,无法维持正常的运行状态。②取水隧洞围岩也存在着严重的渗漏问题,对水库的运行造成严重的负面影响。

对于渗漏问题的分析显示,水库主要的渗漏通道位于断层带,该断层带两侧的岩性主要包括灰岩和砂页岩。由于构造运动和水体作用的影响,断层带内的岩溶作用相对较为发育,为水库渗漏提供了一条有效通道。另一方面,取水隧洞周围的岩体主要处于强风化状态,但在部分埋深较大的地段存在着弱风化岩体,总体上表现出相对的隔水性。同时,取水隧洞的施工质量较差,围岩支护和防渗处理效果不尽如人意,加之多年的运行期间养护不完善,导致隧洞围岩在长期渗流作用下逐渐发生渗漏的严重现象。

观测表明,2020年东风水库修复前,水库的正常蓄水过程中,每天水位下降约0.03m,最大渗漏时段的渗漏流量约900m3/d,与下游泉点和取水设备的排泄量相当。可以推测,除险加固工程中设计的防渗帷幕在断层渗漏带的部分位置失效,从而导致水库水体的严重渗漏问题。因此,帷幕灌浆技术作为一种有效的地下工程防渗手段被引入,以期解决水库渗漏问题,确保水库的正常运行和稳定性。

1.2 帷幕灌浆技术在东风水库防渗中的应用

帷幕灌浆技术是一种地下工程防渗方法,通过在地下岩土中钻孔,将一定浓度的浆液注入钻孔中,再将浆液压力推动至岩土的裂隙或孔洞内[5]。这个过程会在地层中形成一道坚固的、具有一定结构和强度的屏障,即“幕墙”。幕墙的主要作用是阻止地下水或其他液体从地层中渗漏出来,从而达到防止渗漏和堵漏的目的[6]。灌浆技术中,压力是一个关键参数,灌浆压力即灌浆段钻孔受到的所有压力,其表达式如下:

F=Fi+Fj+Fk

(1)

式中:F为灌浆压力;Fi为孔口处压力表指示的压力;Fj为压力表至灌浆段间浆柱的压力;Fk为压力表处至灌浆段间管路摩擦压力[7]。

帷幕厚度通常取决于两个主要方面的考虑:①为了满足帷幕的长期渗流稳定要求,其厚度可根据帷幕允许的水力坡降来确定。②还需要考虑设幕地层的地质条件、密实性和防渗设计准则等因素[8]。帷幕厚度的一般表达式如下:

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(2)

式中:Ia、δ、H分别为帷幕前后的允许水力坡降、水头衰减系数、水头。

为了解决渗漏问题,根据现场勘查情况,提出防渗帷幕的布置方案。根据方案,帷幕的布置将从渗漏带的集中位置即库区西南角坪口开始,并垂直延伸至该址口的左岸山体,最终终止于右岸山体内。帷幕的布置考虑了两岸地层的岩性情况,底部位于取水隧洞底板下方不小于5m,并进入稳定的相对隔水岩层[9]。此外,防渗帷幕进入透水率小于5Lu或稳定的隔水岩层中,以确保有效隔离渗漏通道。帷幕灌浆孔的具体施工工序见图2。

图2 帷幕灌浆的工艺流程

首先进行帷幕线布置,帷幕线总长度62m,采用单排孔布置,孔间距2m。在隧洞封堵段的上游,额外加设一个帷幕灌浆孔,总计布置33个帷幕灌浆孔。同时,还加设4个检查补强孔,总共孔深达1 213m。其中,基岩灌浆为874m,无效段为339m[10]。

然后是孔的制造和灌浆,可分为3个序次:一序孔的终孔间距为8m,二序孔的终孔间距为4m,三序孔的终孔间距为2m。灌浆采用自下而上的分段灌注,每段长度5m。灌浆材料选用425#普硅酸盐水泥,当吸浆量超过规定值时,可以加入水玻璃或细砂。灌浆工艺应符合《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL/T 62-2020)和《土坝灌浆技术规范》(SL 564-2014)的要求。浆液的水灰比按照不同级别进行变换,以满足各个阶段的要求。根据实际情况,还可以加入粉煤灰、砂、速凝剂等材料[11]。

一般情况下,孔口压力表应控制在0.3～0.6MPa之间。如果单位吸浆量较小时,可以采用一次加压或自行升压。如果出现地表冒浆、孔口返浆或单位吸浆量突然增大等情况,需要适当降低压力。当压力达到设计值后,满足规范要求的持续时间和灌入量时,即可结束灌注。整个灌浆过程应遵循少复多灌的原则,一序孔的灌浆应指导二、三序孔的正常施工[12]。对于隧洞段和溢洪道覆盖较浅的地段,应严格控制灌浆压力,以防止由于帷幕灌浆施工而导致现有建筑物损坏的情况发生。东风水库帷幕灌浆设计图见图3。

图3 东风水库帷幕灌浆设计图

最后根据设计图,布置水电线路和灌浆管路,抽取库水作为施工用水;将施工分为3个阶段,依次完成一序孔、二序孔和三序孔的施工,每个孔的施工流程包括施工准备、钻孔、洗孔、制浆、灌浆、复灌和封孔;所需施工设备包括2台XY-100型钻机、2台中低压灌浆泵以及2名工程技术人员;施工计划在低水位下进行,总工期为2个月,同时遵循《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》(SL 174-2014)的技术要求和标准,以确保施工的质量和安全可控。

2 帷幕灌浆技术的防渗效果分析

首先需要评估帷幕灌浆技术在东风水库大坝坝基上的实际防渗效果,通过在实地条件下模拟地下水压力,以便更好地了解未经处理的岩土材料的原始透水性质。见图4。

根据图4中的数据分析可知,随着灌浆次序的逐渐增加,单位吸水量呈逐渐减小趋势,表明帷幕灌浆在防渗方面表现出良好效果。在数据样本中,约30%灌浆段的单位吸水量超过10L/MPa·m·min,显示出相对较高的吸水率;10%的段数大于1L/MPa·m·min;72%的段数大于0.10L/MPa·m·min。压水试验结果显示,大多数试验段单位吸水量小于1L/MPa·m·min,表明大多数情况下,帷幕灌浆可以满足防渗要求。

图4 1-3次序孔单位吸水量累计频率曲线

唯一的例外是一个试验段,在压水阶段出现少量冒水,导致单位吸水量大于2.5L/MPa·m·min。而且,检查孔的压水试验也得出类似结果,各阶段单位吸水量均高于98%。

帷幕灌浆是关键的地下工程技术,其成功实施不仅关系到地下水的控制和地质稳定性,还涉及工程的经济性和可持续性。前期帷幕灌浆完成工作量见表1。

表1 前期帷幕灌浆完成工作量

在东风水库施工过程中,随着水位逐渐上升至850m,水库下游排水沟底部开始出现明显的渗水,甚至在某些区域出现溢出现象。在为期一周的系统观察期间,渗流量从初步的7.07L/s上升至34.81L/s,东风水库的渗流量为34.81L/s。左坝肩位于溢洪道右侧山体,右岸山体部位位于坝后,距离下游坝脚不远处,坝后排水棱体的渗水流量与水库水位升高呈正相关,溢洪道变强结构缝部位存在明显的水流喷出,顶拱结构缝有轻微的渗水现象,输水洞内多个区域存在渗水现象。本研究已按照表1对东风水库作出修正。

本文选择水位和坝后渗流量初始值相似的区域进行研究,并以实际水位和坝后渗流量为主要指标,评估这两种不同的防渗方法。研究区域划分为两部分,分别代表帷幕灌浆技术(位置1)和传统灌浆技术(位置2)的应用区域。见图5。

图5 帷幕灌浆和传统灌浆技术的实际水位及坝后渗流量

本研究旨在深入探讨帷幕灌浆与传统灌浆方法的应用效果,以水位和坝后渗流量作为评估指标。选择位置1和位置2两个初始条件相似的区域作为研究对象,比较两种不同灌浆技术对水库防渗性能的影响。在进行灌浆操作前,位置1和位置2的水位和渗流量相差不大,表明二者初始条件非常相似。在实施灌浆操作后,情况开始发生变化。位置1采用帷幕灌浆技术,其渗流量曲线呈现出的趋势为先明显下降、后逐渐上升、最终稳定在0.1L/s左右,表明帷幕灌浆技术在初期可以显著减少水库的渗漏率,而后续的上升可能与水库地质特性和灌浆材料的渗透性有关。位置2采用传统灌浆技术,其渗流量也经历了下降,但最终稳定在0.4L/s左右,表明传统灌浆方法在防渗方面也起到一定效果,但其渗漏率相对较高,与帷幕灌浆相比略显不足。

研究对大坝坝基岩体进行了帷幕灌浆前后声波检测,具体见图6。

图6 不同位置的水库水位和渗流量

在灌浆前后,岩体的物理性质发生显著变化。在灌浆前,岩体的完整性系数介于0.58～0.71之间,而在灌浆后,完整性系数提高至0.75,表明岩体的完整性明显改善。此外,灌浆后声波传播速度出现显著提高,灌浆后声波速度提高率为5.5%～15.1%,平均提高率为11.7%,表明灌浆质量良好以及灌浆工程在技术上取得较大成功。声波速度的提高表明岩体现在具备了更强的抗渗性能,可以满足水库蓄水操作的要求。

3 结 论

本文采用帷幕灌浆技术,作为东风水库的防渗措施。结果显示,帷幕灌浆技术在防渗方面表现良好,即30%的段数吸水量大于10L/MPa·m·min,10%的段数吸水量大于1L/MPa·m·min,72%的段数吸水量大于0.10L/MPa·m·min;大多数试验段的单位吸水量小于1L/MPa·m·min。此外,采用帷幕灌浆技术,渗流量最终稳定在0.1L/s;位置2采用传统灌浆技术,渗流量最终稳定在0.4L/s。灌浆后,声波速度提高率为5.5%～15.1%,平均提高率约为11.7%。