高壓擺噴灌漿技術(shù)在壩基防滲加固修復(fù)中的應(yīng)用

史天波 陳文斌

（1貴州黔水工程監(jiān)理有限責(zé)任公司 2西北農(nóng)林科技大學(xué)）

囗學(xué)術(shù)天地

高壓擺噴灌漿技術(shù)在壩基防滲加固修復(fù)中的應(yīng)用

史天波1陳文斌2

（1貴州黔水工程監(jiān)理有限責(zé)任公司 2西北農(nóng)林科技大學(xué)）

為解決七里坡水庫(kù)運(yùn)行中長(zhǎng)期存在的壩基滲漏且不斷加劇問題，根據(jù)大壩安全鑒定成果，應(yīng)用高壓噴射灌漿技術(shù)，在大壩上游壩坡增設(shè)垂直防滲體進(jìn)行加固修復(fù)處理。經(jīng)過對(duì)壩體和壩基粉砂層、河流沖積層及強(qiáng)風(fēng)化基巖進(jìn)行高壓水泥漿液灌注，硬化后形成固結(jié)體實(shí)現(xiàn)對(duì)滲漏通道的有效堵截。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開挖檢查、圍井注水試驗(yàn)、室內(nèi)檢測(cè)和滲流監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：處理后的防滲墻體整體連續(xù)性和密實(shí)度均較好，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)與規(guī)范要求，壩基滲漏得到有效處理，防滲效果較好。

高噴灌漿 防滲墻 滲透系數(shù) 壩基滲漏 小型水庫(kù)

高壓噴射灌漿技術(shù)，由于其具有防滲地層適用范圍廣、施工便捷、固結(jié)體形狀可控、材料廣闊和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，從20世紀(jì)80年代開始，在我國(guó)水利水電工程基礎(chǔ)防滲中得到了廣泛推廣應(yīng)用，并取得了較好的防滲加固修復(fù)效果。為規(guī)范施工技術(shù)和確保施工質(zhì)量，國(guó)家發(fā)改委于2004年頒布實(shí)施了《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5200-2004），有效指導(dǎo)高噴灌漿向地基加固以外水工建筑物工程領(lǐng)域發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)，不僅可以用在松軟地層的壩基壩肩防滲、壩體截潛流和臨時(shí)圍堰等新建水利工程中，而且可以作為主要加固修復(fù)工程措施用于已建工程壩體結(jié)構(gòu)裂縫滲流、漏洞及安全隱患等防滲處理和深基坑或大壩止水帷幕。通過合理控制和工藝參數(shù)調(diào)整，高噴灌漿技術(shù)可以適用于任何松散地層。另外，由于高壓噴射灌漿技術(shù)具有無(wú)需地層開挖、對(duì)施工場(chǎng)地要求不高、可灌性和可控性好等特點(diǎn)，通過定、旋、擺等灌漿工藝，固結(jié)形成防滲所需要的凝結(jié)體，其施工深度最高可到90 m，對(duì)于50 m以內(nèi)施工深度其工藝參數(shù)較為成熟，可以有效克服很多防滲技術(shù)不能深達(dá)基巖相對(duì)不透水層的不足。在水庫(kù)除險(xiǎn)加固防滲修復(fù)工程中，結(jié)合工程特性合理選用高噴灌漿防滲技術(shù)，可以獲得較大地層適應(yīng)性和工程施工造價(jià)經(jīng)濟(jì)性，確保防滲工程高效優(yōu)質(zhì)、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的順利進(jìn)行。

1 高壓噴射灌漿施工原理

受歷史條件、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工技術(shù)等因素的影響，20世紀(jì)50年代末到80年代初，我國(guó)興建了一大批以當(dāng)?shù)夭牧咸钪橹鞯耐潦瘔?。鑒于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、施工理念和技術(shù)、資金水平等限制，專門防滲結(jié)構(gòu)和防滲措施未設(shè)置或設(shè)置不足，加上后期運(yùn)行維護(hù)落實(shí)不到位，許多水庫(kù)大壩出現(xiàn)壩身滲漏、壩基和壩肩接觸帶滲漏等問題，大壩帶病運(yùn)行，嚴(yán)重制約著水庫(kù)大壩安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的正常發(fā)揮。壩基滲漏現(xiàn)已成為中小型水庫(kù)大壩病險(xiǎn)的主要問題，同時(shí)也是大壩防滲加固修復(fù)的關(guān)鍵部位。對(duì)于土石壩壩基防滲加固修復(fù)處理，常規(guī)混凝土防滲墻和灌漿法，不僅施工工藝復(fù)雜，同時(shí)灌漿壓力難以掌握以及大體量開槽、造孔易引起地基應(yīng)力“釋放”而造成壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形，施工難度較大、成本較高、防滲工程節(jié)能經(jīng)濟(jì)性較差。高壓噴射灌漿可以利用鉆機(jī)鉆孔精確達(dá)到需處理的薄弱部位，通過高壓噴射漿液切割巖體沖擊攪拌，硬化后形成防滲凝結(jié)體，從而達(dá)到精準(zhǔn)防滲加固目的，且對(duì)壩體結(jié)構(gòu)不會(huì)帶來(lái)較大擾動(dòng)，工程造價(jià)也比較低，非常適用于病險(xiǎn)土石壩除險(xiǎn)加固防滲修復(fù)。

高壓噴射灌漿技術(shù)（簡(jiǎn)稱高噴灌漿法，Jet Grouting），是在化學(xué)注漿法基礎(chǔ)上結(jié)合高壓水氣混合射流切割技術(shù)研究而發(fā)展起來(lái)的。以常見的“水泥”為主材，水泥砂漿在噴射過程中擴(kuò)散、充填和置換，切割摻攪地層與土石粒均勻混合，硬化后形成一定形狀的凝結(jié)體，在壩體內(nèi)構(gòu)筑一道嚴(yán)密堵截滲流的連續(xù)防滲墻。高噴灌漿防滲施工系統(tǒng)主要包括：造孔系統(tǒng)、給水（氣）系統(tǒng)、供漿系統(tǒng)、提升系統(tǒng)和孔口噴射系統(tǒng)等，其防滲工藝設(shè)備組成如圖1所示。

圖1 高噴灌漿系統(tǒng)組成

高噴灌漿按照?qǐng)D1所示進(jìn)行設(shè)備組裝后，其主要施工工序?yàn)椋恒@孔布置→鉆孔→下噴射管→制漿（供水、供氣）→噴射→擺動(dòng)提升→固結(jié)成墻→回灌→沖洗→充填封孔。高噴灌漿只需在存在滲漏裂縫的部位，鉆一個(gè)孔徑約50-300 mm的小孔，便可以在土體內(nèi)部噴射凝結(jié)形成0.4-4.0 m凝結(jié)體。在漿液噴射過程中，可根據(jù)工程實(shí)際合理調(diào)整噴嘴角度、灌漿速度和提升速度，合理控制噴嘴大小和增減噴射壓力，確保形成凝結(jié)體與設(shè)計(jì)相匹配。另外，可以通過對(duì)單管、二重管和三重管等噴射過程中的壓力、吸漿量和冒漿量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，動(dòng)態(tài)了解噴射效果及可能存在的缺陷，及時(shí)調(diào)整施工特性參數(shù)或施工工藝，確保噴射灌漿質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 大壩除險(xiǎn)加固高壓擺噴防滲應(yīng)用

2.1 工程概況

七里坡水庫(kù)屬于?。?）型已建水庫(kù)，壩址以上流域面積4.73 km2，河道長(zhǎng)5.12 km，河道比降48.7‰，總庫(kù)容230.50×104m3，其中興利庫(kù)容208.50×104m3。水庫(kù)大壩于1976年11月開始動(dòng)工修建，1979年9月主體工程竣工，1980年3月下閘蓄水，是一座以灌溉為主、兼顧防洪和引水發(fā)電的綜合利用水利工程。大壩填筑材料為當(dāng)?shù)厣叭劳?，以“人工挑抬”填筑夯?shí)而成，壩頂高程436.50 m，最大壩高29.5 m，壩頂長(zhǎng)218 m，壩頂寬8.0 m。防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核。

2.2 大壩安全鑒定及壩基防滲加固

2.2.1 大壩安全鑒定

水庫(kù)蓄水運(yùn)行后不久，發(fā)現(xiàn)大壩存在壩基接觸帶滲漏問題，并曾多次出現(xiàn)過管涌和砂沸滲漏現(xiàn)象。雖經(jīng)1995年和2003年兩次灌漿加固修復(fù)處理，但由于未全面進(jìn)行論證分析，防滲效果非常有限，壩基滲漏問題仍然存在。鉆芯取樣分析結(jié)果表明：原高壓噴射灌漿段土體滲漏系數(shù)達(dá)7.1×10-5cm/s，遠(yuǎn)大于規(guī)范≤1.0×10-5cm/s的指標(biāo)要求；壩基少部分分布有4-6 m厚的河流沖洪積層，透水性強(qiáng)；大部分壩基以強(qiáng)風(fēng)化基巖為主，強(qiáng)風(fēng)化帶較厚，巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育；加之施工時(shí)清淤不徹底，是導(dǎo)致壩基滲漏的主要原因。原壩基設(shè)置的高壓噴射帷幕灌漿，由于其鉆孔深度不夠，未深入基巖不透水層，導(dǎo)致噴射灌漿未能形成連續(xù)的密實(shí)防滲墻，不能有效截?cái)嗷鶐r、覆蓋層與壩基間的滲漏通道，導(dǎo)致高水位蓄水運(yùn)行后，滲漏通道不斷擴(kuò)大，滲漏量不斷加大且呈加劇趨勢(shì)。2013年，大壩進(jìn)行全面安全復(fù)核，鑒定為“三類壩”，壩基滲透比降小于規(guī)范允許值，加上壩基嚴(yán)重滲漏問題，急需采取合理防滲加固修復(fù)工程措施堵截壩基滲流通道，有效提高大壩整體防滲安全穩(wěn)定性。

2.2.2 防滲加固修復(fù)方案

根據(jù)地質(zhì)勘查資料，大壩壩基接觸帶主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，斷層節(jié)理高度發(fā)育，且完整性較差。壩基主要以粉砂層和粗砂層為主，在大壩0+27.00-0+56.00和0+135.50-0+172.50段，粉砂層平均厚度為2.5 m，粗砂層平均厚度為2.3 m。鑒于大壩壩基滲漏主要是由于壩基清淤不徹底、原噴射灌漿未達(dá)基巖不透水層等引起，結(jié)合壩址區(qū)水文地質(zhì)條件，采用高壓擺噴灌漿進(jìn)行大壩壩基防滲修復(fù)除險(xiǎn)加固。

根據(jù)《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，對(duì)于地層地質(zhì)條件較復(fù)雜或深度較大的高壓噴射工程，應(yīng)根據(jù)工程特性合理選定典型地層段進(jìn)行高噴灌漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過不同孔距、排距等系數(shù)調(diào)整以獲得較優(yōu)噴射特性參數(shù)組合，從而確保高噴灌漿施工質(zhì)量[4,5]。在大壩0+145.50-0+162.50段，按照1.6 m、1.2 m和1.0 m三種孔距布孔進(jìn)行試驗(yàn)，每種孔距布孔5個(gè)，試驗(yàn)深度均為25 m，共設(shè)置15個(gè)孔，試驗(yàn)段總長(zhǎng)度17 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及對(duì)試驗(yàn)區(qū)段防滲墻厚度、抗?jié)B性能等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，最終確定高壓擺噴施工特性參數(shù)見表1。

設(shè)單排高壓擺噴灌漿孔，噴孔間距為1.2 m，嵌入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖深度≥3 m，以達(dá)壩基相對(duì)不透水層。按照設(shè)計(jì)要求，在噴孔間距1.2 m情況下，兩孔中心搭接間距為1.6 m。因此，決定采用三管法（樁徑為1.0-2.0 m）進(jìn)行高壓擺噴射施工。擺噴灌漿孔按照折接形式進(jìn)行布置（圖2）。

圖2 高壓擺噴灌漿孔折接布置示意

對(duì)壩基滲漏嚴(yán)重部位，在漿液中摻加環(huán)氧樹脂等水下堵漏外加劑后再進(jìn)行灌漿。高噴灌漿成墻滲透系數(shù)指標(biāo)為1×10-6≤K≤9×10-6，并采取合理漏漿、串孔、灌漿中斷等應(yīng)急處理措施，以確保灌漿施工進(jìn)度和質(zhì)量。

2.3 擺噴灌漿防滲加固修復(fù)效果分析

防滲加固工程竣工后，開挖直觀檢查噴射效果及墻體斜街情況表明：防滲墻樁間搭接良好，孔位、孔深和入巖深度均達(dá)到規(guī)范要求，板墻對(duì)接完好，成墻最小厚度＞50 cm。鉆孔法和圍井法對(duì)壩基防滲墻體進(jìn)行質(zhì)量檢查，按照每個(gè)單元工程布置2個(gè)檢查孔，每5個(gè)單元工程布置1個(gè)注水試驗(yàn)圍井，對(duì)墻體強(qiáng)度和滲透系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 高壓擺噴灌漿防滲特性指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表2表明：高壓擺噴灌漿壩基防滲墻其典型芯樣的抗壓強(qiáng)度為3.25-4.32 MPa，均大于規(guī)范要求（≥2.5 MPa）；滲透系數(shù)檢測(cè)值為0.98×10-6-4.27×10-6cm/s，均小于規(guī)范要求（≤ 9×10-6）。加固后壩體與壩基滲漏得到明顯控制，無(wú)明顯滲漏點(diǎn)，防滲加固質(zhì)量滿足運(yùn)行要求。尤其是壩基強(qiáng)透水層埋深較淺壩段，滲漏檢測(cè)其滲漏量明顯減少，大壩壩基滲漏問題得到有效處理。

3 結(jié)論

高壓噴射灌漿技術(shù)在壩基壩體防滲、結(jié)構(gòu)裂縫防滲加固修復(fù)等水利工程領(lǐng)域，應(yīng)用效果良好，多采用定噴和擺噴形式，具有結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)、施工進(jìn)度較快和質(zhì)量較高等優(yōu)點(diǎn)。七里坡水庫(kù)由于大壩填筑土料滲透性大、壩基清淤不徹底、強(qiáng)風(fēng)化基巖內(nèi)部裂隙發(fā)育、河流沖洪積層厚等原因，導(dǎo)致大壩壩基接觸帶存在嚴(yán)重滲漏問題。結(jié)合水庫(kù)病險(xiǎn)狀況及工程特點(diǎn)，優(yōu)選技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和施工條件等均較優(yōu)越的高壓擺噴灌漿技術(shù)進(jìn)行壩基防滲處理加固修復(fù)后，大壩滲水險(xiǎn)情得到明顯控制，未發(fā)現(xiàn)明顯的滲漏點(diǎn)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，防滲墻墻體強(qiáng)度、滲透系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，壩基滲漏得到有效處理，收到了良好的防滲加固修復(fù)效果。

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S543；TV62+1

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1008-0120（2017）02-0019-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015SXC21P35）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（37809506）

2017-04-27

史天波（1967-）：男，高級(jí)工程師；通訊地址：貴州省貴陽(yáng)市寶山南路27號(hào)凱尼大廈12-6，550002