据统计,全国有310个城市以开采利用地下水作为供水水源,约占全国城市供水的71%。其中54个城市以地下水为主要供水水源,北方城市占46个,南方城市占8个。经综合论证,建设地下水库,尤其是建设河谷型地下水库,是开发利用地下水资源的重要途径[1]。目前,地下水库已成为世界上解决供水问题的有效措施和基本手段。欧洲一些国家专门利用地下水库进行人工补给地下水后取水使用。以色列为了满足全国供水,使用地下水库作为供水水源的中间调节库,解决了水资源短缺问题。地下水库由以下工程系统组成:补源工程、地表拦蓄工程、排污工程、地下帷幕工程。截渗坝工程、提水工程、供水工程、咸水排泄工程、管理监测系统。地下截渗坝工程是地下水库的重要组成部分,与地表拦蓄工程密切配合,将最后一道拦蓄闸和地下截渗坝上下连接共同拦蓄水资源。
高压喷射灌浆(high pressure jet grouting)是利用能量较大的水气同轴喷射切割掺搅地层,同时将凝结材料,如水泥浆,灌注掺搅地层,形成要求性状的凝结体。过去一直认为,高喷灌浆技术只适用于均匀细颗粒松散地层,对其他地层,多持慎重或怀疑态度。但经多年的研究和工程试验证明,只要控制措施和工艺参数选择得当,在各种松散地层均可采用该技术[2,3]。作者以烟台夹河卵砾石层地下水库建设为例,研究了高喷灌浆技术的应用。
1、工程概况
夹河地下水库是一项解决烟台市水资源紧缺、防止海水入侵、改善生态环境的新建大型工程,位于烟台市福山区,坝址西起朱甲山经永福园至宫家岛,坝线全长2511m。水库控制流域面积2200km2,含水层厚度15.5~27.6m,给水度μ=0.35~0.45,总库容2.05×10.8m3,调节库容0.65×10.8m3。水库建成后可增加市区供水量960×10.4m3。
根据SL252-2000水利水电工程等级划分标准,夹河地下水库为大(二)型工程,属二等工程、二级建筑物,工程区地震烈度为Vll度。经科学分析,采用高压喷射灌浆技术构筑地下水库截渗坝。工程于2000年11月16日开工至2001年8月10日竣工。
夹河地下水库截渗坝工程,坝轴线以永福园基岩隆起为界分为东西两坝段,详见图1。东坝段工程:西起永福园东至宫家岛,桩号为3+486.l~4+444.3,长958m,其中桩号3+486.1~3+754.4、4+277.6~4+444.3为单排摆喷防渗墙,桩号3+754.4~4+277.6为双排摆喷防渗墙。坝顶高程0.5m,坝底高程-1~29.53m,平均坝高15m,最大坝高29.3m。建检查围井6个,建水位观测井8个。西坝段工程:西起朱甲山东至永福园,桩号为0+629.2~2+182.2,长1553m,其中桩号0+629.2~l+520为双排半圆喷防渗墙,桩号1+520~2+182.2为单排摆喷防渗墙。坝顶高程-3.5m,坝底高程-4.1~34.5m,最大坝高31m。建检查围井5个,建水位观测井8个。
坝轴线地处夹河冲积平原下游,距夹河入海口6.2km,地势较为平坦。西起朱甲山经永福园至宫家岛,勘探全线长4620m,被永福园基岩隆起分为东西两坝段。东坝段第四系厚度6~33m,西坝段第四系厚度12~38m,东、西坝段各地层岩性分布和渗透系数见表1[4]。
表1 东、西坝段各地层岩性分布和渗透系数
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地点
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层底埋深/m
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层底高程/m
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地 层岩性
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渗透系数/(cm·s-1)
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东
坝 段 |
4.60~8.20
7.40~18.20 17.30~21.80 20.00~33.00 未揭穿 |
0.13~-4.07
-2.20~-14.59 -12.73~-17.50 -14.59~-28.20 未揭穿 |
全新统冲洪积、海积层,主要由粉砂、细砂组成
全新统海积层,主要由淤泥质粉细砂、淤泥质粉质粘土和淤泥组成 上更新统冲洪积层,主要由中粗砂砾石组成,夹薄层粉质粘性土透镜体 中更新统冲洪积层,主要由砂、 砂砾石及卵砾石组成,夹薄层粘土透镜体,粒径最大110mm,大于30mm的含量占10%~30% ,2~30mm占50%左右 基岩层,岩性主要为云母片岩、透闪岩、石墨透闪大 理岩(无岩溶发育) |
i×10-3
i×10-4 i×10-2 i×10-1 i×10-6 |
西
坝 段 |
2.30~10.20
8.00~13.16 11.00~25.2 23.55~37.91 未揭穿 |
-2.28~-5.82
-3.81~-8.93 -6.42~-20.92 -19.36~-33.99 未揭穿 |
全新统冲洪积、海积层,主要由粉土、粉质粘土及中砂组成
全新统海积层,主要由淤泥质砂、淤泥质土及淤泥组成 上更新统冲洪积层,岩性多为中砂、 粗砂及含砾粗砂,颗粒呈次棱角及次圆状,分选性中等,粒径一般为0.25~10mm,最大可 达5cm 中更新统冲洪积层,岩性较单一,多 为卵砾石,颗粒多为次棱角状,粒径一般为10~50mm,最大可达200mm,渗透性好,为强富 水层 基岩层,岩性主要为透闪大理岩、大理岩及变粒岩 (无岩溶发育) |
i×10-3
i×10-5 i×10-2 i×10-1 i×10-6 |
3.1 地下截渗坝的结构形式
东坝段:东坝段设计坝顶高程为0.5m,为确保砂砾石层成墙质量,在桩号3+754.4~4+277.6段采用双排摆喷防渗墙,排距为0.8m,两排钻孔平行对应布置,孔深22~32m,通过现场试验确定孔距为1.6m。其余坝段中粗砂层和粉细砂层采用单排摆喷防渗墙,桩号3+622~3+754.4、4+277.6~4+312段,孔深12~22m,孔距为1.6m;桩号3+486.1~3+622、4+312~4+444.3段,孔深5~12m,通过现场试验确定孔距为1.8m。设计允许最大孔斜率为0.7%。设计和施工后形成双排孔平行布置摆喷折线连接菱形结构,见图2(a、c)。
西坝段:西坝段设计坝顶高程为-3.5m,为确保砂砾石层成墙质量,在桩号0+630~l+520段采用双排半圆喷防渗墙,排距为0.8m,两排孔梅花形布置,孔深30~43m,通过现场试验确定孔距为2.0m。其余坝段砾粗砂层和粉细砂层采用单排摆喷防渗墙,桩号1+520~2+149.2,孔深13~30m,孔距为1.6m,桩号2+149.2~2+182.2段,孔深12~13m,孔距为2.0m。设计允许最大孔斜率为0.7%。设计和施工后形成双排半圆相向对喷结构,见图2(b、d)。
图3 高喷灌浆中常规双排孔布置的几种形式
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图4 双排摆喷菱形结构和半园相向对喷结构
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图5 试验围井结构(单位:m)
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夹河地下水库截渗坝工程在开工前,选择与坝上地质条件相符合的场地进行单喷和围井试验,试验时采用多种技术参数,通过试验能够反映出高喷灌浆摆喷、半圆喷结构对该工程所起到的防渗效果。开挖可直观看到高喷防渗墙的连接形式、喷射长度、厚度、形状、强度等,通过试验结果确定坝上高喷灌浆施工技术参数,以确保各地层灌浆技术参数的可靠性。设计摆喷有效长度为2.0m,半圆喷有效半径为0.8m。试验围井结构平面图、剖面图见图5。
根据围井试验结果,对高喷灌浆施工技术参数进行修正,修正后的施工技术参数见表2、表3。设计要求防渗墙插入基岩全(强)风化1.0m,基岩渗透系数k=i×10-6cm/s,强风化局部裂隙发育,施工中对漏浆孔进行特殊处理,喷灌时先进行静压灌浆直到不漏浆为止。半圆喷采用90°双向喷头,起点沿坝轴线方向外摆90°。摆喷墙采用180°双向喷头,摆喷起点与坝轴线呈5°夹角,外摆30°,一序
表2 东坝段高喷灌浆施工技术参数
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高压水
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压缩气
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水泥浆
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浆液比重
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摆 喷
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||||||||
压力/MPa
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流量/(L/min)
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|
压力/MPa
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流量/(m3/min)
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|
压力/MPa
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流量/(L/min)
|
|
送浆/(g/cm3)
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回浆/(g/cm3)
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砂土层提升速度/ (cm/min)
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粗砂层提升速度/(cm/min)
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砾石层 提升速度/(cm/min)
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基岩提升速度/(cm/min)
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摆动次数 /(次/min)
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36~38
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75
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0.6~0.7
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1~1.2
|
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0~0.2
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80
|
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1.65~1.75
|
1.2~1.3
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12
|
12
|
8
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5~6
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8~12
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表3 西坝段高喷灌浆施工技术参数
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高压水
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压缩气
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水泥浆
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浆液比重
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摆 喷
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||||||||
压力/MPa
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流量/(L/min)
|
|
压力/MPa
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流量/(m3/min)
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|
压力/MPa
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流量/(L/min )
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送浆/(g/cm3)
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回浆/(g/cm3)
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砂土层提升速度/ (cm/min)
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粗砂层提升速度/(cm/min)
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砾石层 提升速度/(cm/min)
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基岩提升速度/(cm/min)
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摆动次数 /(次/min)
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36~38
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75
|
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0.6~0.8
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1~1.2
|
|
0~0.2
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80
|
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1.7~1.75
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1.2~1.3
|
|
12
|
10
|
8
|
6
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4~6
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5.1 施工设备及工艺流程
图6 高喷灌浆施工工艺流程
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西坝段施工中发现的质量问题及处理措施如下:在施工轴线上地下埋设有管线,在钻孔和高喷灌浆施工过程中有3个孔因掉钻和埋高喷管造成报废,通过移孔和补孔来保证高喷防渗墙体的有效连接。
6、地下截渗坝的防渗效果
东坝段和西坝段单元工程高喷灌浆结束后,根据工程结构形式和深度选用围井或其他方法进行检查高喷防渗墙的质量。检查部位宜布置在地层复杂的部位、漏浆严重的部位、可能存在质量缺陷的部位。
表4 各地层岩性及渗透系数及高喷防渗墙的渗透系数
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地层岩性
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状态密度
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底板埋深/m
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底板 埋深/m
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原地层渗透系数k/(cm·s-1)
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防渗墙渗透系数k/(cm·s-1)
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东
坝 段 |
粉细砂
淤泥质砂 中粗砂 砂砾石 基岩强风化 |
松散
软塑 稍密 中密 坚硬 |
4.6~8.2
3.8~14.2 0.0~9.8 0.0~15.3 0.5~2.2 |
4.6~8.2
7.4~18.2 17.3~21.8 20.0~33.0 14.0~34.2 |
i×10-3
i×10-4 i×10-2 i×10-1 i×10-6 |
3~6×10-7
3~8 ×10-8 2 ~6×10-6 2~8×10-6 5~9×10-7 |
西
坝 段 |
粉细砂
淤泥质砂 砾粗砂 卵砾石 基岩全风化 |
松散
软塑 稍密 中密 密实 |
2.3~10.2
3.8~14.2 1.2~15.0 0.0~19.2 1.0~2.2 |
2.3~10.2
8.0~13.2 11.0~25.2 23.6~38.6 16.5~40.8 |
i×10-3
i×10-5 i×10-2 i×10-1 i×10-6 |
3~6×10-7
3~8 ×10-8 2~8×10-6 2~5×10-5 1~6×10-7 |