高压摆喷灌浆在永固水库加固工程中的应用

潘 强 李金冰 周 松 刘 鹏

一、概述

永 水库地处淮北平原萧县东南部山丘区，属新汴河水系，主要任务是防洪、灌溉，兼有养殖、旅游等综合效益。水库总库容442万m3，坝址以上控制流域面积15.2km2，下游有永 、闸河2座煤矿以及永 镇和永马、永塑公路，防洪保护人口1.5万。

永 水库建于1958年，大坝系均质土坝，最大坝高18m，坝长450m。坝身上部主要成分为中～重粉质壤土，密实度好，抗渗性能强；坝身下部为粉质粘土，结构松散且含有大量碎石，防渗能力较差，K平均=2.90×10-4cm/s；坝基为弱风化石灰岩，上部裂隙较发育，风化层厚度在0.5～2.2m之间，下部岩芯完整，为相对隔水层。由于大坝建设期间清基不彻底且坝基未设防水槽，粘土夹碎石层及坝基表层存在多处渗水通道。经50多年运行，上、下游坝坡多处出现不同程度塌陷，下游坝脚出现多处散浸出逸点，渗漏比较严重的是0+050～0+260段，共发现9处渗水，出逸点高程在43.062～44.145m之间，计算渗透比降最小达到0.353。1987年6月，库水位51.2m时用三角堰测得渗漏量达1396m3/h，经1987年、1988年应急处理后，大坝渗漏量有所减少，1988年11月库水位49.5m时，渗漏量为61.2m3/h。1991至今，在汛期库水位54.7m时，渗漏量又有所增加，最大年份达480m3/h，大坝防渗加固迫在眉睫。

二、大坝防渗方案的选择

由于永 水库大坝渗漏主要集中在老河槽段坝身下部粉质粘土夹碎石层及基岩表层，局部深度已达5.5m，坝基下部弱风化石灰岩强度高、防渗性能好，可作为坝基的不透水底板，所以推荐采用垂直防渗方案，在综合考虑各种垂直防渗方案优缺点及投资之后，最终选定高压摆喷灌浆防渗方案进行大坝防渗加固。

1.塑性混凝土防渗墙方案

塑性混凝土防渗墙防渗是利用专用的造孔设备营造孔槽，采用泥浆护壁，用导管在注满泥浆的槽孔中浇筑混凝土并置换出泥浆，形成墙体。适用于粘性土、砂层和砂砾石层，是透水体防渗处理的一种有效措施，处理深度可达50m，工程质量易于控制和保证。墙体连续性好，防渗性能可靠，墙体为塑性，耐久性好，可适应坝体的变形与坝身土结合紧密。缺点是施工时需填筑10m宽施工平台，完工后需清理平台土方，造价高。

2.采用粘土井柱防渗墙方案

粘土井柱防渗墙是沿坝轴线附近用冲抓锥造孔，把原坝体内的杂填土、软弱层抓出，形成直井后回填粘性土，并用重锤夯实后形成一道连续的粘土心墙，同时造孔夯实过程中对井壁周围的土体有挤密压实作用，使其密度增加，渗透系数减少，从而达到防渗目的。防渗墙可采用双排φ1200mm井柱，孔距650mm，排距900mm。粘土井柱防渗心墙能解决坝身与坝基的防渗问题。但其在施工过程中由于库水位的影响，存在着井壁坍塌问题，多用于15m以下的均质土坝。

3.多头小直径深层搅拌桩防渗墙方案

表1 永 水库加固工程设计防渗处理方案比较表

表2 高压摆喷灌浆工艺参数

多头小直径深层搅拌桩防渗墙是运用特制的多头小直径深层搅拌桩机把水泥浆喷入土体，同时钻头旋转搅拌，使喷入土层的水泥浆液与原土充分拌和在一起，形成抗压强度比天然土强度高的多，渗透系数较小，并具有整体性、水稳定性的桩柱体，搭接成一列形成连续墙体起到截渗作用。

多头小直径深层搅拌桩防渗墙方案取材方便，施工工序少，速度快，工效高，成墙价低，耐久性好，受库水位影响较小。方案适用于加固淤泥、淤泥质土和含水量较高而地基承载力小于120kPa的粘性土、粉质粘土、粉土和砂土等软弱地基，深度不大于18m。缺点是施工过程中遇到杂石、其他障碍物以及土层容重过大时，处理难度较大。

4.高压摆喷灌浆防渗墙方案

高压摆喷灌浆是一种采用高压水或高压浆液形成高速喷射流冲击、切割、破碎地层土体，并以水泥为基质浆液充填、掺混于其中使其形成较厚的板墙状的凝结体，用以提高地基防渗能力或承载能力的施工技术。高压摆喷灌浆比高压定喷灌浆形成的凝结体厚，比高压旋喷灌浆耗浆（灰）量小。防渗墙整体性好，不需进行深大基坑开挖，对坝体稳定有利；造价相对塑性混凝土地下连续墙较低；可在高水位情况下施工，工期短，受气候影响小，施工导流及排水工作量小。缺点是对施工技术要求高，施工单位技术、经验应相对成熟。

永 水库防渗加固工程设计处理方案比较见表1。

与其他三种防渗方案进行技术、经济性能比较后，高压摆喷灌浆具有工效较高、设备简单、造价较低等优点。尤其是在工期紧、施工干扰大的情况下，具有不需开挖、工作所需场地小的优势，大大降低了施工难度。综合比较后，推荐采用高压摆喷防渗加固方案。

三、高压摆喷防渗墙设计

1.试验

为确保本次高压摆喷灌浆达到预计的防渗、加固的效果，在水库大坝未加固之前，首先进行高压摆喷试验，即预先在大坝桩号0+150～0+220段开展单桩及多桩不同布置的成桩试验，确定防渗墙结合型式及高喷孔距，以确保围井试验的成功。初步试验结果表明，确定高喷墙结合型式采用摆喷折接，孔距1.2m，成墙质量较好，可以满足防渗墙最小厚度要求。而后又选择地质条件有代表性的大坝0+010～0+030段，距大坝轴线15.485m（地质情况较为复杂、碎石层较厚），形成一高喷围井，在围井中心布置检查孔进行注水试验（围井按不同的孔距1.2m、1.6m共布置摆喷孔6个，底部深入基岩1.0m，顶部至地表以下1m。检查孔直径130mm，钻至相对隔水层，孔内下φ75mmPVC管）。灌浆结束15d后进行注水试验，渗透系数在K1=1.53E-07～1.73E-07cm/s之间，满足设计要求。围井布置形式见图1。

2.高压摆喷灌浆孔布置

高压摆喷灌浆孔布设于上游坝坡，防渗墙轴线与坝轴线平行，孔距1.2m，根据单桩及多桩搭接试验和围井试验成果，采用摆喷折接型式，摆角30°，摆喷中心线与板墙中心轴线的夹角为15°；喷射孔采用间隔性Ⅰ序孔、Ⅱ序孔相间，并在放水涵两侧加密布置的方法，实际防渗长度310m。为使截渗墙与基岩良好结合，灌浆深度控制在坝基弱风化层以内1.0m。高喷灌浆孔成墙形式如图2。

3.施工及工艺技术参数

高压摆喷灌浆施工工序由放样定孔位、钻机就位造孔、拔管护壁、移钻机、台车就位、下喷杆、制浆接管路、开机输水浆气、孔底静喷、提升喷杆同时喷射浆液、终孔静喷、移台车等工序构成。

依据《水工建筑物防渗工程高压喷射灌浆技术规范》及现场试验综合设计灌浆，工艺参数见表2。

4.施工控制要点

（1）孔斜控制

孔斜控制的有效措施包括“钻前控制+钻进控制”。钻前控制即确保钻机基座水平、立轴垂直，按设计要求放线定孔位，孔间误差应小于50mm。钻进控制是指质检员用水平尺检校钻机立轴，调整钻机水平度与垂直度，按设计要求测量孔斜，严格控制孔斜率≤1%。

（2）浆液配制与浆、水、气的经常性检测

灌浆水泥选用普通硅酸盐水泥，强度应大于32.5MPa。浆液使用纯水泥浆，高速搅拌机搅拌时间大于30s，从制备到用完时间应小于4h，施工前应对灌浆材料与浆液作现场试验，采用重量法称量误差应小于5%。

在高喷灌浆施工过程中，应经常性检测浆量、气量与水压，测试浆液进浆和回浆比重，一般进浆密度、回浆密度每20min测量记录一次，水压由专人不间断进行观察。

（3）中断喷浆的处理

高喷灌浆应全孔作业，当因拆卸喷射管或事故造成注浆中断，恢复喷浆时，必须按规范进行一段长度的复喷，以保证截渗墙的连续性和可靠性。

（4）静压回灌

在高喷施工中喷射结束后，必须连续将回浆（若回浆不够时用新搅拌的浆液）回灌至孔内，直至孔内液面不下降为止。

5.应用效果

永 水库除险加固后于2009年5月蓄水后，原渗漏严重的0+050～0+260处下游坝坡未发现明显渗漏现象。2009年8月，安徽省水利工程检测中心站分别采取现场探地雷达、探坑、现场注水与室内试验等方法对截渗墙进行了检测，结果表明：探坑处墙体连续，搭接良好，墙体材料较均匀；全坝段截渗墙雷达反射波形表现为高频低幅特征，同相轴连续，水泥土截渗墙均匀且连续，成墙质量较好。通过现场注水试验测得墙体的渗透系数在 8.46×10-8～1.09×10-7cm/s之间；室内试验恒定水头压力控制在1.5～2.0MPa时测定墙体的渗透系数在4.47×10-7～6.28×10-7cm/s之间；墙体无侧限抗压强度在4.13～7.13MPa之间。各项指标均满足设计要求。

四、结语

高压摆喷灌浆技术适用范围广，可行性高，具有设备简单、工效高、造价低于混凝土防渗墙等优点，同时较静压灌浆具有显著的优越性，与其他工法相比，具有明显的技术经济优势，为处理堤坝基础防渗提供了一个新的途径。在其他工程中应用该项技术时须选取较有代表性的大坝坝体分别开展单桩、多桩以及围井试验，通过试验修正设计技术参数，从而取得符合工程实际情况的施工工艺参数，作为施工控制的依据。同时，还必须严格控制施工质量，尤其在造孔及灌浆喷射过程中，监理人员应24h每孔跟班，发现问题及时进行处理■