海子湾水库大坝高喷灌浆试验研究

孙嘉彬

（山西省张峰水库建设管理局太原 030002）

1 工程概况

海子湾水库位于右玉县海子湾村下游2 km的苍头河上，控制流域面积2 022 km2，总库容980万m3，工程等别为Ⅳ等，属小（1）型水利工程。大坝为均质土坝，坝顶高程1266.0 m，最大坝高10 m，坝顶宽6 m，坝顶长780 m。大坝上、下游坝坡分别为1∶3、1∶2.5。上游坝坡为干砌石护坡，复合土工膜防渗，下游坝坡为草皮护坡。

2 坝址区工程地质条件

苍头河下游河道宽约1 000～1 500 m，坝址区河道较窄，宽约700 m，主河床高程为1 256 m左右，河谷呈“U”型，开阔平坦，坝基覆盖层最大厚度34 m。

坝址区所分布阶地类型为侵蚀堆积型阶地。河床及河漫滩为第四系全新统洪冲积（Q4pal），岩性主要为低液限粉土、低液限黏土、粉砂、中粗砂、砂砾石，厚10～27 m，渗透系数为2.02×10-2cm/s。左、右坝肩为第四系上更新统风洪积（Q3epl）、洪冲积（Q3epl），岩性主要为低液限粉土、低液限黏土、底部含有中粗砂、砾砂、卵砾石，厚度15～25 m，渗透系数为4.00×10-2～1.20×10-3cm/s。下伏基岩为白垩系上统助马堡组（K2ZM），岩性主要为紫红色泥岩，渗透系数为0.6～2.7×10-5cm/s，符合规范SL274控制在5～10 Lu的规定，属坝基相对隔水层。

3 防渗墙工程布置

海子湾水库坝基、坝肩防渗采用单排柱列型高压旋喷连续防渗墙防渗，防渗墙轴线沿上游坝脚平行坝轴线布置。处理范围桩号为大坝0＋000～0＋780，总长780 m。墙底伸入基岩层1 m，墙顶与上游坝脚复合土工膜相接，左右坝肩防渗墙各向岸边延伸100 m。

高喷灌浆防渗墙采用交联排列布孔，成桩直径1.4 m，孔距1.2 m。分两序灌浆，一序孔间距2.4 m，一、二序孔间距1.2 m，两次灌浆间隔时间不应少于48 h。成墙交联部分（重叠部分）的有效厚度70 cm，有效宽度20 cm。坝基、坝肩高喷灌浆防渗墙的设计标准为：防渗墙有效厚度不小于70 cm，抗压强度 C28≥2 MPa、渗透系数 K允许≤1×10-6cm/s。

4 灌浆试验

根据规范SL62、SL174的相关要求，灌浆工程应在施工前或施工初期进行现场灌浆试验，以取得有关造孔、固壁、墙体浇筑等数据资料，论证灌浆施工采用技术参数的可行性，确定更加合理的高喷防渗墙施工技术参数，指导灌浆工程施工。

结合坝址区地质勘察成果，灌浆试验选择在大坝0＋284.6～0＋288.5段进行，此段为第四系上更新统洪冲积层与中粗砂层交互层叠，较能代表坝址区的地质概况。灌浆试验通过确定方案、施工控制、结果检查，选取施工采用的技术参数。

4.1 试验方案

参考类似工程经验，灌浆试验方案确定为连环式布置。试验施工分两序，首先进行一序孔（2＃、4＃、6＃、8＃）的充填灌注作业，再进行二序孔（1＃、3＃、5＃、7＃、9＃）的高喷灌浆作业，邻孔间距为1.2 m。实施后形成试验围井，将试验区域划分为Ⅰ、Ⅱ两个区域，如图1所示。

图1 试验孔布置图

试验Ⅰ区的1＃～6＃孔施工参数采用设计参数，试验Ⅱ区的7＃～9＃孔施工参数采用比选参数。比选参数是在设计参数的基础上，保持水、气、浆及浆液参数不变，就旋喷的提升速度、旋转速度针对不同地层进行了相应调整。各项试验参数详见表1、表2所列。

表1 灌浆试验设计参数

表2 灌浆试验设计、比选参数

4.2 过程控制

4.2.1 钻孔控制

试验采用地质钻机回转钻进、泥浆护壁工艺，钻孔过程中通过调整泥浆浓度、粘度等以确保钻孔的成孔率。开孔孔径不小于Φ130 mm，终孔孔径不小于Φ110 mm。据规范SL274防渗墙底宜嵌入基岩0.5～1.0 m的要求，确定试验钻孔伸入基岩1.0 m，高喷管的下设伸入基岩0.5 m。

孔位控制要求钻孔定孔、轴线定位误差不大于1 cm，孔位偏差不大于2 cm，钻机对准孔位误差不超过2 cm。孔斜控制要求钻孔深度小于30 m时，其偏斜率应不大于1%。

4.2.2 材料控制

灌浆用水从库区水井取水，水质满足饮用水标准。水泥选择内蒙古乌兰水泥集团生产的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，质量符合规范GB175的规定。

灌浆浆液采用水泥浆，水灰比控制在1:1～0.5:1之间，密度控制在1.5～1.8 g/cm3之间。水泥浆液的搅拌时间不少于30 s。浆液在使用前应过筛，自制备至用完时间不大于4 h。

4.2.3 灌浆施工

试验施工步骤为机具就位、钻孔、下入喷射管、喷射灌浆及提升、冲洗管路、孔口回灌等。灌浆试验开喷前，先进行地面试喷，直观检查设备使用正常后，将高喷管下至指定深度供浆开喷。待水、风、浆的压力参数和流量参数均达到设计要求，且孔口已返出密度大于1.3 g/cm3的浆液时，即可按规定的提升速度、旋喷速度进行灌浆；灌浆结束后，充分利用回浆对已完成孔进行及时回灌，直至浆液面不下降为止。

孔口返浆统一汇入集浆坑，一部分上返浆液直接用于已喷孔的孔口补浆；另一部分上返浆液经振动筛除砂、除泥后，送至搅拌机内，加入一定水泥形成原浆，重复利用，但在黏土层、粉细砂层的回浆不再回收利用。

高喷灌浆试验各孔除因拆卸喷射管而有短暂的停顿外，均保持连续不间断作业。因拆卸喷射管而停顿后，重复高喷灌浆长度（搭接长度）均按0.3 m控制。

4.3 成果检查及分析

根据以上试验方案及参数选取、工序控制，形成面积约为6.31 m2的连环式布置高喷围井。围井所在区域坝基覆盖层厚度约为27 m，灌浆试验钻孔深度28 m，高喷墙深度27.5 m，墙顶高程1 257.20 m，墙底高程1 229.70 m。试验区域 1＃～9＃孔水泥用量为 8 500～14 500 kg，总使用水泥量为99 725 kg，纯喷时间为 265～372 min。

灌浆试验完成、围井墙体达到强度后，分别采取钻孔注水试验、板墙钻孔取样及直观开挖检查等方式对高喷墙防渗性能进行了检查分析。

4.3.1 钻孔注水试验

注水试验钻孔位于试验Ⅰ、Ⅱ区中心J1、J2处，桩号分别为大坝0+285.58、0+287.52，孔径为110 mm。经注水试验数据计算得出：J1处在孔深17 m、28 m的渗透系数分别为5.3×10-9cm/s、1.2×10-7cm/s；J2 处在孔深 17 m、28 m 的渗透系数分别为 3.7×10-6cm/s、1.9×10-7cm/s。

从钻孔注水试验成果看，两个注水孔J1、J2的全孔渗透系数均小于允许渗透系数1×10-6cm/s，满足设计要求。其中J2在孔深17 m以上时渗透系数略大一点，原因是注水时采用的是“常水头注水法”，而为了便于观测水位，注水时的水头略高于高喷墙顶，孔口下设的PVC管与钻孔孔壁间没有进行注浆封闭，影响了高喷墙体防渗效果的真实性。但该孔的全孔注水试验结果满足设计要求，说明该试验区域的整体防渗效果是好的。

4.3.2 板墙钻孔取样

在4号孔中心偏向下游20 cm，孔深1.5～2 m、10～11 m和15～16 m间对高喷墙钻孔取芯，各取长度不小于10 cm的完整岩样，岩样及时送到山西省万家寨引黄工程管理局中心试验室进行标准养护，并委托其进行28天抗压强度检测。经检测，高喷墙在 1.5～2 m、10～11 m、15～16 m 处的抗压强度C28分别为 5.2 MPa、4.4 MPa、2.2 MPa，检测结果均大于 2 MPa，满足设计要求。

4.3.3 直观开挖检查

从试验区的开挖观测来看，Ⅰ序孔桩的最大直径为2号孔的150 cm，最小直径为6号孔的140 cm；Ⅱ序孔桩的最大直径为7号孔的155 cm，最小直径为9号孔的108 cm。Ⅰ序孔桩均被Ⅱ序孔桩紧密包裹，搭接部位密实完好，最大搭接厚度为2号与3号之间的75 cm，最小搭接厚度为8号与9号之间的72 cm，满足设计桩径、喷射长度、有效厚度等要求。

5 结语

海子湾水库大坝于2010年10月16日成功封顶，由于水库坝高仅为10 m，水库功能的发挥其重点在于做好坝基、坝肩防渗措施。从高喷灌浆试验研究来看：针对坝址区地质条件确定的高喷灌浆防渗型式是可靠的，设计孔距、孔径等能够满足设计标准；试验Ⅰ、Ⅱ区虽然采用了不同的技术参数，但在注水试验、钻孔取样、开挖检查等方面，均满足了高喷灌浆防渗墙的设计标准要求，说明经调整后的比选参数在灌浆施工中是可取的。考虑到采用调整后的比选参数，与设计参数相比，在工期上有较大的缩短，在增效减排上更为有利，因此，主体防渗墙施工时选择使用比选参数进行控制。目前，防渗墙工程正在依据高喷灌浆试验结果施工。