武都水库土石围堰高喷灌浆试验研究

杨柳

（二滩水电开发有限责任公司，四川 成都 610051）

1 工程概况

武都水库工程是涪江流域以防洪、灌溉为主，结合发电，兼顾城乡工业生活及环境用水等综合利用效益的龙头水库。坝址位于四川省江油市武都镇上游约4km的摸银洞峡谷涪江上游河段，总库容5.72亿m3。

武都水库围堰工程堰基均为砂砾卵石，堰体为开挖石渣料回填体。为提高围堰的抗冲和防渗，在上游围堰的下游坡脚堰基布置了两排高压旋喷桩，桩径不小于1.2m，排距0.8～1.0m，孔距1.0～1.2m，要求桩体连接的最小厚度30～40cm，凝结体抗压强度R28≥5MPa。在下游围堰堰基及堰体布置了高喷防渗板墙，采用旋喷套接，孔距1.0～1.2m，最小厚度30cm，凝结体抗压强度R28≥5MPa。高压旋喷桩及高喷板墙均采用新三重管法施工，双喷嘴旋喷。桩体深入基岩0.5～1.0m，孔斜率不大于1.5% ，K≤i×10-6cm/s（0＜i＜10）。

2 试验参数

为了优选适应本工程地质条件的、合理的防渗体设计参数（即孔距、排距）、施工参数（即浆压、水压、气压和输浆量、输水量、输气量、旋转速度、提升速度、浆液配比等）、施工工艺，以便分析施工机械组合的工效、材料及劳力消耗指标，了解固结凝结体的物理性能，有必要在施工前进行高压喷射灌浆试验。初拟试验参数：浆压不小于40MPa；浆量大于80～100L/min；水压不小于40MPa；水量大于75L/min；气压大于 1.0～1.5MPa；气量为 8m3/min；转速为10r/min；提升速度为10～12cm/min（不同地层应采用不同的提升速度）。

灌浆孔孔壁可用泥浆固壁，也可下入特制的PVC花管护壁。浆液拟采用密度为1.6～1.7g/cm3的水泥浆液，孔口回浆密度不小于1.2g/cm3。

3 高喷试验

3.1 试验场地选择及填筑

试验场地选择在下游围堰右堰肩上游，试验区高程为574.8m，平整面积约700m2。实验场地填筑利用自卸汽车运输石渣料，推土机摊铺平整，碾压机碾压密实，填筑体的干密度达到2.21g/cm3，达到设计填筑质量要求。

3.2 试验机具选择与性能

钻孔采用重庆钻探厂生产的MGJ—100型钻机配合气动冲击器偏心跟管钻进成孔工艺。钻头采用中φ146合金球齿偏心钻头，跟进套管采用φ150无缝钢管，丝扣连接。钻机能直接跟管钻进，具有成孔快，精度高，适用于任何性质的覆盖层钻孔。

高喷灌浆采用GS500—4型高喷台车，并列三联管法自下而上旋喷成桩。喷具直径φ89，采用专用高强螺栓连接，连接处用尼龙垫密封。GS500—4型高喷台车具有一次性提升12.0m的特点，提升采用无级变速，变速范围0～25cm；水压设备采用天津通用机械厂生产的302—3275/50高压柱塞泵，额定工作压力50MPa，实际工作压力40～41MPa，具有长时间连续工作的特点；灌浆采用BW—150型泥浆泵，调节手柄档位可得到不同的压力、流量组合。

3.3 施工试验方法

3.3.1 施工工艺流程

场地平整压实→台车行走→轨道铺设→布孔、钻机就位→校准角度、造孔→测斜→下PVC管、起拔导管→高喷台车就位→试喷、下喷具→静喷、喷灌→孔口注浆、回灌、封孔→高喷台车移位。

3.3.2 造孔

1）钻孔施工工序：放线布孔→钻机就位→钻机找平→固机及套管调整垂直→开孔、纠斜→钻进、纠斜→终孔→取钻杆→下PVC管→拔导管→终孔验收。

相邻孔施工时间间隔不少于24h；钻孔时要求管架定位准确、安装平稳，钻孔孔位偏差不大于5cm，孔斜率不大于1.5%；钻孔过程中，根据返碴情况、钻进速度、钻机及冲击器运转情况判断地层分布情况，并准确记录其厚度及孔深；钻孔结束后，先取出钻杆，然后下入φ110×1.5的PVC管护壁，起拨套管，接头套接后用塑料带密封。

2）注水试验：检查孔钻孔完毕后，取出钻杆，下入PVC花管，用砂浆封闭井口后进行注水试验，注水方法采用固定水头法，即将注水孔中的水位抬高到一定高度，采用水箱自流供水，出水口安装调节灵活的配水阀门，保持水头不变，连续注水，注水量采用测量水箱下降深度和量筒检测的方法。

钻孔完成后，清孔，检测孔深，确定试段长度；在钻孔结束后测量并记录钻孔深度和地下水位，进行注水前的稳定水位观测，每10min观测一次水位，当钻孔水位连续3次读数变化幅度不大于1cm且无连续升降时可认为稳定；注水量由小到大，当动水位升高到设计高度以后应控制注水量，使水位保持稳定；注水开始后，每隔3～5min观测一次水位、水量，稳定后改为每隔10min观测一次，持续观测24h，读取稳定渗流量值；稳定耗水量的允许误差：（Q最大-Q最小）/Q平均≤10%时为稳定。

根据SL31-2003《水利水电工程钻孔压水试验规程》计算渗透系数。

式中：K—渗透系数，cm/s；Q—注水量，m3/d；L—试段长，

m；H—注水造成的水头高度，m；r0—造孔半径，m。

3.3.3 高喷灌浆

1）高喷灌浆参数（见表1）。

2）浆液配制。配制浆液的加料顺序为水→水泥→搅拌60～90s，必须按加料顺序加入所需材料，各种材料的加量准确，进浆浓度满足设计要求。浆液必须充分过筛过滤，自制备到用完时间不超过4h。

3）高喷灌浆。施工艺程序：台车行走、就位及调试→地面试喷→下喷具→静喷→孔口返浆检测→提升喷灌→孔口注浆、回灌、封孔→高喷台车移位。高喷灌浆分二序施工，相邻次序孔施工时间间隔不少于24h；先施工围井墙体孔，后施工围井封底孔。

当喷具下入到设计深度后，启动旋喷机，调节风、水、浆的流量、压力和旋喷机的旋转速度，使之达到设计值，待孔口返浆比重符合要求后，开始提升，边旋转边提升，自下而上喷射灌浆，直至桩顶高程停喷。在高喷灌浆过程中，随时检查施工机具运转是否正常，风、水、浆的流量，压力值、进浆比重、回浆比重及旋转速度、提升速度等参数，并认真做好施工记录，保证资料真实、准确、完整。

表1 高压旋喷灌浆参数表

高喷灌浆结束后，指派专人负责用返浆进行孔口注浆，直到回填密实，浆面不再下降。

4）特殊情况处理。提升速度要根据地层和返浆情况做适当调整，在地层交界处应停止提升，静喷2～3min，并加大供浆量；在块碎石架空地层中喷射灌浆时采取以下措施：喷具停止提升，静压注浆，使架空地层全部充填密实，孔口返浆符合要求后才能恢复喷具提升；降低喷射水压和风压，水压、风压分别降至5MPa和0.3MPa加浓浆液，增大供浆量，孔口掺砂等措施；为了防止喷具被埋堵，采用间隔提升的方法，待返浆后将风、水、浆等参数调整至正常值。试验施工成果分析。

5）孔斜控制。高喷灌浆要求钻孔孔斜率不大于1.5%，本次试验采用MGJ—100型钻机偏心跟管钻进，钻进中边钻进边校正孔斜，孔斜不合格要求采用扩孔措施进行纠偏处理。

4 试验检测方法及成果

4.1 试验方法

试验检测以钻孔取芯、检查孔注水及桩内外开挖方式进行。

1）芯样试验结果。从4根桩检查孔的岩芯看出，大部分岩芯破碎，局部芯样无水泥胶结体，取芯率分别为69.2%，73.6%，75%，87%，芯样强度抽检 3组，其 14d抗压强度值均能满足设计要求的R28≥5MPa。

总的来看，取芯效果比较好，相邻桩之间在高喷时有明显切割，胶结充分。

2）注水试验。为了检验高喷防渗体的防渗效果，每个检查孔都进行一次性静压注水试验。注水试验采用固定水头法。注水试验成果见表2。

表2 检查孔注水试验成果表

3）开挖检查。采用挖掘机结合人工开挖的方式对防渗体进行开挖检查，开挖时完全揭露出石渣填筑层、河床砂卵石覆盖层。

4）注水试验。为了检验高喷防渗效果，对检查孔进行了整孔注水试验。注水试验成果见表3。

4.2 试验分析

1）试验区地层填筑模拟截流围堰地层，具有一定的代表性，基本上能指导下游围堰高喷防渗墙的规模施工。

2）试验采用MGJ—100锚杆气动冲击偏心跟管钻进，PVC管护壁，并列三管法高压喷射灌浆施工工艺，完全能满足土石围堰填筑体施工。

3）试验段地层的地质情况表明，河床卵石覆盖层级配分布极不均匀，粒径20～40cm的砂卵石集中地段会使高压旋喷桩产生严重的“缩径”现象，从而使桩径达不到设计要求的尺寸，（孔距1m的布孔方式），防渗墙剖面出现渗漏点。

表3 注水试验成果表

4）由于围堰下部砂卵石覆盖地层可灌性差，制约了高喷灌浆的提升速度，进而造成注浆时间延长，水泥浪费比较大。

5 结语

1）根据试验成果资料分析，下游围堰高喷施工设计工程量4500～5000延米，正式施工时只需4台高喷台车，6台锚杆钻机，可在30d内完成施工任务。

2）围堰填筑时尽量减少孤石在堰体内的比率。高喷灌浆时遇到孤石时，将对浆液扩散产生阻碍作用，从而使桩径达不到设计要求，搭接出现问题。

3）质量检测结果表明，武都水库土石围堰由大量人工填筑体组成，采用高压旋喷防渗墙防渗，只要采取适宜的施工方法和合适的工艺参数，严格控制施工参数和各工序，防渗质量是有保证的，但渗透系数K不一定满足K=i×10-6cm/（s1＜i＜9）要求。