论水库坝体防渗施工中的高压旋喷灌浆技术及应用

　　摘要：高压旋喷灌浆技术作为一种行之有效的防渗施工方法，在水库除险加固工程中被广泛应用。某水库坝体及坝基渗漏严重，库水位较高，库内淤积严重，本文根据水库大坝的具体岩土体构成情况，对1831.57m高程以下的坝体土层采取高压旋喷灌浆处理，讨论了高压旋喷灌浆施工工艺及高压旋喷灌浆在该水库除险加固工程中优缺点，并对该水库除险加固工程的高压旋喷灌浆防渗施工提出要求。
　　关键词：水利工程；土坝防渗；高压旋喷灌浆；施工应用；
　　1、工程概况及存在渗漏问题
　　该水库总库容272万m3。最大坝高37m，坝顶高程1848.94m，坝顶长164m，坝顶宽4m，坝底宽174m。大坝迎水面从坝顶至高程1826.35m为干砌块石护坡，迎水面坡比从上至下为1∶2.14、1∶2.67、1∶3.37，在1837.8m及1826.5m高程处分别设置宽为2m的马道；背水面1837m以下为干砌块石体，坡比从上至下为1∶1.92、1∶1.1、1∶1.99，在1837m高程处为Ⅰ级马道，宽1m，在1825.7m高程处为Ⅱ级马道，宽1m。溢洪道为宽浅式，坝体右坝肩布置放水兼冲沙涵洞，电站引水钢管布置于左坝肩，钢管直径为Ф500mm，总长162m。该水库现在的主要任务为灌溉及防洪，另兼有人饮的任务。水库设计灌溉面积4298亩，防洪保护面积7000亩，解决2600人/3900头人畜饮水困难。水库建成后，配套建成干渠1条，总长7km；暗渠1条，长2km，渡槽1座，长118m，承担水库下游三个村的农田灌溉任务。
　　该水库河谷呈不对称“V”型谷，河谷两岸地形坡度较陡，其中左岸地形坡度抬升较缓。岩性为紫色薄层含钙质砂岩夹砂质泥页岩及灰岩。坝址两岸山体由于修筑大坝时大量取土料及基岩强风化层，两岸坡上的第四纪覆盖层较薄。坝址区地表岩层风化严重，岩层产状倾向大坝下游偏右岸，其倾向2870，倾角130。岩石中裂隙发育；右坝肩裂隙主要有两个方向，一组裂隙产状为倾向2230，倾角810，另一组裂隙产状倾向1470，倾角790，这两组裂隙在右坝肩岩层中相互切割面；左坝肩裂隙也主要有两个方向发育，一组裂隙产状为倾向200，倾角710，另一组裂隙产状为倾向2780，倾角760，这两裂隙也在左坝肩岩层中相互切割岩石。“可乐断层”从大坝右坝肩基岩中通过，该断层为一条压缩性正断层，断层倾向SE，倾角600，断层层面内有泥质胶结的角砾岩，胶结性较好，其对大坝坝基渗漏的影响较小。坝基岩石中的风化裂隙以及碳酸盐地层中的溶蚀裂隙是坝址区地下水运移的渗漏通道。水库蓄水后，由于筑坝土体的碾压密实度不均匀，坝体填筑质量总体较差，坝身内的粘土防渗芯墙和坝基防渗帷幕并不能有效地阻水，造成坝体与坝基产生大量漏水。
　　水库存在的主要渗漏问题是大坝坝体和坝基渗漏严重，在大坝下游存在渗漏点多处，总渗漏量达137L/s，已经影响到大坝安全正常使用。但由于水库放水涵洞已经于八十年代封堵废弃使用，电站早已报废，现在该水库放水只能采用发电引水钢管进行放水，库水位较高，水库上游植被较差，洪水季节上游来水含沙量较大，水库泥沙淤积较严重，现坝前淤积高程1828.29m，淤积高度达17m。大坝坝型为粘土斜墙土石混合坝，水库大坝土体一部分为非均质土，由粘土含大量碎石组成，一部分为均质粘土；坝体下部坝基基岩风化严重，大部呈强风化状，局部呈全风化状；具体情况参见图1。
　　
　　图1水库大坝组成岩土体
　　2、工程中高压旋喷灌浆设计情况
　　设计上对1831.57m高程以上的坝体采取复合土工膜进行防渗，同时在上游坝坡1831.57m高程向下设高2m混凝土垂直防渗墙，然后沿防渗墙布置一排帷幕灌浆孔和高压旋喷灌浆孔，1831.57m高程以下的坝体土层采取高压旋喷灌浆处理后结合库内淤泥进行防渗，对坝基、两坝肩及左岸坡采取帷幕灌浆进行防渗，并向坝体两坝肩及左岸坡延伸帷幕灌浆孔。其中帷幕灌浆底限高程应以透水率小于5lu的岩层作为隔水岩层；右侧坝体的灌浆孔以1800m为灌浆的设计底限，左侧坝体的灌浆孔同样以1800m为灌浆的设计底限。随着灌浆轴线向两坝肩及左岸坡延伸，由于坝址区岩层产状倾向大坝下游偏右岸，倾角平缓，并且地下水位线从河谷向两岸坡逐渐抬升，两坝肩及左岸坡的灌浆孔设计底限高程也应在设计底限高程1800m基础进行抬升；另外坝基基岩中受可乐断层影响部位60#-68#灌浆孔以1790m作为帷幕灌浆底限高程，以便增加该部位帷幕灌浆在断层影响下的防渗效果或加长库水在该部位的渗流途径。帷幕灌浆边界依延伸至水库校核洪水位与地下水位线相交位置终止布置帷幕灌浆孔，截断库水沿基岩裂隙和断层破碎影响渗漏带产生渗漏。高压旋喷灌浆设计情况是对大坝坝体土层采取高压旋喷灌浆，高压旋喷灌浆轴线总长112.5m，共布置设计灌浆孔76个，孔间距为1.5m，单排。大坝坝体土层高压旋喷灌浆总进尺789m。
　　3、设计高压旋喷灌浆施工工艺
　　3.1施工设备
　　高压旋喷灌浆施工设备主要由造孔系统、高压水系统、压缩空气系统、制浆供浆系统、提升喷射系统和检测系统等组成。
　　3.2施工布置
　　本次设计高压旋喷灌浆防渗板墙的结构形式采用旋喷折接，共布置76个灌浆孔，孔距1.5m，旋喷角度30°，采用水、气、浆分别由3条并列的管道输送的设备施灌制作折线形防渗板墙。高喷灌浆下界线为入基岩面以下0.5m，上与混凝土截流墙底板相平，为减少串孔、塌孔及保护板墙有效连接，设计分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔进行施工,其中Ⅰ、Ⅱ序孔从轴线向内侧旋喷，Ⅲ序孔从轴线向外侧旋喷。
　　3.3施工工艺
　　造孔采用zy100型钻机进行回转钻进，用当地粘土制浆进行钻孔护壁，采用三管法高喷灌浆设备进行旋喷，在孔造好后下高喷管，高压喷射以水、气、浆为介质，高压喷头使用一对水平喷嘴喷出35～40MPa的高压水射流切割破坏被灌地层，出浆口垂直于高压水嘴，在高喷管的底部灌入比重大于1.60g/cm3以上的水泥浆充填被高压水切开的空间，并使地层中的泥、砂等细小颗粒排出地表，从而形成高喷板墙，主要施工流程如下图：
　　水+水泥→制浆←回浆
　　↓↗
　　定孔位→造孔→测孔斜率→下喷射管→提升→成孔
　　↑↑↑
　　送高压水送压缩气回填灌浆
　　设计高压旋喷灌浆简单工艺流程
　　3.4施工材料
　　采用纯水泥浆，水泥为425#以上标号普通硅酸盐水泥。先是高压气、水喷射，后是压力灌浆，灌浆易被先喷入的水稀释，所以使用的水灰比为大于1：1的浓浆。
　　3.5施工参数
　　本次设计高压旋喷灌浆的施工参数见表1。要求施工中应在现场进行试验中对不同地层的提升速度、旋动角度及水、气、浆等各项技术参数进行测试，通过现场试验为高压旋喷灌浆设计合理性和高压旋喷灌浆施工提供必要数据，适当优化设计参数。
　　水库高压旋喷灌浆施工技术参数指标表1
　　技术参数 基岩风化层 碎石土层 粘土斜墙土层
　　气压力（MPa） 0.7 0.7 0.7
　　流量（m3/min） 1～2 1～2 1～2
　　喷嘴间隙（mm） 1～2 1～2 1～2
　　水压力（MPa） 30 30 30
　　流量（L/min） 80 80 80
　　喷嘴孔径（mm） 2 2 2
　　浆液压力（MPa） 0.5 0.4 0.2
　　流量（L/min） 80 80 80
　　喷嘴孔径（mm） 12 12 12
　　水泥浆比重 水灰比1：1，比重1.60g/cm3
　　喷浆旋角 30° 30° 30°
　　喷机提升速度（cm/min） 10 10 10
　　钻杆转动速度（r/min） 10 10 10
　　3.6施工方法
　　3.6.1灌浆钻孔施工
　　钻机安放平稳，孔位偏差小于50mm，均用水平尺校正机台水平和钻机立轴垂直度。通过回转钻进、泥浆护壁成孔。失浆严重时，注入稠泥浆或粘土进行堵漏处理。钻进过程中使用测斜仪对钻孔进行测斜，当发现钻孔倾斜时，及时采取补救措施，以确保成孔倾斜度小于1%。钻孔结束后及时向孔内注入稠泥浆，预防塌孔现象发生。地质人员应跟班对岩芯进行分层描述，确保在不同土层中采用不同高压旋喷灌浆施工技术参数。
　　3.6.2高压旋喷施工
　　为保证先期形成的板墙与后期形成的板墙有效连结，采用间隔性Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、Ⅲ序孔施工方法，即先施工完Ⅰ序孔、Ⅱ序孔，然后再施工Ⅲ序孔；高喷机就位后，先在地面进行试旋和试喷，定好喷射方向，待各项参数达到要求后再下喷射管至孔底，先按规定参数进行原位喷射，待浆液返出孔口、情况正常后方可开始提升喷射；喷射界线为下至基岩0.5m以下；在碎石土层中容易出现塌孔现象致使高喷管下不到预定深度，这时，移开高喷机，用钻机进行扫孔，用浓粘土浆或直接倒入粘土进行护壁，然后才能进行高喷操作；喷射过程中，出现故障而停喷时，待故障排除后，将喷管下至停喷前深度0.2m以下重新喷射，确保板墙连接良好；部分碎石土层孔段出现漏浆而无冒浆时，就停止提升，并加大水泥浆液浓度，直至孔口有冒浆后才开始重新提升。当发生邻孔串浆时，将串浆孔堵死，灌浆孔依照正常施喷要求进行；单孔喷灌结束后，采用0.7∶1的纯水泥浆进行回填补灌，反复进行，直至浆面不再下沉为止；在喷灌过程中，随时监测进浆比重，回浆比重、流量，水、气、浆的压力和流量，旋喷角度，提升速度等施工参数，并详细记录。
　　3.7高压旋喷灌浆效果检查：
　　高压旋喷灌浆凝固14ｄ后，可在钻孔位置进行注水试验，也可在局部可挖开检查；要求板墙喷射均匀，连接牢固，碎石土层旋角形成墙体厚度30cm以上，双面有效喷嘴喷射长度为灌浆孔距75%以上，墙体强度大于5.0MPa，墙体渗透系数小于1×10-6cm/s。
　　4、高压旋喷灌浆在该水库除险加固工程建设中的主要优点及缺点
　　该水库设计高压旋喷灌浆进尺总投资为51万元，其主要优点是具有造价低，工期短，防渗施工质量有保证，完全能够解决水库中存在问题。其主要缺点是由于在该水库除险加固工程高压旋喷灌浆工程量相对较少，能进行高压旋喷灌浆施工单位较少，施工单位选择面较窄，当地施工单位一般都不能进行施工，工程场地距离施工单位较远，施工单位高压旋喷灌浆设备进出场费用较高。
　　5、结束语
　　在该水库除险加固工程高压旋喷灌浆施工中，由于此类工程属于地下隐蔽工程，对施工过程要求设计和监理全程参与，施工参数必须严格控制才能保证施工质量，钻孔垂直度和孔位误差已应该要小。只有解决该水库存现在的渗漏问题，才能够保证水库能够正常蓄水运行，以便取得良好的社会与经济效益。

《论水库坝体防渗施工中的高压旋喷灌浆技术及应用》

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