龙家山堤防工程复合灌浆新工艺及渗控优化研究

产品时间:2021-12-20 01:38

简要描述:

摘要龙家山水电站库区一段堤防工程,堤内直接挡水,堤外负担防护;堤基为古河床打击层,深厚强透水砂卵砾石漫衍不均,堤身为中等透水的素填土、砂层;防护区内渗漏问题严重,通例防渗措施处置惩罚难度大、成本高。为淘汰堤防渗漏并改善堤身的渗透稳定性,通过现场试验研究,提出复合灌浆新工艺对堤防举行防渗处置惩罚。 通过对堤防举行三维有限元模拟,分析灌浆前后堤防渗流场漫衍特征,比力分析渗漏量及物探结果,优化提防灌浆防渗工程。...

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本文摘要:摘要龙家山水电站库区一段堤防工程,堤内直接挡水,堤外负担防护;堤基为古河床打击层,深厚强透水砂卵砾石漫衍不均,堤身为中等透水的素填土、砂层;防护区内渗漏问题严重,通例防渗措施处置惩罚难度大、成本高。为淘汰堤防渗漏并改善堤身的渗透稳定性,通过现场试验研究,提出复合灌浆新工艺对堤防举行防渗处置惩罚。 通过对堤防举行三维有限元模拟,分析灌浆前后堤防渗流场漫衍特征,比力分析渗漏量及物探结果,优化提防灌浆防渗工程。

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摘要龙家山水电站库区一段堤防工程,堤内直接挡水,堤外负担防护;堤基为古河床打击层,深厚强透水砂卵砾石漫衍不均,堤身为中等透水的素填土、砂层;防护区内渗漏问题严重,通例防渗措施处置惩罚难度大、成本高。为淘汰堤防渗漏并改善堤身的渗透稳定性,通过现场试验研究,提出复合灌浆新工艺对堤防举行防渗处置惩罚。

通过对堤防举行三维有限元模拟,分析灌浆前后堤防渗流场漫衍特征,比力分析渗漏量及物探结果,优化提防灌浆防渗工程。研究讲明,龙家山堤防自然条件下渗漏问题严重;复合灌浆新工艺可有效解决堤防渗漏问题,形成的防渗帷幕对堤防渗流控制效果显著;灌浆防渗工程优化后可大幅淘汰工程量、节约投资,复合灌浆新工艺可推广应用于类似工程。关键词龙家山堤防; 复合灌浆新工艺; 渗流分析; 渗控优化;作者简介戴宏基(1996—),男,硕士研究生,研究偏向为水利工程渗流分析。

E-mail:961297894@qq.com; 张贵金(1964—),男,教授,博士研究生导 师,博士,研究偏向为水利工程宁静评价、水利工程基础处置惩罚。E-mail:493340832@qq.com;引用戴宏基,张贵金,李毅,等. 龙家山堤防工程复合灌浆新工艺及渗控优化研究[ J] . 水利水电技术,2020,51( 4) : 146-151. DAI Hongji,ZHANG Guijin,LI Yi,et al. Study on new compound grouting technology and seepage control optimization of Longjiashan embankment project[ J] . Water Resources and Hydropower Engineering,2020,51( 4) : 146-151.0 引 言砂卵石地层一般由粘土或砂卵石、中粗砂、卵石等组成,漫衍广泛,结构松散,颗粒间孔隙度大,透水性强。对砂卵石等笼罩层举行帷幕灌浆时存 在成孔难题、易劈裂跑浆等问题,特别是在水头压力作用下,难以形成有效的防渗体。

针对砂卵石等笼罩层防渗问题,已开展了大量研究。徐初来 等通过合理部署孔距及施工顺序,接纳孔口关闭孔内循环法自上而下分段灌浆解决那吉航运枢纽工程砂卵石层及软弱基岩层中灌浆问题;张发林 通过高压旋喷防渗墙技术较好的处置惩罚了西霞院致密坚硬的砂卵石层防渗问题;熊颖等 将花管灌浆技术乐成应用在深厚笼罩层帷幕灌浆中;姚志辉 等 通过泸定水电站库区地基帷幕灌浆总结出适用于高水头深厚笼罩层帷幕灌浆的施工技术;骆辉军等 将复合膏浆灌浆技术乐成应用到砂卵石地 层的防渗堵漏处置惩罚工程中,取得了良好的效果。张绍民 、徐杰瑞 接纳三维渗流理论对砂卵石层举行反演盘算,确定了河床砂卵石层的渗透系数, 为防渗处置惩罚提供可靠的设计依据;祁涛 联合某水电站坝址深厚笼罩层工程地质、水文地质资料及钻孔抽注水试验,接纳有限元法反演获得了笼罩 层的渗透系数。龙家山水电站位于湖南湘江一级支流洣水干流,库区一段为围堤抬填防护的堤防工程,堤内直接挡水,堤外负担防护,总长约2 km,堤基为古河床冲 击层,主要为细沙与中砂层、砂卵砾石层,漫衍不均,属深厚强透水庞大地层;堤身自上而下依次为素填土、中粗砂、卵石,直至相对隔水层的全、强风 化下伏基岩。

砂层、砂卵石层累计厚度一般达11~12 m,最大可达14.6 m。钻孔压水试验结果讲明:堤身素填土、砂层为中等透水层,砂卵石层为强 透水层。由于堤防基础没有举行过系统防渗处置惩罚,库水直接穿过堤基渗入防护区,防护区内存在多处显着地涌水点,渗漏问题严重。

现有灌浆技术如 “可控挤入复合膏浆高压脉动灌浆法”可对细小颗粒地层举行有效灌注,但对于粗颗粒砂卵砾石地层,往往无法形成一连有效的防渗体,通过现场试验研究提出一种复合灌浆新工艺,并思量工程造价,联合稳定渗流分析的SVA方法 对堤防防渗工程举行渗控优化方案研究,为防渗工程实施提供合 理的建议。1 复合灌浆新工艺1.1 工程位置通太过析堤防工程地质、水文地质及渗流现状,乡村及码头区域阵势偏高,且现场检验及物探结果发现该区域无渗漏现象,可不做灌浆处置惩罚,据此 将整个堤防分为板栗林至码头、码头至乡村及乡村至排水站三段,每段区域堤防由于砂卵石层厚度漫衍不均,相应渗透性差异较大,选择排水站位置 作为试验研究区域,工程平面部署情况如图1所示。1.2 “钻、灌、喷、挤一体复合灌浆”新工艺机理针对河床冲积层多元结构地层特性,提出“钻、灌、喷、挤一体复合灌浆”新工艺,由“钻灌一体灌浆”“高压旋喷灌浆”“膏浆挤密灌浆”等工法复合提 升后形成,主要取决于自上而下快速钻灌后与自下而上喷射灌浆工法之间的转换,以及触变膏浆自封式喷挤工法的实现。

复合灌浆新工艺凭据堤身及 基础的地层特点,对差别地层划分接纳差别的处置惩罚方法,可有效对各种粗细颗粒松软地层举行防渗加固。“钻、灌、喷、挤一体复合灌浆”接纳触变膏浆作为高压喷射灌浆浆液,充实使用触变膏浆所具有的高压触变、粘度降低与高压泌水固结特性,并 配合接纳钻灌一体高压冲挤灌浆工艺对松软地层全孔钻灌固孔作用,以及高压钻喷机具与钻灌固孔形成的致密孔壁贴合封阻作用,确保整个高压喷挤 复合灌浆施工历程中孔内局部全关闭无返浆灌注,使得触变膏浆经高压喷嘴射流喷出后,一方面根据通例的高压喷射灌浆机理对松软地层举行高压喷 射冲搅灌注;另一方面沿着高压喷射流偏向对松软地层举行复合强压挤扩与劈楔灌注,形成高压喷搅体、强压挤扩体、强压挤劈体等复合灌浆体。

1.3 新工艺流程及现场试验1.3.1 试验部署为充实论证复合灌浆新工艺与传统的灌浆工艺质量效果差异,对龙家山水电站狮江堤防工程防渗举行现场试验,试验部署根据灌浆工艺与传统工 艺举行对比部署,并设置相应检查孔,试验孔单排部署在堤防背水侧,深度为进入全、强风化基岩等相对不透水层1 m。孔位部署如图2所示,其中S1- 1、S1-2、S1-3为复合工艺试验孔,接纳触变伪膏浆自封式喷挤灌注;S2-1、S2-2、S2-3为传统工艺试验孔,接纳纯水泥浆液敞开式喷射灌注。图2 钻孔部署示意(单元:mm)1.3.2 试验设备及工艺流程试验所用设备主要沿用通例的轻型钻灌设备,机具主要依托自主研发的配套机具。

主要设备及机具如表1所列,复合灌浆施工工艺流程如图3所 示。表1 灌浆设备及机具1.3.3 现场试验及效果检查复合灌浆新工艺一次成孔,相较于通例的高压旋喷灌浆工艺需要钻孔与喷孔两次设备移动定位与四次更换钻具与喷杆,其工效显著提高,单台套 设备施工工效可达50 m/d。

施工工序主要包罗先后举行钻灌一体灌浆及高压喷挤复合灌浆,先行“钻灌一体脉冲灌浆”,施工时脉冲量≥1 L/冲次、脉 冲压力≥2 MPa,平均单元注入量约50 kg/m;然后通过孔内投放单向控制钢球,举行“高压喷挤复合灌浆”强化,此阶段喷挤压力≥22 MPa,平均单元注入 量约为325 kg/m。对试验区域内举行检查孔压水试验,接纳单点法压水试验,试验压力0.15 MPa,每个检查孔对砂层和砂卵石层分段压水,压水试验效果如表2所 列。压水试验效果讲明,帷幕平均透水率降到5 Lu以下,且经由复合灌浆新工艺处置惩罚过的砂卵石层防渗效果显着优于传统工艺,由此可见,龙家山水电 站狮江堤防经“钻、灌、喷、挤一体复合灌浆”后形成的复合灌浆体,已靠近或到达素性混凝土防渗墙防渗尺度,为一种结构性防渗幕墙,其抗渗性完全 满足砂卵石堤防防渗工程要求。经测算,复合新工艺单元成本约480 元/m,较通例“高压旋喷灌浆”单价600 元/m以及塑性混凝土一连墙单价1 200 元/m,单价显著降低。

表2 检查孔各试验段压水试验效果2 渗流分析及渗控优化2.1 前期物探检查为查明堤防的渗漏情况,首先使用团结剖面法开端探测堤坝渗漏区域,然后通过流场法进一步探测堤坝局部强渗区域。沿堤坝中轴线偏向,在背 水边坡与迎水边坡中部门别部署一条测线,同时在靠近迎水边坡水中部署一条测线,接纳双频道激电仪对三条测线划分丈量,对丈量效果对比分析确 定龙家山堤防渗漏区域,详细分区如表3所列。

表3 物探渗漏分区2.2 渗流分析2.2.1 模型建设凭据堤防分段地质情况建设了各段整体三维有限元模型,板栗林至码头段长700.56 m,沿水流向细分为12小段;码头至乡村段长664.27 m,沿水 流向细分为12小段;乡村至排水站段长307.3 m,沿水流向细分为9小段,乡村至排水站段防护区内存在一个较大集水区。各段整体模型的有限元网格如图4所示,板栗林A至码头段共划分单元98 579个,节点22 298个;码头至乡村段共划分单元268 651个,节点152 30 1个;乡村至排水站段共划分单元151 506个,节点31 312个。

模型盘算规模为:河流侧界限距堤防轴线50 m,防护区内侧界限距堤防轴线60~100 m,底部界限高程56 m。2.2.2 盘算参数及界限条件凭据地勘资料和现场试验结果,堤防各地层基本渗流盘算参数如表4所列。表4 堤防质料渗透系数取值渗流盘算界限条件为:河流水位以下外貌节点取为定水头界限,其值为多年来河流最高水位94.2 m;防护区内水位以下外貌节点取定水头界限:板 栗林至码头段为91.74 m,码头至乡村段为91.5 m,乡村至排水站段为90.5 m;模型两侧及底部界限取为隔水界限;防护区及堤身内侧外貌视为潜在溢 出界限。2.2.3 灌浆前后渗流场分析通过稳定渗流分析的SVA方法,选取乡村至排水站段堤防11断面举行灌浆前后渗流场分析。

灌浆前,防洪堤典型剖面等水头线如图5所示。由图 可见,渗流自由面在堤防内部下降较为平缓,且堤防背水侧泛起渗流溢出点;由于集水区存在,防护区内恒久维持着较高水位,只管堤防两侧水位差较 小,但由于堤身透水性较大且无防渗措施,导致防护区内渗漏问题较为严重,且随着河流水位上涨渗漏问题加剧,甚至危及堤防宁静。图4 堤防分段有限元模型 图5 灌浆前堤防等水头线示意(单元:m)为研究防渗帷幕对堤防渗流影响,对含灌浆帷幕的堤防举行渗流场分析。

图6为灌浆后乡村至排水站段堤防典型剖面等水头线图。由图可见,等 水头线在防渗帷幕四周漫衍较为麋集,且堤身内渗流自由面在帷幕处急剧下降,堤防背水侧无显着渗流溢出点。灌浆前后堤防内自由面变化可知,灌 浆后堤防内渗流自由面显著降低,堤防背水侧渗漏溢出点消失,整体渗漏量急剧减小,由此讲明,灌浆帷幕渗流控制效果显著。

图6 灌浆后堤防等水头线示意(单元:m)2.2.4 渗漏量分析在河流高水位情况下各段灌浆前局部渗漏量及单宽渗漏量如图7、图8所示。由图7可见,龙家山堤防总渗漏量很是大,由于排水能力不足,极易造 成防护区内涝,危害堤防稳定。由图8可知,单宽渗漏量较大区域主要集中在乡村至码头段,且量值较大,这是由于该段防护堤内侧存在较大集水区导 致地下水位偏高,河流渗水易从外貌溢出。图7 各堤段灌浆前局部渗漏量图8 各堤段灌浆前单宽渗漏量凭据堤防分段单宽渗漏量巨细将各段分为强渗区及疏散渗漏区,表5为盘算分区与实际物探分区情况对比。

由表5可见,由于仅从单宽渗漏量巨细 举行渗漏分区,模型与物探分段存在一定的定位误差,且分段模型及地层渗透特性举行相应的简化,导致盘算效果与实际物探存在一定的偏差,但总体 上,盘算分区与物探分区情况吻合良好,较好的反映了龙家山堤防真实的渗漏分区纪律。表5 渗漏量分区对比2.3 渗控优化联合上述分析结果,复合灌浆帷幕防渗效果较为显著,但举行整体堤防灌浆不仅施工难题,且工程量大,因此基于全局渗漏量分析对防渗工程举行 优化很有须要。

凭据渗漏量分析结果,设计三种差别灌浆优化方案:方案一,对防护区内所有渗漏区域接纳复合灌浆新工艺举行防渗处置惩罚;方案二,基于 渗流盘算和物探,只对集中强渗漏区域实施灌浆,其他散浸区不处置惩罚;方案三,基于渗流盘算,只对单宽渗漏量较大部位实施灌浆。表6为三种优化渗漏量及工程量对比。由表可见,三种灌浆优化方案均大幅淘汰工程量;方案一与方案三处置惩罚后的渗漏量显著少于方案二,且灌浆 后堤防整体渗漏量急剧减小,同时也极大降低工程量,节约投资,说明灌浆优化设计选择方案三是合理有效的。

3 结 论本文针对龙家山堤防工程渗漏问题提出复合灌浆新工艺,通过现场勘探、灌浆压水试验及灌浆前后三维渗流分析综合评价其渗控效果,并联合渗 漏量数值分析结果举行渗控优化设计,获得如下结论。(1)“钻、灌、喷、挤一体复合灌浆”新工艺是基于触变膏浆自封式喷挤工法,通过自上而下钻灌一体与自下而上高压喷挤灌浆工法,高压冲挤充填 地层后举行复合强压挤扩与劈楔灌注,能够有效解决砂卵石等深厚笼罩层成孔难题、易劈裂跑浆等防渗难题,且工效高,灌浆效果良好,成本低。(2)复合灌浆新工艺应用于龙家山堤防工程所形成的防渗帷幕可有效降低堤防内部浸润线,淘汰堤基渗漏;水头主要在防渗帷幕处消散,堤防背水 侧水头损失较小,浸润线较平缓,帷幕防渗效果显著。

(3)渗流盘算分区与物探分区情况吻合较好,渗漏量盘算分析结果可为渗控优化方案设计提供依据。灌浆优化设计方案可有效控制堤防整体渗漏,同时大幅淘汰灌浆工程量,节约投资。水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊(月刊),为全国中文焦点期刊,面向海内外公然刊行。本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护,以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主,同时也报道外洋的先进技术。

期刊主要栏目有:水文水资源、水工修建、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水情况与水生态、运行治理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利计划、防汛抗旱、建设治理、新能源、都会水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。


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