帷幕灌漿方案在東風水庫中的防滲效果評估

畢仁芬

(貴州省興仁市水務局,貴州 興仁 562300)

0 引 言

帷幕灌漿方案在東風水庫中的防滲效果評估,旨在深入研究和評估一項關鍵的水資源工程措施即帷幕灌漿技術,在東風水庫中的應用效果[1]。作為重要的水利工程項目,東風水庫承擔著供水、防洪、灌溉等多重任務,對周邊地區的生活和農業產出至關重要[2]。

水庫在長期使用過程中,可能會受到地下水位上升、土壤滲透、土壤松動等因素的影響,進而引發水庫防滲問題。而帷幕灌漿技術作為一種常見的工程手段,被廣泛應用于水庫工程的防滲措施。它通過注漿材料的注入,形成一道堅固的防滲墻,從而有效降低滲水風險[3]。但帷幕灌漿方案的具體效果以及對水庫安全性和效益的貢獻仍需深入研究和評估。

因此,本文深入探討帷幕灌漿技術在東風水庫中的防滲效果,并將其與傳統的灌漿方法進行詳細對比。通過全面的對比分析,展示帷幕灌漿技術相較于傳統灌漿方法的創新性和優越性。研究成果可為類似水庫工程提供科學依據,推動帷幕灌漿技術在水資源工程中的更廣泛應用。

1 帷幕灌漿技術在東風水庫中的防滲應用

1.1 東風水庫工程概況

興仁市東風水庫位于貴州省黔西南州興仁市大山鎮野納村,距離興仁市區約35km,距離大山鎮政府約11km。該小型水庫主要用于農田灌溉和人畜飲用水,工程等級為V等。水庫集雨面積1.52km2,總庫容77×104m3,正常蓄水位1 565.5m,設計洪水位1 566.0m,防洪標準20年一遇。水庫設計灌溉面積1 666.667hm2,供水人口10 000人,供水牲畜2 280頭。水庫周邊交通便利,有通村公路,該水庫對于滿足農田灌溉和人畜飲水需求至關重要[4]。

東風水庫的特點在于不設大壩,主要依賴位于庫區西南角的天然埡口地形和相對隔水層作為主要擋水體以及輔助工程防滲措施,以確保庫區的水庫形成。庫區地質特征呈現侵蝕型低中山地區的山體鞍部地形,地表覆蓋層以殘坡積黏性土為主,平均厚度不超過2m。對于天然埡口地形,未發現嚴重流水沖刷破壞跡象,也未見規模較大的不良地質體分布,表明其地質穩定性相對較好。

目前,水庫坪口段下伏巖體滲漏嚴重,直接影響水庫的正常蓄水和運行。此外,水庫經過2010年的除險加固工程,新增溢洪道等基礎設施,調查結果表明溢洪道的邊墻和底板質量良好,未出現嚴重崩塌或下滲等質量問題。但受防滲體局部失效的影響,水庫發生了嚴重的滲漏現象,無法正常蓄水和運行。

圖1 東風水庫防滲處理工程現狀平面圖

東風水庫存在兩個重要的技術問題:①經過2010年的除險加固工程后,水庫正常運行了兩年,但隨后出現了防滲體局部失效的情況,導致水庫發生嚴重的滲漏問題,無法維持正常的運行狀態。②取水隧洞圍巖也存在著嚴重的滲漏問題,對水庫的運行造成嚴重的負面影響。

對于滲漏問題的分析顯示,水庫主要的滲漏通道位于斷層帶,該斷層帶兩側的巖性主要包括灰巖和砂頁巖。由于構造運動和水體作用的影響,斷層帶內的巖溶作用相對較為發育,為水庫滲漏提供了一條有效通道。另一方面,取水隧洞周圍的巖體主要處于強風化狀態,但在部分埋深較大的地段存在著弱風化巖體,總體上表現出相對的隔水性。同時,取水隧洞的施工質量較差,圍巖支護和防滲處理效果不盡如人意,加之多年的運行期間養護不完善,導致隧洞圍巖在長期滲流作用下逐漸發生滲漏的嚴重現象。

觀測表明,2020年東風水庫修復前,水庫的正常蓄水過程中,每天水位下降約0.03m,最大滲漏時段的滲漏流量約900m3/d,與下游泉點和取水設備的排泄量相當?？梢酝茰y,除險加固工程中設計的防滲帷幕在斷層滲漏帶的部分位置失效,從而導致水庫水體的嚴重滲漏問題。因此,帷幕灌漿技術作為一種有效的地下工程防滲手段被引入,以期解決水庫滲漏問題,確保水庫的正常運行和穩定性。

1.2 帷幕灌漿技術在東風水庫防滲中的應用

帷幕灌漿技術是一種地下工程防滲方法,通過在地下巖土中鉆孔,將一定濃度的漿液注入鉆孔中,再將漿液壓力推動至巖土的裂隙或孔洞內[5]。這個過程會在地層中形成一道堅固的、具有一定結構和強度的屏障,即“幕墻”。幕墻的主要作用是阻止地下水或其他液體從地層中滲漏出來,從而達到防止滲漏和堵漏的目的[6]。灌漿技術中,壓力是一個關鍵參數,灌漿壓力即灌漿段鉆孔受到的所有壓力,其表達式如下:

F=Fi+Fj+Fk

(1)

式中:F為灌漿壓力;Fi為孔口處壓力表指示的壓力;Fj為壓力表至灌漿段間漿柱的壓力;Fk為壓力表處至灌漿段間管路摩擦壓力[7]。

帷幕厚度通常取決于兩個主要方面的考慮:①為了滿足帷幕的長期滲流穩定要求,其厚度可根據帷幕允許的水力坡降來確定。②還需要考慮設幕地層的地質條件、密實性和防滲設計準則等因素[8]。帷幕厚度的一般表達式如下:

(2)學訓交替。采用任務驅動和“教、學、做”一體化的教學模式，課程教學以項目任務為主線，充分利用校內外實訓基地。以學生為中心、項目為載體，項目任務完成即教學內容完成，項目任務分析探討過程即技術研討、知識傳授的過程。使用與企業一致的工具、開發語言、開發標準及組織模式，以及來自企業的真實項目，使校內實訓室類似企業研發中心，實訓過程類似實戰過程。將真實項目用于教學/實訓，促進學生職業能力的形成，即學生從“新手”到“熟手”到“能手”的技能轉變。

(2)

式中:Ia、δ、H分別為帷幕前后的允許水力坡降、水頭衰減系數、水頭。

為了解決滲漏問題,根據現場勘查情況,提出防滲帷幕的布置方案。根據方案,帷幕的布置將從滲漏帶的集中位置即庫區西南角坪口開始,并垂直延伸至該址口的左岸山體,最終終止于右岸山體內。帷幕的布置考慮了兩岸地層的巖性情況,底部位于取水隧洞底板下方不小于5m,并進入穩定的相對隔水巖層[9]。此外,防滲帷幕進入透水率小于5Lu或穩定的隔水巖層中,以確保有效隔離滲漏通道。帷幕灌漿孔的具體施工工序見圖2。

圖2 帷幕灌漿的工藝流程

首先進行帷幕線布置,帷幕線總長度62m,采用單排孔布置,孔間距2m。在隧洞封堵段的上游,額外加設一個帷幕灌漿孔,總計布置33個帷幕灌漿孔。同時,還加設4個檢查補強孔,總共孔深達1 213m。其中,基巖灌漿為874m,無效段為339m[10]。

然后是孔的制造和灌漿,可分為3個序次:一序孔的終孔間距為8m,二序孔的終孔間距為4m,三序孔的終孔間距為2m。灌漿采用自下而上的分段灌注,每段長度5m。灌漿材料選用425#普硅酸鹽水泥,當吸漿量超過規定值時,可以加入水玻璃或細砂。灌漿工藝應符合《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》(SL/T 62-2020)和《土壩灌漿技術規范》(SL 564-2014)的要求。漿液的水灰比按照不同級別進行變換,以滿足各個階段的要求。根據實際情況,還可以加入粉煤灰、砂、速凝劑等材料[11]。

一般情況下,孔口壓力表應控制在0.3～0.6MPa之間。如果單位吸漿量較小時,可以采用一次加壓或自行升壓。如果出現地表冒漿、孔口返漿或單位吸漿量突然增大等情況,需要適當降低壓力。當壓力達到設計值后,滿足規范要求的持續時間和灌入量時,即可結束灌注。整個灌漿過程應遵循少復多灌的原則,一序孔的灌漿應指導二、三序孔的正常施工[12]。對于隧洞段和溢洪道覆蓋較淺的地段,應嚴格控制灌漿壓力,以防止由于帷幕灌漿施工而導致現有建筑物損壞的情況發生。東風水庫帷幕灌漿設計圖見圖3。

圖3 東風水庫帷幕灌漿設計圖

最后根據設計圖,布置水電線路和灌漿管路,抽取庫水作為施工用水;將施工分為3個階段,依次完成一序孔、二序孔和三序孔的施工,每個孔的施工流程包括施工準備、鉆孔、洗孔、制漿、灌漿、復灌和封孔;所需施工設備包括2臺XY-100型鉆機、2臺中低壓灌漿泵以及2名工程技術人員;施工計劃在低水位下進行,總工期為2個月,同時遵循《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術規范》(SL 174-2014)的技術要求和標準,以確保施工的質量和安全可控。

2 帷幕灌漿技術的防滲效果分析

首先需要評估帷幕灌漿技術在東風水庫大壩壩基上的實際防滲效果,通過在實地條件下模擬地下水壓力,以便更好地了解未經處理的巖土材料的原始透水性質。見圖4。

根據圖4中的數據分析可知,隨著灌漿次序的逐漸增加,單位吸水量呈逐漸減小趨勢,表明帷幕灌漿在防滲方面表現出良好效果。在數據樣本中,約30%灌漿段的單位吸水量超過10L/MPa·m·min,顯示出相對較高的吸水率;10%的段數大于1L/MPa·m·min;72%的段數大于0.10L/MPa·m·min。壓水試驗結果顯示,大多數試驗段單位吸水量小于1L/MPa·m·min,表明大多數情況下,帷幕灌漿可以滿足防滲要求。

圖4 1-3次序孔單位吸水量累計頻率曲線

唯一的例外是一個試驗段,在壓水階段出現少量冒水,導致單位吸水量大于2.5L/MPa·m·min。而且,檢查孔的壓水試驗也得出類似結果,各階段單位吸水量均高于98%。

帷幕灌漿是關鍵的地下工程技術,其成功實施不僅關系到地下水的控制和地質穩定性,還涉及工程的經濟性和可持續性。前期帷幕灌漿完成工作量見表1。

表1 前期帷幕灌漿完成工作量

在東風水庫施工過程中,隨著水位逐漸上升至850m,水庫下游排水溝底部開始出現明顯的滲水,甚至在某些區域出現溢出現象。在為期一周的系統觀察期間,滲流量從初步的7.07L/s上升至34.81L/s,東風水庫的滲流量為34.81L/s。左壩肩位于溢洪道右側山體,右岸山體部位位于壩后,距離下游壩腳不遠處,壩后排水棱體的滲水流量與水庫水位升高呈正相關,溢洪道變強結構縫部位存在明顯的水流噴出,頂拱結構縫有輕微的滲水現象,輸水洞內多個區域存在滲水現象。本研究已按照表1對東風水庫作出修正。

本文選擇水位和壩后滲流量初始值相似的區域進行研究,并以實際水位和壩后滲流量為主要指標,評估這兩種不同的防滲方法。研究區域劃分為兩部分,分別代表帷幕灌漿技術(位置1)和傳統灌漿技術(位置2)的應用區域。見圖5。

圖5 帷幕灌漿和傳統灌漿技術的實際水位及壩后滲流量

本研究旨在深入探討帷幕灌漿與傳統灌漿方法的應用效果,以水位和壩后滲流量作為評估指標。選擇位置1和位置2兩個初始條件相似的區域作為研究對象,比較兩種不同灌漿技術對水庫防滲性能的影響。在進行灌漿操作前,位置1和位置2的水位和滲流量相差不大,表明二者初始條件非常相似。在實施灌漿操作后,情況開始發生變化。位置1采用帷幕灌漿技術,其滲流量曲線呈現出的趨勢為先明顯下降、后逐漸上升、最終穩定在0.1L/s左右,表明帷幕灌漿技術在初期可以顯著減少水庫的滲漏率,而后續的上升可能與水庫地質特性和灌漿材料的滲透性有關。位置2采用傳統灌漿技術,其滲流量也經歷了下降,但最終穩定在0.4L/s左右,表明傳統灌漿方法在防滲方面也起到一定效果,但其滲漏率相對較高,與帷幕灌漿相比略顯不足。

研究對大壩壩基巖體進行了帷幕灌漿前后聲波檢測,具體見圖6。

圖6 不同位置的水庫水位和滲流量

在灌漿前后,巖體的物理性質發生顯著變化。在灌漿前,巖體的完整性系數介于0.58～0.71之間,而在灌漿后,完整性系數提高至0.75,表明巖體的完整性明顯改善。此外,灌漿后聲波傳播速度出現顯著提高,灌漿后聲波速度提高率為5.5%～15.1%,平均提高率為11.7%,表明灌漿質量良好以及灌漿工程在技術上取得較大成功。聲波速度的提高表明巖體現在具備了更強的抗滲性能,可以滿足水庫蓄水操作的要求。

3 結 論

本文采用帷幕灌漿技術,作為東風水庫的防滲措施。結果顯示,帷幕灌漿技術在防滲方面表現良好,即30%的段數吸水量大于10L/MPa·m·min,10%的段數吸水量大于1L/MPa·m·min,72%的段數吸水量大于0.10L/MPa·m·min;大多數試驗段的單位吸水量小于1L/MPa·m·min。此外,采用帷幕灌漿技術,滲流量最終穩定在0.1L/s;位置2采用傳統灌漿技術,滲流量最終穩定在0.4L/s。灌漿后,聲波速度提高率為5.5%～15.1%,平均提高率約為11.7%。