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(diào)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(jié)材料,如水泥漿,灌注摻攪地層,形成要求性狀的凝結(jié)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(diào)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。

 
    2、場地水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件

    壩軸線地處夾河沖積平原下游,距夾河入?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)
地點
層底埋深/m
層底高程/m
地 層巖性
滲透系數(shù)/(cm·s-1)


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(zhì)粉細砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(zhì)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

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(zhì)粘土及中砂組成
全新統(tǒng)海積層,主要由淤泥質(zhì)砂、淤泥質(zhì)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、地下截滲壩的結(jié)構形式與工程布置的特點

    3.1 地下截滲壩的結(jié)構形式
 
    根據(jù)場地水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件,對東、西壩段高噴防滲墻采用不同的結(jié)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(zhì)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(jié)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(zhì)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?qū)娊Y(jié)構,見圖2(b、d)。
 
    3.2 結(jié)構形式與工程布置的特點
 
    常規(guī)的雙排孔布置形式有雙排孔平行布置擺噴軸線對接平行結(jié)構、雙排孔梅花形布置擺噴軸線對接平行結(jié)構、雙排孔平行布置擺噴折線連接平行結(jié)構、雙排孔梅花形布置擺噴折線連接平行結(jié)構(圖3)。根據(jù)該工程的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件(東壩段深度20~33m為砂礫石層),采用高噴灌漿雙排孔平行布置擺噴折線連接菱形結(jié)構,取代了上述四種結(jié)構形式,從圖2、圖3對比可以看出,高噴灌漿雙排孔平行布置擺噴折線連接菱形結(jié)構具有如下優(yōu)點:(1)增加了連接的可靠性,每4個高噴灌漿孔擺噴形成了一個圍井,增加了墻體有效厚度,使兩排墻體有機形成了一體;(2)由于鉆孔平行布置,而鉆孔處是墻體擴散最輕的部位,這樣第二排孔的鉆灌不易碰到第一排墻體上,而以往的雙排高噴灌漿孔梅花型布置,采用的是對接方式,在砂礫石層中孔深多為20~40m的單排擺噴防滲墻連接不牢靠,尤其是第二排的孔位正好在第一排擴散最大的位置,常使第二排鉆孔遇到第一排孔的高噴灌漿
 
    凝結(jié)體上,使孔偏斜或高噴灌漿噴射不出去,第二排防滲墻不能連續(xù),失去作用,且兩排防滲墻單獨成墻,不能連成一體,使防滲效果打了折扣。因此,高噴灌漿雙排孔平行布置擺噴折線連接菱形結(jié)構,既體現(xiàn)了單排擺噴折線連接的可靠性,又在不增加工程量的前提下,將其相鄰4個孔構成數(shù)個相互連接的菱形圍井,它較兩排平行獨立成墻的防滲墻大大提高了防滲效果。兩排平行獨立成墻的防滲墻缺點是:如每排一個孔存在質(zhì)量問題,就形成了漏水通道。兩排是菱形結(jié)構,其一個菱形結(jié)構兩排各一孔存在質(zhì)量問題的概率極小。所以,一個單獨的菱形圍井在注水試驗時,即便滲透系數(shù)K值大點或達不到設計要求,從防滲墻的總體上看,不一定不合格。因為,在菱形圍井的任一邊出點質(zhì)量問題,都直接影響滲透系數(shù)K值的大小,而一個菱形圍井只有一個邊有質(zhì)量問題,并不影響防滲墻的整體防滲作用。
圖3 高噴灌漿中常規(guī)雙排孔布置的幾種形式
 
    在不同類型的地層中旋噴套接結(jié)構形式見圖4,該工程中根據(jù)西壩段的地層特點(孔深30~40m為卵礫石層),我們設計采用高噴灌漿雙排孔梅花形布置半圓相向?qū)娊Y(jié)構(圖2)取代了圖4中旋噴套接結(jié)構形式。根據(jù)圖4、圖2對比可以看出,按旋噴套接灌漿形式方案施工,一序鉆孔鉆灌完畢后,由于卵礫石、粗礫砂、粉細砂層等不是均質(zhì)地層,噴射體形狀并不一定十分規(guī)則,在復雜非均質(zhì)地層中旋噴樁直徑一般為1~2m,設計孔距是根據(jù)現(xiàn)場試驗最小噴射半徑確定的,高噴施工時極有可能噴射至二序孔位置,當二序孔鉆灌時受一序孔高噴灌漿凝結(jié)體阻隔,孔易鉆斜,鉆孔穿過一序孔的高噴灌漿凝結(jié)體時,高噴灌漿噴射不出去,形成“天窗”。防滲墻體不能連續(xù),影響整體防滲效果,因而旋噴套接在這種地層中用來形成地下截滲壩是不適宜的。雙排半圓噴每排中的孔距為2m,雙排半圓噴孔數(shù)量與單排旋噴孔數(shù)量相等,相鄰孔的間距由10m增加到128m,第二排孔的鉆灌受第一排影響的機率大大減少,且由單排旋噴改為雙排半圓相向?qū)姾,縮短了工期,從而也降低了工程造價。
圖4  雙排擺噴菱形結(jié)構和半園相向?qū)娊Y(jié)構
 
圖5 試驗圍井結(jié)構(單位:m)
    4、地下截滲壩施工技術參數(shù)的確定

    夾河地下水庫截滲壩工程在開工前,選擇與壩上地質(zhì)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(jié)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(jié)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(jié)構平面圖、剖面圖見圖5。
    根據(jù)圍井試驗結(jié)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)
高壓水
 
壓縮氣
 
水泥漿
 
漿液比重
 
擺  噴
壓力/MPa
流量/(L/min)
 
壓力/MPa
流量/(m3/min)
 
壓力/MPa
流量/(L/min)
 
送漿/(g/cm3)
回漿/(g/cm3)
 
砂土層提升速度/ (cm/min)
粗砂層提升速度/(cm/min)
礫石層 提升速度/(cm/min)
基巖提升速度/(cm/min)
擺動次數(shù) /(次/min)
36~38
75
 
0.6~0.7
1~1.2
 
0~0.2
80
 
1.65~1.75
1.2~1.3
 
12
12
8
5~6
8~12
孔與二序孔呈折線連接,擺噴折線夾角為110°。為了確保防滲墻成墻質(zhì)量,轉(zhuǎn)折點采用旋噴連接,雙排防滲墻體厚度為0.8m,單排防滲墻體厚度為0.3~0.6m。
表3  西壩段高噴灌漿施工技術參數(shù)
高壓水
 
壓縮氣
 
水泥漿
 
漿液比重
 
擺  噴
壓力/MPa
流量/(L/min)
 
壓力/MPa
流量/(m3/min)
 
壓力/MPa
流量/(L/min )
 
送漿/(g/cm3)
回漿/(g/cm3)
 
砂土層提升速度/ (cm/min)
粗砂層提升速度/(cm/min)
礫石層 提升速度/(cm/min)
基巖提升速度/(cm/min)
擺動次數(shù) /(次/min)
36~38
75
 
0.6~0.8
1~1.2
 
0~0.2
80
 
1.7~1.75
1.2~1.3
 
12
10
8
6
4~6
    5、地下截滲壩施工工藝與質(zhì)量控制

    5.1 施工設備及工藝流程
 
    高噴灌漿施工用的主要設備有地質(zhì)鉆機、鉆孔測斜儀、高噴臺車、高壓水泵、空壓機、攪灌機、灌漿泵、螺旋上料機、電焊機等。施工用主要材料是425#抗硫鹽(免檢)水泥,施工時一套設備每天庫存80t水泥,施工用粘土每天存放20t,施工用水采用鉆水井抽水,施工時一套設備每小時用水15m3,施工用電一套設備需200kW。施工工藝流程見圖6。
圖6  高噴灌漿施工工藝流程
    5.2 施工質(zhì)量控制指標
 
    5.2.1  鉆機造孔質(zhì)量控制指標
 
    (1)定孔  壩軸線允許誤差1cm,孔位誤差不超過2cm;(2)鉆孔  鉆機對準孔位誤差不超過2cm;(3)孔口徑  開孔口徑大于150mm,終孔口徑大于130mm;(4)鉆進  機體要平穩(wěn)、牢固,每鉆進5m測量機體、立軸垂直一次;(5)泥漿護壁  粘土泥漿容重為1.1~1.25g/cm3;(6)先導孔  分層界面取芯,孔深進入基巖1.3m取芯;(7)鉆孔深度  按設計要求孔深進入不漏漿的基巖全(強)風化層2m;(8)終孔  終孔后用新漿液將孔內(nèi)巖粉置換干凈,保證高噴順利下管;(9)測斜  孔深東壩段大于20m、西壩段大于30m的孔斜率不大于0.7%;(10)記錄  鉆進過程中要詳細記錄地層變化、漏漿位置、深度、時間,記錄表經(jīng)監(jiān)理、技術員、機臺長簽字后當天送交技術組。
 
    5.2.2  高噴灌漿質(zhì)量控制指標
 
    (1)分序施工  一序孔與二序孔(如圖2所示)灌漿施工間隔時間不小于24h:(2)下噴射管  下至設計深度,下落深度不夠時請示監(jiān)理部門批準;(3)擺噴方向  擺噴以施工軸線呈5°夾角為起點,外擺30°,允許誤差±2°,半圓噴以施工軸線為起點,外擺90°,允許誤差±5°;(4)提升速度  提速允許誤差不超過±5mm/min;(5)擺動速度  擺速允許誤差不超過±1次/min;(6)水壓力  控制在36~38MPa之間,水咀直徑1.8~1.9mm;(7)氣壓力  控制在0.6~0.8MPa之間,氣咀直徑9mm;(8)制漿  采用425#抗硫鹽水泥,純水泥漿,送漿比重控制在(1.6~1.65)g/cm3之間;利用回漿,送漿比重控制在1.7~1.75g/cm3之間,每隔30min測量送漿比重、回漿比重一次,要詳細記錄;(9)水泥  對所進水泥按批號分開堆放,按先后順序分批使用;(10)水泥檢驗  所進水泥每400t取樣化驗一次,檢測水泥安定性和強度指標,不合格的水泥嚴禁使用;(11)水泥用量  統(tǒng)計每一個孔的水泥用量,每20個水泥袋捆成一捆:(12)灌漿記錄  噴射過程中對冒漿情況、漏漿位置、深度、時間要詳細記錄;(13)終噴充填  終噴后用比重1.7~1.75g/cm3漿液將孔內(nèi)充填滿,直到孔口漿面不再下沉為止;(14)終噴驗收  終噴經(jīng)現(xiàn)場質(zhì)檢人員和監(jiān)理人員簽字驗收;(15)高噴記錄  記錄表要填寫清楚、整潔,經(jīng)監(jiān)理、技術員簽字后,當天將記錄表當天交技術組;(16)回灌  噴射結(jié)束將孔內(nèi)充填滿后及時利用冒漿回灌到地面,嚴禁使用帶有黃泥和淤泥的冒漿進行回灌,做好原始標記;(17)因各種原因使噴射中斷超過30分鐘,恢復噴射時,要下落0.5m再開噴;超過2h,恢復噴射時,要下落0.7m再開噴。
 
    5.3  施工中質(zhì)量問題及處理
 
    東壩段施工中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題及處理措施如下:鉆孔施工過程中有28個孔是在強風化大理巖中漏漿,有2個孔是在卵礫石層漏漿,采用稠粘土漿堵漏;高噴灌漿施工時因漏漿埋管15孔次,掃孔、重新下管,采用稠水泥漿先靜灌充填飽滿后高噴灌漿;在第二排鉆孔施工時有3個孔遇到第一排防滲墻的水泥凝結(jié)體,深度在3.8~15.8m,地層巖性為淤泥質(zhì)砂和中粗砂,說明該孔巖性密實度松散,高噴半徑達到2m,高噴孔遇水泥凝結(jié)體是噴不出去的,通過補孔來保證高噴防滲墻體的有效連接。
    西壩段施工中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)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(jié)束后,根據(jù)工程結(jié)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(zhì)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(zhì)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)
 
地層巖性
狀態(tài)密度
底板埋深/m
底板 埋深/m
原地層滲透系數(shù)k/(cm·s-1)
防滲墻滲透系數(shù)k/(cm·s-1)


粉細砂
淤泥質(zhì)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

粉細砂
淤泥質(zhì)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
 
    為檢查高噴板墻的最終效果,通過12個檢查圍井注水試驗和12個鉆孔高噴防滲墻體取樣及鉆孔注水試驗,得出各地層高噴防滲墻的滲透系數(shù)k=i×(10-5~10-7)cm/s數(shù)量級(各地層巖性及滲透系數(shù)與高噴防滲墻的滲透系數(shù)見表4),其滲透系數(shù)均滿足了設計要求,證明高噴防滲墻的防滲性能是可靠的,通過截滲壩上下游水位觀測和水質(zhì)分析,截滲壩高噴防滲墻起到了防止海水倒灌的作用,為庫區(qū)地下水開采提供了保障。