高压喷射灌浆在尹回水库除险加固工程中的应用

2013-09-05戴永坚

水利规划与设计 2013年1期

戴永坚

（晋中市水利勘测设计院山西晋中 030600）

1 工程概况

尹回水库位于黄河流域汾河水系一级支流惠济河中下游的东西支流汇合处，地处山西省晋中市平遥县岳壁乡尹回村东，距世界文化遗产平遥县城3.5km。

尹回水库控制流域面积274km2。尹回水库始建于1958年5月，于1959年蓄水运行。水库初建时为小（1）型水库，1977年因暴雨导致溢洪道失事造成溃坝，同年 10月开始对溃坝段进行修复并在下游坝坡对大坝进行了加高培厚，扩建成为中型水库，总库容为2630万m3，于1978年8月蓄水运行，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾养鱼、城市供水的中型水库。

水库枢纽工程由大坝、溢洪道和泄洪输水洞三部分组成。大坝为碾压均质土坝。最大坝高20.4m，坝顶高程为785.288m。坝顶长730m，坝顶宽8m。上游坝坡为 1∶3、1∶3.5，采用干砌石护坡；下游坝坡为 1∶2.5、1∶3。溢洪道位于大坝右岸，为河岸开敞式，进口底高程777.72m，全长404m，溢洪道设计最大泄量617.5m3/s。泄洪输水洞为钢筋砼圆形有压洞，进口底高程769.42m，洞径3m，全长60m，洞内纵坡1/100，最大泄量77m3/s。

尹回水库自建成运行以来，对下游沿河两岸村庄、人口、耕地和厂矿、公路等的防洪、灌溉及城镇供水发挥了较大的社会效益与经济效益。

2 水库坝址工程地质条件6

工程所在地地形由坝轴线地质剖面图（图 1）可以看出：主河槽宽约 330m，相应现坝轴桩号为0+170～0+500m 左右；右岸在建坝前原有两阶台地，其中一阶台地大致位于0+500～0+600m，台面高程约为777.3m，二阶台地位于0+620m以东，台面高程约为787.8m；左岸0+040～0+080原为一天然冲沟，其底高程约770m左右。0+085～0+100为一干土崖，崖顶高程785m左右。

图1 大坝轴线地质剖面图

1977年水库修复扩建后，左岸冲沟、干土崖及右岸一阶台地均覆于坝下，右岸二阶台地坝体与溢洪道间高出现坝顶的部分被挖去上坝。坝基地层在勘探深度范围内均为第四系全新统冲洪积堆积，其岩性厚度在水平和垂直方向上均有较大变化，即在空间分布上存在较大的不均匀性。

如图1大坝轴线地质剖面图所示，地层岩性分述如下：

（1）细砂：褐色、褐灰、褐黄、褐红色，为近代河床表层堆积物，层厚约5.0～8.0m，其中ZK3、ZK4揭示的该层表部尚有约1～1.5m为粉细砂层。

（2）砂卵石：卵石成份以砂岩为主，含钙质结核块，卵石磨圆度一般，分选较差，最大粒径大于 10cm，漂石含量约 10%。该层厚度自坝轴线向下游由4.0～5.0m渐减为1.5～2.3m。其中ZK3、ZK4揭示的该层表部约0.5～0.8m为泥质胶结的卵石层，应为洪积堆积物。

（3）含砾细砂：褐色、褐红色，夹薄层褐黄细砂、粉砂层砾石成份主要为小砂岩块和钙质结核，粒径2～5mm。该层在平面展布上厚度变化较大，其总体厚度自坝轴线向下游由 8～11m 减变至3.1～9.1m。

（4）粉土：褐红、褐黄色，夹多层薄层褐黄、褐黑色粉细砂、细砂及粘土层，该层在坝轴剖面上大致分布于0+350桩号以右，并向河床及下游方向渐尖灭，钻探范围内最大厚度约15.0m。

（5）粉土及粉质粘土互层：褐色、褐黄色，夹薄层粉细砂及薄层褐红、褐灰色粘土及含砾粉质粘土层，其中砾石粒径最大约5mm。该层在坝基下呈连续分布，厚度在坝轴剖面上大致为3.0～15.2m，在坝下游钻孔揭示厚度2.7～3.6m，未见底。

（6）细砂、粉细砂透镜体：褐色，夹薄层粉土，有异味，厚度约3.0m。

3 坝基防渗处理方案选择

根据地质条件，为了彻底截住渗流，设计中曾对高喷板墙、明挖截水槽的钢筋混凝土墙及混凝土墙等方案进行了比较，最后选定高喷板墙方案。高喷板墙防渗是一种先进的软基垂直防渗施工技术，它是利用高压射流破坏土层结构，形成沟槽，使浆液与砂土颗粒搅混，重新排列，最终凝结成复合材料的防渗体，从而起到很好的截潜防渗作用。该技术适应性强，可用于各种松散地层，施工简单，速度快，截潜防渗效果好，费用低，单位面积造价比钢筋混凝土防渗墙低40%左右。

4 坝基高喷防渗板墙设计

因坝基含有细砂、砂卵砾石，且埋深较浅，在高水位运行时，坝脚排渗沟范围以外仍有大面积渗水现象，据渗流安全理论计算分析知，坝体在运行时的水平渗透坡降大于允许值，坝体的渗流状态不稳定，会发生管涌渗透变形，且渗流溢出点从排水棱体上部溢出，会发生渗透破坏，故坝基需做防渗处理，防渗形式采用高喷砼板墙，灌浆范围由桩号0+000到桩号 0+600m，高喷防渗墙底顶高程772.4m，板墙最深 33.4m。高喷防渗墙轴线沿大坝上游坡脚线布置，在泄洪闸段，沿水闸边墩基础外边线向上游至闸室砼底板外边线，形成封闭式砼板墙。高喷板墙采用微摆型式，孔距为1.2m，单排布孔，摆角15°，与轴线的夹角5°，分两序孔施工，每50m设一先导孔。高喷灌浆材料采用42.5普通硅酸盐水泥浆，板墙顶部以上部分用粘土浆封孔。具体灌浆参数须通过施工前灌浆试验准确确定。要求灌浆后的渗透系数不大于10-6。

5 高喷防渗板墙的施工

高喷防渗板墙工程从2004年8月5日开工至11月20日完工，历时108天，完成高喷试验一项：其中包括6个试验板墙孔和1个围井。完成高喷主体工程560个灌浆孔和6个围井。钻孔16105m；高喷灌浆14659.2m。施工过程分三个阶段，即试验阶段，施工阶段和质量检查阶段。

5.1 试验阶段

施工单位根据设计要求进行现场高喷试验，以最终确定施工技术参数值。高喷灌浆试验选择地质情况和设计高喷灌浆断面相似的坝下游50m，桩号0+500处。高喷灌浆试验分板墙试验和围井试验，板墙连接试验计划孔深6.5m，成墙孔深5.5m，I序孔3个，II序孔3个，1#与2#孔孔距为1.0m，2#与3#孔孔距为1.2m，3#与4#孔孔距为1.2m，4#与5#孔孔距为1.2m，5#与6#孔孔距为1.5m。围井试验计划孔深入相对不透水层2.0m，围井四孔间距：1#与 2#、3#与 4#孔距为 1.2m，1#与 4#的孔距为0.6m。见图2、图3。

试验围井及连续墙各孔试验参数如表 1。高喷灌浆板墙试验孔共6个，其中Ⅰ序孔3个，Ⅱ序孔3个，钻孔总进尺39m，成墙33m，成墙面积为43m2，共灌注水泥25.65t，单位耗水泥量为0.78t/m。

围井试验孔共5个，其中围井孔4个，注水孔1个，钻孔总进尺187.1m，成墙146.8m，成墙面积246.624m2，共灌注水泥 96.35t，单位耗水泥量为0.66t/m。

图2 高喷灌浆试验板墙平面示意图

图3 高喷灌浆试验围井平面示意图

（1）试喷成墙初凝后，用人工对试验板墙进行开挖检查。

①外观墙壁体整体连接紧密，墙体密实，坚硬，由于已挖出的试验地层为坝体土，在喷射施工时，因孔浅，喷射区浆柱压力较小，出现局部坍塌，造成墙体表面不够平直整齐，但不影响墙体整体的质量和防渗性能。

②喷射长度：施工时，1、3、5号孔为一序孔，2、4、6号孔为二序孔，一序孔墙体单端最长处为0.9m，喷射最远距离为单端1.2m，虽然在施工中采用了不同的提升速度，从喷射距离没有明显差别。2、4、6号孔为二序孔，与一序孔的连接为焊接连接，部分为交叉连接，结合紧密。

（2）围井进行墙体注水试验

对围井进行墙体注水试验,检查墙体渗透系数。围井由四个喷射灌浆孔组成，钻孔深度均为37.7m，深入亚粘土层2.5m，注水试验孔深36.3m，注水试验前先注水使围井内砂土饱和，然后进行注水试验，渗透系数k计算采用经验公式：

式中：K——渗透系数，cm/s；Q——注水量，mL；F——渗透面积，cm2；i——水力坡降；d——帷幕墙体平均厚度，m；h——注水水头，m；t——注水历时，min。

通过围井注水试验，渗透系数为2.2×10-8cm/s，满足设计不大于10-6cm/s的要求。

根据高喷灌浆试验开挖检查情况及围井注水试验结果，确定孔距为 1.2m，摆角 15°，与轴线的夹角5°，分两序孔施工，施工参数见表2。

表1 围井1-4号孔、板墙1-6号孔试验参数

表2 高压喷射灌浆施工技术参数

5.2 施工过程中的质量控制和检验

高喷灌浆属隐蔽工程，其质量的控制关键在于施工过程的控制。在施工过程中，应对钻孔灌浆以及材料的质量进行检验和控制，主要包括以下几个方面：

（1）钻孔

①要经常检查钻孔孔位有无偏差，并及时予以纠正。

②检查孔斜，除了使用常规办法外，可用井斜仪来测孔斜，将孔斜严格控制在不大于1%。

③钻孔时要选派有经验的钻机操作人员，施工时特别注意地层变化，要准确记录变层和层厚，以控制各个层次的各种高喷施工参数。

（2）灌浆

①高压摆喷灌浆必须先Ⅰ序后Ⅱ序的次序进行，同序孔同时进行。

②下喷射装置时必须将高压水、压缩气、浆管一套喷射装置安装妥善，并在地面上进行试喷检查，无故障后才可下入孔内。

③施工应严格检查喷射管下设尺寸，使其准确下放到防渗墙底高程才能开喷，否则应提出喷射管重新处理钻孔。

④喷射管下降至设计要求的墙底高程后，技术人员要确定摆向，等摆向确定后，通知送水、送气、送浆，系统开始摆喷，摆喷工艺为自下而上连续进行，待水、气、浆等各种仪表的技术参数均达到设计要求值后，孔口冒浆浆液比重≥1.3g/cm3，方可进行提升，摆喷中制浆比重要求不小于1.5g/cm3。

⑤喷射施工中必须严格按照规定的水、气、浆等参数和钻孔提供的地层资料，施工技术人员要把每孔的地质剖面画出来，没有特别批准，不准随意改变施工参数。

⑥施喷中必须随时检查控制台各项参数，如发现水、气、浆的压力、流量等不正常时，应及时查清原因并进行处理。

⑦施喷应一次性成墙，决不允许无故中途停喷，如遇故障停喷时，应立即抓紧时间进行处理，在排除故障恢复喷射时，如排除故障时间超过 20分种，必须将喷管插入浆液尺寸不小于 0.5m深度方可进行重新喷射。

⑧在摆喷过程中，水、气、浆各系统等均要紧密配合，特别是制浆系统，供浆人员和孔口操作人员更要紧密配合，一旦送浆出现故障，应马上通知孔口操作人员停止提升，并同时通知水、气系统适当降低压力，在排除故障后再进行喷射。

⑨高压喷射制浆系统使用水泥，上料机供料搅拌制浆，施工中要把水、水泥按规定水灰比计量投入搅拌机内，搅拌至浆液均匀，并测得其比重≥1.5g/cm3时方可开始使用，灌浆开始后，拌合系统必须连续供浆，不能中断。

⑩在施喷过程中要求每隔 20分钟测读记录一次参数实际数据，确保施工的各种数据均控制在设计要求的参数范围内。如发生意外故障必须详细记录全过程及各项数据。

⑪高喷耗用水泥以单机统计核算，要准确统计好每孔的水泥用量。

⑫喷射达到设计墙顶高程时，继续提升喷射0.5m再停止喷射，以确保高喷墙有效墙体达到设计高程。

⑬停喷后要及时对孔内进行静压回填灌浆，直至孔内浆液不再下沉为止。

（3）材料检测

由于高喷灌浆所用材料大部为水泥，而且量大，为了确保材料的质量，我们制定了以下措施：

①施工用水泥为选定的专门水泥厂供水泥。

②所用水泥为普通硅酸盐42.5水泥，不能用低标号及其它类型的水泥。

③所使用的水泥每400～500t送检一次。

5.3 质量检查

高喷质量检验和控制可分为施工过程中和完工后两个阶段来进行。

在施工过程中，主要根据高喷参数以及相应的技术规范要求进行检查，以保证施工的规范性和科学操作性。完工后，经开挖检查其连结性，板墙折线性以及密实性，同时主要依靠围井的检测结果来判定所喷高喷防渗墙防渗性能是否达到设计防渗墙标准值，设计防渗墙标准值为×10-6cm/s，此次围井检查设计上共布4个围井，经检测，全部达到设计防渗标准值。