高压喷射灌浆技术在加音塔拉水库加固工程中的应用

葛文辉

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局顶山管理处二站 新疆 福海 836403）

高压喷射灌浆是利用钻机凿孔，然后把带有喷头的灌浆管下至预定位置，以高压设备把浆液或水成30MPa左右的高压液流，从喷嘴射出来，射流冲击破坏地层土体，当能量大、高速、呈脉动状态的射流的动压超过土体强度时，土粒便从土体剥落下来，一部分细小土粒随着浆液冒出地面，其余土粒（或砾石）在喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下，与灌入浆液掺搅混合，并按一定的浆土比例和质量大小有规律的重新排列。浆液凝固后，便在土体中形成一个凝结体，其形状和喷嘴移动方向及持续时间有密切关系。按喷射形式一般分为旋转喷射、摆动喷射、定向喷射。旋转喷射即喷射时一边提升一边旋转，使凝结体形成柱状；摆动喷射即一边提升一边摆动（根据板墙厚度需要以22°～35°之间摆动），使凝固体形成似哑铃体；定向喷射即喷嘴一边提升一边喷射，其方向始终不变，使凝固体形成板状体。由于喷射形式各有特点，可根据工程要求和土质条件选用。

高压喷射灌浆技术以其设备简单、适用广、工效高、工期短、造价低、效果好等特点，愈来愈得到广泛应用。高压喷射灌浆技术在加音塔拉水库加固工程中的应用，解决了副坝严重漏水问题，改善了坝体稳定状况，取得了显著的经济效益和社会效益。

1 加音塔拉水库工程概况

加音塔拉水库位于和布克赛尔县和什托洛盖镇西北16km处，为和布克河中游拦河水库，年调节水量3600m3，灌溉面积0.33万hm2，兼有城镇防洪和供水任务。水库设计库容1850万m3，兴利库容1650万m3，死库容47万m3。水库有主坝、副坝、输水隧洞、溢洪道四大部分，坝型为粘土斜墙堆石坝，最大坝高22m，闸门泄水能力为17m3/s，溢洪道最大泄水量38m3/s。

2 水库工程存在的问题

水库工程是在1959年5月开工建设，1962年3月竣工。由于受当时条件限制，建库前没有做过任何工程地质勘察，在施工过程中，坝体直接座落在覆盖层上，施工质量很差。副坝土斜墙上料混杂，某些部位斜墙土含砂量达43%，并有腐殖质、黑土、树枝、草根、砾石等，干容重为1.44g/cm3～1.6g/cm3，渗透系数为1.42×10-4cm/s～1.36×10-3cm/s，未能达到设计要求。堆石体坝脚的反滤层只有30cm厚而且未分级配，起不到反滤作用，极易发生渗透破坏。斜墙与坝基、坝肩接触面的渗透稳定问题很严重。水库运行过程中多次出现裂缝、沉陷、管涌、漏水、斜墙穿洞等问题。曾多次对发生问题的斜墙部位进行开挖、翻修，采取了一些防渗堵漏的措施，如坝前做粘土铺盖，两岸山坡做混凝土护面与斜墙连接等，这些措施对延长渗径、减少漏水量有一定效果，但未从根本上解决水库险情。特别是副坝漏水严重，当库水位在503m（即蓄水量在170万m3）时，坝后产生明流3L/s，库水位在509m（即蓄水量达1170万m3）以上时，漏水量达186L/s，漏水量随水位的升高而增加。据资料记载，副坝发生过多次漏浑水，斜墙裂缝、坍塌、穿孔较严重的涌水事故。尤其是库水位升至509.98m（蓄水量1458万m3）时，副坝南头漏浑水由186L/s剧增到1760L/s，斜墙穿孔。坝体局部遭到破坏，漏水坑面积达48m2，右坝肩与斜墙结合部位出现漏水通道。当年7月～8月对发生问题部位的斜墙进行了开挖翻新处理，2006年又进行了帷幕灌浆处理，但均未收到效果。2006年4月25日，当库水位升至509.55m（即蓄水量达1260m3）时，坝后间歇漏浑水8次。经测算带走土量7.5m3，水变清后坝面未见异常。据2005年、2007年两次地质勘察资料和管理单位记载证实，副坝所发生的问题都与斜墙质量、斜墙与坝基及岸坡结合部位存在强透水的覆盖层，基岩裂隙漏水、岸坡与斜墙接触冲刷有关。综上所述，副坝问题比较严重，到了非处理不可的地步。

3 工程加固处理

3.1 方案论证

为了选择除险加固的最佳方案，根据两次对副坝工程地质勘探资料，经多方论证，提出了水库除险加固处理方案，确定采用高喷帷幕防渗心墙方案。

3.2 副坝高喷灌浆加固设计及要求

副坝顶宽4.5m，长72m，高喷帷幕防渗体心墙轴线拟定在堤顶中心线。防渗板墙为复式结构，高喷孔沿轴线分二排：下游排孔在轴线以下0.7m，孔距1.2m；上游排孔在轴线以上0.7m，孔距1.4m。沿轴线布置一排静压帷幕灌浆孔，分三序施工，Ⅰ序孔9个、孔距8m，Ⅱ序孔9个、孔距4m，Ⅲ序孔18个、孔距2m。静压帷幕灌浆孔其终孔深度视基岩裂隙透水情况要求在风化层以下5m～8m。高压喷射灌浆要求板墙深入基岩风化层介面以下1m。设计要求：

（1）在堆石体内形成的防渗心墙体厚度不小于2m，高压喷射板墙的渗透系数K应小于10-5cm/s，静压灌浆的W应小于0.03L/（min·m·n）；

（2）覆盖层的防渗体主要靠二道高压喷射板墙，每道厚度不小于18cm；

（3）在坝基岩面用旋喷法，形成一个连续的垂直坝轴线长约3.8m、厚约1m～2m的水泥凝固体，其作用是作为基岩帷幕灌浆的顶盖，并可加长防渗体与岩面间的渗径和提高抗冲蚀的强度；

（4）板墙之间静水压回填灌浆要求水泥粘土浆，使防渗体心墙有柔性，减少弹性模数；

（5）工程完工后坝脚后不见明流；

（6）高压喷射灌浆水泥采用425#普通硅酸盐水泥，质量达不到要求不能用；

（7）根据坝上已有的参数，考虑防渗体可达到的参数，经过有限元分析，坝体应安全稳定。

3.3 施工分阶段进行

根据地层结构特点，施工过程分充填灌浆、高压喷射灌浆、静压帷幕灌浆、板墙前填充四个施工阶段。

（1）充填灌浆阶段

通过钻孔试验，发现堆石体中不仅孔隙率达到43%，而且孔隙直径大，灌通性强，漏浆严重。为了做好高压喷射灌浆前的准备工作，在坝轴线布置13个充填孔进行充填灌浆。但是，在充填过程中发现充填量太大，难以保证高压喷射灌浆工作正常进行，故在上排高压喷射孔之间补加充填孔22个。因此，整个钻孔过程就是充填过程。这阶段历时40d，共凿孔35个，进尺639m，材料用量：粘土526m3、砂子282m3、水泥100t。

（2）高压喷射灌浆阶段

高压喷射灌浆构筑防渗板墙是施工主体内容。为了验证设计提出的各项参数是否符合工程实际需要，先选定48号孔作为试验孔进行高压喷射灌浆，3d后进行开挖检查（挖深1.7m），显露出的板墙所经过的块石层、碎石层、砂砾层三种地层，其形成的凝结体基本符合设计的要求和采用的工艺参数。根据高压喷射灌浆凝结体在堆石体内厚度情况，设计的孔排距1.4m可以满足防渗体心墙厚度达到2m以上。但是，为了弥补凝结体在堆石体中的长度不足和施工中各种不利因素影响，把下游排孔距缩小到1.2m，摆喷角度增到35°，底部为2m的旋喷体，提升速度减慢等满足了设计中提出的要求。高压喷射灌浆历时90d，完成高压喷射灌浆孔100个，喷射延至1834m，形成板墙面积2287m2。共用水泥2063t，砂子585m3，粘土878m3，水玻璃35.5t。

（3）静压灌浆阶段

在堆石体中两道板墙之间进行静压灌浆工艺不能完全依照各类地层静压帷幕灌浆方法。钻孔采用粘土浆固壁自上而下分段循环式压力灌浆，灌段长度5m为一段。施工工序：埋设孔口管、待凝、钻孔口段、冲孔、灌浆、钻下段、冲孔、灌浆、钻下段、结束封孔。钻孔压水试验根据情况进行，灌浆压力控制在1.6kg/cm2，分四个阶段，即0.4kg/cm2、0.8kg/cm2、1.2kg/cm2、1.6kg/cm2。单位吸浆量上、下限规定为60L/min、10L/min。浆液稠度采用限量法，级配从6∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1，先稀后浓。在规定的压力下，灌段单位吸浆量达到0.4L/min延续0.5h结束灌浆。封孔用0.5∶1水泥浆填充密实。静压灌浆历时36d，灌浆孔37个，进尺720m，用粘土245m3、砂46m3、水泥272t。

（4）板墙前充填灌浆阶段

静压灌浆结束后，考虑到副坝右端曾多次出现险情，坝内可能遭到严重掏空，防渗墙壁前未被充填的三角区堆石体内，当水位下降时，滞留于板墙前的坝体内的水量不能同步下降，可能造成上斜墙滑塌，给坝体稳定带来威胁，为此防渗墙前设充填孔6个，总进尺97m，灌粘土45m3。

3.4 施工中存在的几个问题及解决办法

（1）在大孔隙堆石体和极强透水地层进行高压喷射灌浆遇到最大问题就是漏浆严重，开始堵漏采用常规方法效果不好。另外水库处于运行状态，喷射位置承压水头8m情况下对高压喷射成墙不利，有压水头可击穿未固结的浆体从坝后漏出，给板墙造成“天窗”、“砂眼”等集中漏水通道。通过现场实践，采取了以下措施：向孔内抛填砂砾粗料灌注砂浆；减少高压水及气量以减小对地层扰动范围；加大浆液比重（掺砂30%）输入速凝剂（水玻璃）使水泥浆在孔底瞬时变稠，制止浆液扩散；停止提升，待返浆正常恢复各工作参数后再继续提升喷射，增加泵量，不断复喷等。这些措施收到了很好的效果，但耗用材料增加数倍。

（2）静压灌浆冒浆处理方法是将冒浆处开挖，回填速凝剂砂浆，待2h后再继续灌浆。

（3）隐患部位处理，针对吃浆量大，灌浆结束后无法达到设计标准的地段采取附加静压灌浆孔续灌。

（4）由于堆石体孔隙大，坝基淘涮空洞大，对较深地层了解不够，设计用料量偏小及高水头运行时进行高压喷射灌浆等原因，导致耗料量增大数倍，附加设备多，工期延长，投资超预算。如原设计用水泥1500t，砂、粘土500m3，实际用水泥2384.5t，砂粘土2531m3，计划外增加水玻璃35.5t。计划施工期60d，实际施工期143d。工程超支材料费用42.4万元。

2010年8 月根据工程验收要求，对右岸进行了补充帷幕灌浆处理，施工历时3个月。

4 工程加固后的效果分析

（1）板墙质量检查成果

高压喷射初期进行了开挖检查，有效长度可达1.7m，密实度好，板墙厚度超过0.2m，稳定性好，经检验试件均达到设计工艺参数。

从四个检查孔的检查成果看：经注水试验渗透系数K小于10-5cm/s，渗漏量W小于0.03L/（min·m·n），证明检查部位板墙的连续性及防渗性符合要求。从试样抗压强度分析，板墙部位不同，水泥成分含量不均，是由于地层复杂变化所致。

（2）从坝后渗漏情况分析，与往日相同蓄水位相比明显减少。上下游板墙形成后，坝后涌水减少76%，静压帷幕灌浆结束后坝后漏水量减少85%。2010年春洪蓄水量最高达到1720m3，比原计划蓄水量增蓄220m3，这是建库运行以来所没有的。而且漏水量由原来的186L/s减少到27.3L/s。蓄水位最高时，坝脚测压管水位上升73cm，在右坝肩覆盖层有散浸现象，主要是坝体内阻水作用的不断增强，引起坝体水位升高。严重的漏浆，造成板墙下游大面积的漏浆覆盖，部分空隙被充填固结，原来堆石体内大孔隙排水变成部分空隙的有阻排水。坝后剩余渗漏是由多方面造成的，包括坝体正常渗漏、两坝肩渗漏、基层裂隙及坝体内不正常渗漏等。这些现象通过2010年右坝肩帷幕补充灌浆后，各部位漏水有了明显的改善。

（3）高压喷射帷幕灌入的材料量大，堆石体得到了冲填密实，特别是前坝壳冲填较好，坝体沉陷得到控制，在灌浆部位，构造裂隙、风化岩层、绕坝渗漏都得到控制，抗冲蚀得到了加强。

（4）该水库未加固前是自治区著名的“病险”水库，限制蓄水1400万m3，超蓄常出现病变形态，副坝加固后，2010年春洪蓄水1720万m3，增蓄水量320万m3。除水库主坝发生有病变态外，加固的副坝运行条件有了很大改善，原斜墙体的接触冲刷和坝基管涌根源得到了彻底处理。

5 结语

加音塔拉水库堆石坝体内采用高压喷射及静压灌浆处理措施，形成复合状、板墙状的防渗体，解决了水库存在的严重漏水问题，改善了坝体稳定状况。实践证明，高压喷射灌浆技术以及结合的静压帷幕灌浆技术降渗效果好，可以在水库蓄水情况下施工，同时施工期短，速度快，施工费用低。通过该水库的成功实践，说明高压喷射灌浆技术，可以在大孔隙的堆石体和极强透水地层中能够构筑成具有一定厚度和抗渗、抗压、抗折性能的高压喷射凝结体，该技术可以应用到较大颗粒地层、强透水地层和堵漏工程中，并在施工技术和施工工艺上取得较好的经验，为今后病险水库的加固除险提供借鉴。※