高壓噴射灌漿在尹回水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

戴永堅(jiān)

（晉中市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 山西晉中 030600）

1 工程概況

尹回水庫(kù)位于黃河流域汾河水系一級(jí)支流惠濟(jì)河中下游的東西支流匯合處，地處山西省晉中市平遙縣岳壁鄉(xiāng)尹回村東，距世界文化遺產(chǎn)平遙縣城3.5km。

尹回水庫(kù)控制流域面積274km2。尹回水庫(kù)始建于1958年5月，于1959年蓄水運(yùn)行。水庫(kù)初建時(shí)為?。?）型水庫(kù)，1977年因暴雨導(dǎo)致溢洪道失事造成潰壩，同年 10月開始對(duì)潰壩段進(jìn)行修復(fù)并在下游壩坡對(duì)大壩進(jìn)行了加高培厚，擴(kuò)建成為中型水庫(kù)，總庫(kù)容為2630萬(wàn)m3，于1978年8月蓄水運(yùn)行，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)魚、城市供水的中型水庫(kù)。

水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道和泄洪輸水洞三部分組成。大壩為碾壓均質(zhì)土壩。最大壩高20.4m，壩頂高程為785.288m。壩頂長(zhǎng)730m，壩頂寬8m。上游壩坡為 1∶3、1∶3.5，采用干砌石護(hù)坡；下游壩坡為 1∶2.5、1∶3。溢洪道位于大壩右岸，為河岸開敞式，進(jìn)口底高程777.72m，全長(zhǎng)404m，溢洪道設(shè)計(jì)最大泄量617.5m3/s。泄洪輸水洞為鋼筋砼圓形有壓洞，進(jìn)口底高程769.42m，洞徑3m，全長(zhǎng)60m，洞內(nèi)縱坡1/100，最大泄量77m3/s。

尹回水庫(kù)自建成運(yùn)行以來，對(duì)下游沿河兩岸村莊、人口、耕地和廠礦、公路等的防洪、灌溉及城鎮(zhèn)供水發(fā)揮了較大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

2 水庫(kù)壩址工程地質(zhì)條件6

工程所在地地形由壩軸線地質(zhì)剖面圖（圖 1）可以看出：主河槽寬約 330m，相應(yīng)現(xiàn)壩軸樁號(hào)為0+170～0+500m 左右；右岸在建壩前原有兩階臺(tái)地，其中一階臺(tái)地大致位于0+500～0+600m，臺(tái)面高程約為777.3m，二階臺(tái)地位于0+620m以東，臺(tái)面高程約為787.8m；左岸0+040～0+080原為一天然沖溝，其底高程約770m左右。0+085～0+100為一干土崖，崖頂高程785m左右。

圖1 大壩軸線地質(zhì)剖面圖

1977年水庫(kù)修復(fù)擴(kuò)建后，左岸沖溝、干土崖及右岸一階臺(tái)地均覆于壩下，右岸二階臺(tái)地壩體與溢洪道間高出現(xiàn)壩頂?shù)牟糠直煌谌ド蠅?。壩基地層在勘探深度范圍?nèi)均為第四系全新統(tǒng)沖洪積堆積，其巖性厚度在水平和垂直方向上均有較大變化，即在空間分布上存在較大的不均勻性。

如圖1大壩軸線地質(zhì)剖面圖所示，地層巖性分述如下：

（1）細(xì)砂：褐色、褐灰、褐黃、褐紅色，為近代河床表層堆積物，層厚約5.0～8.0m，其中ZK3、ZK4揭示的該層表部尚有約1～1.5m為粉細(xì)砂層。

（2）砂卵石：卵石成份以砂巖為主，含鈣質(zhì)結(jié)核塊，卵石磨圓度一般，分選較差，最大粒徑大于 10cm，漂石含量約 10%。該層厚度自壩軸線向下游由4.0～5.0m漸減為1.5～2.3m。其中ZK3、ZK4揭示的該層表部約0.5～0.8m為泥質(zhì)膠結(jié)的卵石層，應(yīng)為洪積堆積物。

（3）含礫細(xì)砂：褐色、褐紅色，夾薄層褐黃細(xì)砂、粉砂層礫石成份主要為小砂巖塊和鈣質(zhì)結(jié)核，粒徑2～5mm。該層在平面展布上厚度變化較大，其總體厚度自壩軸線向下游由 8～11m 減變至3.1～9.1m。

（4）粉土：褐紅、褐黃色，夾多層薄層褐黃、褐黑色粉細(xì)砂、細(xì)砂及粘土層，該層在壩軸剖面上大致分布于0+350樁號(hào)以右，并向河床及下游方向漸尖滅，鉆探范圍內(nèi)最大厚度約15.0m。

（5）粉土及粉質(zhì)粘土互層：褐色、褐黃色，夾薄層粉細(xì)砂及薄層褐紅、褐灰色粘土及含礫粉質(zhì)粘土層，其中礫石粒徑最大約5mm。該層在壩基下呈連續(xù)分布，厚度在壩軸剖面上大致為3.0～15.2m，在壩下游鉆孔揭示厚度2.7～3.6m，未見底。

（6）細(xì)砂、粉細(xì)砂透鏡體：褐色，夾薄層粉土，有異味，厚度約3.0m。

3 壩基防滲處理方案選擇

根據(jù)地質(zhì)條件，為了徹底截住滲流，設(shè)計(jì)中曾對(duì)高噴板墻、明挖截水槽的鋼筋混凝土墻及混凝土墻等方案進(jìn)行了比較，最后選定高噴板墻方案。高噴板墻防滲是一種先進(jìn)的軟基垂直防滲施工技術(shù)，它是利用高壓射流破壞土層結(jié)構(gòu)，形成溝槽，使?jié){液與砂土顆粒攪混，重新排列，最終凝結(jié)成復(fù)合材料的防滲體，從而起到很好的截潛防滲作用。該技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，可用于各種松散地層，施工簡(jiǎn)單，速度快，截潛防滲效果好，費(fèi)用低，單位面積造價(jià)比鋼筋混凝土防滲墻低40%左右。

4 壩基高噴防滲板墻設(shè)計(jì)

因壩基含有細(xì)砂、砂卵礫石，且埋深較淺，在高水位運(yùn)行時(shí)，壩腳排滲溝范圍以外仍有大面積滲水現(xiàn)象，據(jù)滲流安全理論計(jì)算分析知，壩體在運(yùn)行時(shí)的水平滲透坡降大于允許值，壩體的滲流狀態(tài)不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生管涌滲透變形，且滲流溢出點(diǎn)從排水棱體上部溢出，會(huì)發(fā)生滲透破壞，故壩基需做防滲處理，防滲形式采用高噴砼板墻，灌漿范圍由樁號(hào)0+000到樁號(hào) 0+600m，高噴防滲墻底頂高程772.4m，板墻最深 33.4m。高噴防滲墻軸線沿大壩上游坡腳線布置，在泄洪閘段，沿水閘邊墩基礎(chǔ)外邊線向上游至閘室砼底板外邊線，形成封閉式砼板墻。高噴板墻采用微擺型式，孔距為1.2m，單排布孔，擺角15°，與軸線的夾角5°，分兩序孔施工，每50m設(shè)一先導(dǎo)孔。高噴灌漿材料采用42.5普通硅酸鹽水泥漿，板墻頂部以上部分用粘土漿封孔。具體灌漿參數(shù)須通過施工前灌漿試驗(yàn)準(zhǔn)確確定。要求灌漿后的滲透系數(shù)不大于10-6。

5 高噴防滲板墻的施工

高噴防滲板墻工程從2004年8月5日開工至11月20日完工，歷時(shí)108天，完成高噴試驗(yàn)一項(xiàng)：其中包括6個(gè)試驗(yàn)板墻孔和1個(gè)圍井。完成高噴主體工程560個(gè)灌漿孔和6個(gè)圍井。鉆孔16105m；高噴灌漿14659.2m。施工過程分三個(gè)階段，即試驗(yàn)階段，施工階段和質(zhì)量檢查階段。

5.1 試驗(yàn)階段

施工單位根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)高噴試驗(yàn)，以最終確定施工技術(shù)參數(shù)值。高噴灌漿試驗(yàn)選擇地質(zhì)情況和設(shè)計(jì)高噴灌漿斷面相似的壩下游50m，樁號(hào)0+500處。高噴灌漿試驗(yàn)分板墻試驗(yàn)和圍井試驗(yàn)，板墻連接試驗(yàn)計(jì)劃孔深6.5m，成墻孔深5.5m，I序孔3個(gè)，II序孔3個(gè)，1#與2#孔孔距為1.0m，2#與3#孔孔距為1.2m，3#與4#孔孔距為1.2m，4#與5#孔孔距為1.2m，5#與6#孔孔距為1.5m。圍井試驗(yàn)計(jì)劃孔深入相對(duì)不透水層2.0m，圍井四孔間距：1#與 2#、3#與 4#孔距為 1.2m，1#與 4#的孔距為0.6m。見圖2、圖3。

試驗(yàn)圍井及連續(xù)墻各孔試驗(yàn)參數(shù)如表 1。高噴灌漿板墻試驗(yàn)孔共6個(gè)，其中Ⅰ序孔3個(gè)，Ⅱ序孔3個(gè)，鉆孔總進(jìn)尺39m，成墻33m，成墻面積為43m2，共灌注水泥25.65t，單位耗水泥量為0.78t/m。

圍井試驗(yàn)孔共5個(gè)，其中圍井孔4個(gè)，注水孔1個(gè)，鉆孔總進(jìn)尺187.1m，成墻146.8m，成墻面積246.624m2，共灌注水泥 96.35t，單位耗水泥量為0.66t/m。

圖2 高噴灌漿試驗(yàn)板墻平面示意圖

圖3 高噴灌漿試驗(yàn)圍井平面示意圖

（1）試噴成墻初凝后，用人工對(duì)試驗(yàn)板墻進(jìn)行開挖檢查。

①外觀墻壁體整體連接緊密，墻體密實(shí)，堅(jiān)硬，由于已挖出的試驗(yàn)地層為壩體土，在噴射施工時(shí)，因孔淺，噴射區(qū)漿柱壓力較小，出現(xiàn)局部坍塌，造成墻體表面不夠平直整齊，但不影響墻體整體的質(zhì)量和防滲性能。

②噴射長(zhǎng)度：施工時(shí)，1、3、5號(hào)孔為一序孔，2、4、6號(hào)孔為二序孔，一序孔墻體單端最長(zhǎng)處為0.9m，噴射最遠(yuǎn)距離為單端1.2m，雖然在施工中采用了不同的提升速度，從噴射距離沒有明顯差別。2、4、6號(hào)孔為二序孔，與一序孔的連接為焊接連接，部分為交叉連接，結(jié)合緊密。

（2）圍井進(jìn)行墻體注水試驗(yàn)

對(duì)圍井進(jìn)行墻體注水試驗(yàn),檢查墻體滲透系數(shù)。圍井由四個(gè)噴射灌漿孔組成，鉆孔深度均為37.7m，深入亞粘土層2.5m，注水試驗(yàn)孔深36.3m，注水試驗(yàn)前先注水使圍井內(nèi)砂土飽和，然后進(jìn)行注水試驗(yàn)，滲透系數(shù)k計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：K——滲透系數(shù)，cm/s；Q——注水量，mL；F——滲透面積，cm2；i——水力坡降；d——帷幕墻體平均厚度，m；h——注水水頭，m；t——注水歷時(shí)，min。

通過圍井注水試驗(yàn)，滲透系數(shù)為2.2×10-8cm/s，滿足設(shè)計(jì)不大于10-6cm/s的要求。

根據(jù)高噴灌漿試驗(yàn)開挖檢查情況及圍井注水試驗(yàn)結(jié)果，確定孔距為 1.2m，擺角 15°，與軸線的夾角5°，分兩序孔施工，施工參數(shù)見表2。

表1 圍井1-4號(hào)孔、板墻1-6號(hào)孔試驗(yàn)參數(shù)

表2 高壓噴射灌漿施工技術(shù)參數(shù)

5.2 施工過程中的質(zhì)量控制和檢驗(yàn)

高噴灌漿屬隱蔽工程，其質(zhì)量的控制關(guān)鍵在于施工過程的控制。在施工過程中，應(yīng)對(duì)鉆孔灌漿以及材料的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)和控制，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）鉆孔

①要經(jīng)常檢查鉆孔孔位有無(wú)偏差，并及時(shí)予以糾正。

②檢查孔斜，除了使用常規(guī)辦法外，可用井斜儀來測(cè)孔斜，將孔斜嚴(yán)格控制在不大于1%。

③鉆孔時(shí)要選派有經(jīng)驗(yàn)的鉆機(jī)操作人員，施工時(shí)特別注意地層變化，要準(zhǔn)確記錄變層和層厚，以控制各個(gè)層次的各種高噴施工參數(shù)。

（2）灌漿

①高壓擺噴灌漿必須先Ⅰ序后Ⅱ序的次序進(jìn)行，同序孔同時(shí)進(jìn)行。

②下噴射裝置時(shí)必須將高壓水、壓縮氣、漿管一套噴射裝置安裝妥善，并在地面上進(jìn)行試噴檢查，無(wú)故障后才可下入孔內(nèi)。

③施工應(yīng)嚴(yán)格檢查噴射管下設(shè)尺寸，使其準(zhǔn)確下放到防滲墻底高程才能開噴，否則應(yīng)提出噴射管重新處理鉆孔。

④噴射管下降至設(shè)計(jì)要求的墻底高程后，技術(shù)人員要確定擺向，等擺向確定后，通知送水、送氣、送漿，系統(tǒng)開始擺噴，擺噴工藝為自下而上連續(xù)進(jìn)行，待水、氣、漿等各種儀表的技術(shù)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求值后，孔口冒漿漿液比重≥1.3g/cm3，方可進(jìn)行提升，擺噴中制漿比重要求不小于1.5g/cm3。

⑤噴射施工中必須嚴(yán)格按照規(guī)定的水、氣、漿等參數(shù)和鉆孔提供的地層資料，施工技術(shù)人員要把每孔的地質(zhì)剖面畫出來，沒有特別批準(zhǔn)，不準(zhǔn)隨意改變施工參數(shù)。

⑥施噴中必須隨時(shí)檢查控制臺(tái)各項(xiàng)參數(shù)，如發(fā)現(xiàn)水、氣、漿的壓力、流量等不正常時(shí)，應(yīng)及時(shí)查清原因并進(jìn)行處理。

⑦施噴應(yīng)一次性成墻，決不允許無(wú)故中途停噴，如遇故障停噴時(shí)，應(yīng)立即抓緊時(shí)間進(jìn)行處理，在排除故障恢復(fù)噴射時(shí)，如排除故障時(shí)間超過 20分種，必須將噴管插入漿液尺寸不小于 0.5m深度方可進(jìn)行重新噴射。

⑧在擺噴過程中，水、氣、漿各系統(tǒng)等均要緊密配合，特別是制漿系統(tǒng)，供漿人員和孔口操作人員更要緊密配合，一旦送漿出現(xiàn)故障，應(yīng)馬上通知孔口操作人員停止提升，并同時(shí)通知水、氣系統(tǒng)適當(dāng)降低壓力，在排除故障后再進(jìn)行噴射。

⑨高壓噴射制漿系統(tǒng)使用水泥，上料機(jī)供料攪拌制漿，施工中要把水、水泥按規(guī)定水灰比計(jì)量投入攪拌機(jī)內(nèi)，攪拌至漿液均勻，并測(cè)得其比重≥1.5g/cm3時(shí)方可開始使用，灌漿開始后，拌合系統(tǒng)必須連續(xù)供漿，不能中斷。

⑩在施噴過程中要求每隔 20分鐘測(cè)讀記錄一次參數(shù)實(shí)際數(shù)據(jù)，確保施工的各種數(shù)據(jù)均控制在設(shè)計(jì)要求的參數(shù)范圍內(nèi)。如發(fā)生意外故障必須詳細(xì)記錄全過程及各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

?高噴耗用水泥以單機(jī)統(tǒng)計(jì)核算，要準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)好每孔的水泥用量。

?噴射達(dá)到設(shè)計(jì)墻頂高程時(shí)，繼續(xù)提升噴射0.5m再停止噴射，以確保高噴墻有效墻體達(dá)到設(shè)計(jì)高程。

?停噴后要及時(shí)對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行靜壓回填灌漿，直至孔內(nèi)漿液不再下沉為止。

（3）材料檢測(cè)

由于高噴灌漿所用材料大部為水泥，而且量大，為了確保材料的質(zhì)量，我們制定了以下措施：

①施工用水泥為選定的專門水泥廠供水泥。

②所用水泥為普通硅酸鹽42.5水泥，不能用低標(biāo)號(hào)及其它類型的水泥。

③所使用的水泥每400～500t送檢一次。

5.3 質(zhì)量檢查

高噴質(zhì)量檢驗(yàn)和控制可分為施工過程中和完工后兩個(gè)階段來進(jìn)行。

在施工過程中，主要根據(jù)高噴參數(shù)以及相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行檢查，以保證施工的規(guī)范性和科學(xué)操作性。完工后，經(jīng)開挖檢查其連結(jié)性，板墻折線性以及密實(shí)性，同時(shí)主要依靠圍井的檢測(cè)結(jié)果來判定所噴高噴防滲墻防滲性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)防滲墻標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)計(jì)防滲墻標(biāo)準(zhǔn)值為×10-6cm/s，此次圍井檢查設(shè)計(jì)上共布4個(gè)圍井，經(jīng)檢測(cè)，全部達(dá)到設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)值。

6 結(jié)論

（1）高壓噴射防滲技術(shù)適用于各種松散地層的防滲處理，具有設(shè)備簡(jiǎn)單，適用范圍廣，成本較低，施工速度快，防滲效果好等優(yōu)點(diǎn)，用于水庫(kù)除險(xiǎn)加固壩基防滲工程中具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（2）通過高噴灌漿試驗(yàn)了解到的地層情況結(jié)合高噴灌漿的經(jīng)驗(yàn)，在工程施工時(shí)，應(yīng)在以下幾方面引起注意：

①對(duì)松散地層鉆孔時(shí)必須用泥漿或其它性能較好的漿液固壁，防止塌孔。

②噴射完成后要安排專業(yè)人員及時(shí)足量喂?jié){。

③盡量縮短鉆機(jī)移位和臺(tái)車就位時(shí)間，以防閑置鉆孔造成塌孔。