據(jù)統(tǒng)計,全國有310個城市以開采利用地下水作為供水水源,約占全國城市供水的71%。其中54個城市以地下水為主要供水水源,北方城市占46個,南方城市占8個。經(jīng)綜合論證,建設地下水庫,尤其是建設河谷型地下水庫,是開發(fā)利用地下水資源的重要途徑[1]。目前,地下水庫已成為世界上解決供水問題的有效措施和基本手段。歐洲一些國家專門利用地下水庫進行人工補給地下水后取水使用。以色列為了滿足全國供水,使用地下水庫作為供水水源的中間調節(jié)庫,解決了水資源短缺問題。地下水庫由以下工程系統(tǒng)組成:補源工程、地表攔蓄工程、排污工程、地下帷幕工程。截滲壩工程、提水工程、供水工程、咸水排泄工程、管理監(jiān)測系統(tǒng)。地下截滲壩工程是地下水庫的重要組成部分,與地表攔蓄工程密切配合,將最后一道攔蓄閘和地下截滲壩上下連接共同攔蓄水資源。
高壓噴射灌漿(high pressure jet grouting)是利用能量較大的水氣同軸噴射切割摻攪地層,同時將凝結材料,如水泥漿,灌注摻攪地層,形成要求性狀的凝結體。過去一直認為,高噴灌漿技術只適用于均勻細顆粒松散地層,對其他地層,多持慎重或懷疑態(tài)度。但經(jīng)多年的研究和工程試驗證明,只要控制措施和工藝參數(shù)選擇得當,在各種松散地層均可采用該技術[2,3]。作者以煙臺夾河卵礫石層地下水庫建設為例,研究了高噴灌漿技術的應用。
1、工程概況
夾河地下水庫是一項解決煙臺市水資源緊缺、防止海水入侵、改善生態(tài)環(huán)境的新建大型工程,位于煙臺市福山區(qū),壩址西起朱甲山經(jīng)永福園至宮家島,壩線全長2511m。水庫控制流域面積2200km2,含水層厚度15.5~27.6m,給水度μ=0.35~0.45,總庫容2.05×10.8m3,調節(jié)庫容0.65×10.8m3。水庫建成后可增加市區(qū)供水量960×10.4m3。
根據(jù)SL252-2000水利水電工程等級劃分標準,夾河地下水庫為大(二)型工程,屬二等工程、二級建筑物,工程區(qū)地震烈度為Vll度。經(jīng)科學分析,采用高壓噴射灌漿技術構筑地下水庫截滲壩。工程于2000年11月16日開工至2001年8月10日竣工。
夾河地下水庫截滲壩工程,壩軸線以永福園基巖隆起為界分為東西兩壩段,詳見圖1。東壩段工程:西起永福園東至宮家島,樁號為3+486.l~4+444.3,長958m,其中樁號3+486.1~3+754.4、4+277.6~4+444.3為單排擺噴防滲墻,樁號3+754.4~4+277.6為雙排擺噴防滲墻。壩頂高程0.5m,壩底高程-1~29.53m,平均壩高15m,最大壩高29.3m。建檢查圍井6個,建水位觀測井8個。西壩段工程:西起朱甲山東至永福園,樁號為0+629.2~2+182.2,長1553m,其中樁號0+629.2~l+520為雙排半圓噴防滲墻,樁號1+520~2+182.2為單排擺噴防滲墻。壩頂高程-3.5m,壩底高程-4.1~34.5m,最大壩高31m。建檢查圍井5個,建水位觀測井8個。
壩軸線地處夾河沖積平原下游,距夾河入海口6.2km,地勢較為平坦。西起朱甲山經(jīng)永福園至宮家島,勘探全線長4620m,被永福園基巖隆起分為東西兩壩段。東壩段第四系厚度6~33m,西壩段第四系厚度12~38m,東、西壩段各地層巖性分布和滲透系數(shù)見表1[4]。
表1 東、西壩段各地層巖性分布和滲透系數(shù)
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地點
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層底埋深/m
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層底高程/m
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地 層巖性
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滲透系數(shù)/(cm·s-1)
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東
壩 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 |
全新統(tǒng)沖洪積、海積層,主要由粉砂、細砂組成
全新統(tǒng)海積層,主要由淤泥質粉細砂、淤泥質粉質粘土和淤泥組成 上更新統(tǒng)沖洪積層,主要由中粗砂礫石組成,夾薄層粉質粘性土透鏡體 中更新統(tǒng)沖洪積層,主要由砂、 砂礫石及卵礫石組成,夾薄層粘土透鏡體,粒徑最大110mm,大于30mm的含量占10%~30% ,2~30mm占50%左右 基巖層,巖性主要為云母片巖、透閃巖、石墨透閃大 理巖(無巖溶發(fā)育) |
i×10-3
i×10-4 i×10-2 i×10-1 i×10-6 |
西
壩 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 |
全新統(tǒng)沖洪積、海積層,主要由粉土、粉質粘土及中砂組成
全新統(tǒng)海積層,主要由淤泥質砂、淤泥質土及淤泥組成 上更新統(tǒng)沖洪積層,巖性多為中砂、 粗砂及含礫粗砂,顆粒呈次棱角及次圓狀,分選性中等,粒徑一般為0.25~10mm,最大可 達5cm 中更新統(tǒng)沖洪積層,巖性較單一,多 為卵礫石,顆粒多為次棱角狀,粒徑一般為10~50mm,最大可達200mm,滲透性好,為強富 水層 基巖層,巖性主要為透閃大理巖、大理巖及變粒巖 (無巖溶發(fā)育) |
i×10-3
i×10-5 i×10-2 i×10-1 i×10-6 |
3.1 地下截滲壩的結構形式
東壩段:東壩段設計壩頂高程為0.5m,為確保砂礫石層成墻質量,在樁號3+754.4~4+277.6段采用雙排擺噴防滲墻,排距為0.8m,兩排鉆孔平行對應布置,孔深22~32m,通過現(xiàn)場試驗確定孔距為1.6m。其余壩段中粗砂層和粉細砂層采用單排擺噴防滲墻,樁號3+622~3+754.4、4+277.6~4+312段,孔深12~22m,孔距為1.6m;樁號3+486.1~3+622、4+312~4+444.3段,孔深5~12m,通過現(xiàn)場試驗確定孔距為1.8m。設計允許最大孔斜率為0.7%。設計和施工后形成雙排孔平行布置擺噴折線連接菱形結構,見圖2(a、c)。
西壩段:西壩段設計壩頂高程為-3.5m,為確保砂礫石層成墻質量,在樁號0+630~l+520段采用雙排半圓噴防滲墻,排距為0.8m,兩排孔梅花形布置,孔深30~43m,通過現(xiàn)場試驗確定孔距為2.0m。其余壩段礫粗砂層和粉細砂層采用單排擺噴防滲墻,樁號1+520~2+149.2,孔深13~30m,孔距為1.6m,樁號2+149.2~2+182.2段,孔深12~13m,孔距為2.0m。設計允許最大孔斜率為0.7%。設計和施工后形成雙排半圓相向對噴結構,見圖2(b、d)。
圖3 高噴灌漿中常規(guī)雙排孔布置的幾種形式
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圖4 雙排擺噴菱形結構和半園相向對噴結構
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圖5 試驗圍井結構(單位:m)
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夾河地下水庫截滲壩工程在開工前,選擇與壩上地質條件相符合的場地進行單噴和圍井試驗,試驗時采用多種技術參數(shù),通過試驗能夠反映出高噴灌漿擺噴、半圓噴結構對該工程所起到的防滲效果。開挖可直觀看到高噴防滲墻的連接形式、噴射長度、厚度、形狀、強度等,通過試驗結果確定壩上高噴灌漿施工技術參數(shù),以確保各地層灌漿技術參數(shù)的可靠性。設計擺噴有效長度為2.0m,半圓噴有效半徑為0.8m。試驗圍井結構平面圖、剖面圖見圖5。
根據(jù)圍井試驗結果,對高噴灌漿施工技術參數(shù)進行修正,修正后的施工技術參數(shù)見表2、表3。設計要求防滲墻插入基巖全(強)風化1.0m,基巖滲透系數(shù)k=i×10-6cm/s,強風化局部裂隙發(fā)育,施工中對漏漿孔進行特殊處理,噴灌時先進行靜壓灌漿直到不漏漿為止。半圓噴采用90°雙向噴頭,起點沿壩軸線方向外擺90°。擺噴墻采用180°雙向噴頭,擺噴起點與壩軸線呈5°夾角,外擺30°,一序
表2 東壩段高噴灌漿施工技術參數(shù)
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高壓水
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壓縮氣
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水泥漿
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漿液比重
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擺 噴
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壓力/MPa
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流量/(L/min)
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壓力/MPa
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流量/(m3/min)
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壓力/MPa
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流量/(L/min)
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送漿/(g/cm3)
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回漿/(g/cm3)
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砂土層提升速度/ (cm/min)
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粗砂層提升速度/(cm/min)
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礫石層 提升速度/(cm/min)
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基巖提升速度/(cm/min)
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擺動次數(shù) /(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
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1.2~1.3
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12
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12
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8
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5~6
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8~12
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表3 西壩段高噴灌漿施工技術參數(shù)
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高壓水
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壓縮氣
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水泥漿
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漿液比重
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擺 噴
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壓力/MPa
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流量/(L/min)
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壓力/MPa
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流量/(m3/min)
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壓力/MPa
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流量/(L/min )
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送漿/(g/cm3)
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回漿/(g/cm3)
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砂土層提升速度/ (cm/min)
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粗砂層提升速度/(cm/min)
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礫石層 提升速度/(cm/min)
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基巖提升速度/(cm/min)
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擺動次數(shù) /(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
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0~0.2
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80
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1.7~1.75
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1.2~1.3
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12
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10
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8
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6
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4~6
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5.1 施工設備及工藝流程
圖6 高噴灌漿施工工藝流程
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西壩段施工中發(fā)現(xiàn)的質量問題及處理措施如下:在施工軸線上地下埋設有管線,在鉆孔和高噴灌漿施工過程中有3個孔因掉鉆和埋高噴管造成報廢,通過移孔和補孔來保證高噴防滲墻體的有效連接。
6、地下截滲壩的防滲效果
東壩段和西壩段單元工程高噴灌漿結束后,根據(jù)工程結構形式和深度選用圍井或其他方法進行檢查高噴防滲墻的質量。檢查部位宜布置在地層復雜的部位、漏漿嚴重的部位、可能存在質量缺陷的部位。
表4 各地層巖性及滲透系數(shù)及高噴防滲墻的滲透系數(shù)
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地層巖性
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狀態(tài)密度
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底板埋深/m
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底板 埋深/m
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原地層滲透系數(shù)k/(cm·s-1)
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防滲墻滲透系數(shù)k/(cm·s-1)
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東
壩 段 |
粉細砂
淤泥質砂 中粗砂 砂礫石 基巖強風化 |
松散
軟塑 稍密 中密 堅硬 |
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
壩 段 |
粉細砂
淤泥質砂 礫粗砂 卵礫石 基巖全風化 |
松散
軟塑 稍密 中密 密實 |
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 |