高压旋喷灌浆与帷幕灌浆相结合在水库大坝防渗加固中的施工应用

贺建龙（湖南省德利建设工程有限责任公司 长沙市 410007）

高压旋喷灌浆与帷幕灌浆相结合在水库大坝防渗加固中的施工应用

贺建龙
（湖南省德利建设工程有限责任公司 长沙市 410007）

我国存在大量建于20世纪60～70年代的中小型水库，采用土坝、土石混合坝，因受当时技术和施工条件所限，基础处理和坝体填筑质量不符合规范要求，给水库运行带来很大的安全隐患，达不到设计的经济和社会效益。文章以大头垅水库主坝为例，阐述了坝基帷幕坝体高喷相结合施工在主坝防渗加固中的施工应用，方法简单、过程详细，效果明显。此法在同类型水库除险加固中具有一定的借鉴作用。

高压旋喷灌浆 帷幕灌浆 大头垅水库 大坝防渗加固

1 工程概况

大头垅水库位于郴州市苏仙区太平乡洞庭肖村龙形生产组附近、湘江水系耒水支流东江上，南距郴州市37 km，北距永兴县城12 km。大头垅水库坝址控制集雨面积6.25 km2，坝址以上干流长度3.7 km，干流平均坡降22‰。该水库是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖和供水等综合效益的中型水利工程。主坝为土石混合坝，最大坝高32.8 m，坝顶高程144.50 m，坝顶宽4.0 m，坝顶轴长128.00 m。

大头垅水库于1965年秋正式动工，1967年主体工程基本竣工，1969年正式投入运行。运行30年多来，充分发挥了拦洪削峰蓄水灌溉作用，大大缓解了下游防洪压力，保护下游0.3万hm2耕地，10多万人民群众的生命财产的安全，并保护京广铁路、京珠高速公路、107国道和1813省道的安全畅通，经济效益及社会效益显著。

枢纽工程主要由主坝、一座副坝、溢洪道、灌溉输水隧洞，主坝坝下放空底涵等永久性建筑物组成。大坝设计洪水标准采用50年一遇，校核洪水标准为1 000年一遇；泄水建筑物消能防冲设计的洪水标准为30年一遇。工程等级为III级，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级。水库正常蓄水位140.20 m，正常库容934万m3；设计洪水位141.28 m，相应库容1 028万m3；校核洪水位141.90 m，相应总库容1 090万m3。

2 主坝在防渗方面存在的主要问题

（1）主坝坝基渗漏。据现场压水试验表明，坝基上部岩体约5 m的范围内，透水率一般在（5.25～17.45）Lu之间，属弱透水～中等透水带，坝基存在渗漏问题。

（2）主坝坝肩存在渗漏。由于筑坝时，只是稍加清理两坝肩的杂草，就直接进行填筑，对节理裂隙及层面裂隙发育的岩体，未加清除，也未采取任何防渗措施。在右坝肩下游（125～130）m高程发现了2处明显渗水点，渗漏量分别为0.10 L/s、0.16 L/s，可能会产生渗透破坏，同时，对坝肩岩体稳定不利。

（3）主坝坝体与坝基接触带渗漏。根据现场调查，大坝施工时坝基清基不彻底，局部残留有第四系松散物质，此次地质勘探ZK4钻孔揭露坝基表部有约1.2 m厚的砂砾石，透水性好；另一方面，坝基上部岩体发育2组裂隙，一组为近水平向，一组为顺河向。因此，在坝体与坝基接触带附近，库水会沿残留的松散物质及坝基上部的裂隙产生渗漏。

（4）主坝坝体填土为人工填土，主要为壤土、含少量砾的壤土、砂质粘土，呈可塑状态，施工运行报告反映，土坝体土的填筑施工存在质量问题。根据现场注水试验，主坝坝体渗透系数平均值为2.69×10-4cm/s，不满足规范的要求。

3 主坝防渗的设计方案

根据主坝存在的问题及初步设计复核意见，对主坝防渗方案进行了筛选，决定主坝坝体防渗设计采用高压旋喷灌浆，坝基坝肩防渗采用帷幕灌浆方案，高喷和帷幕在同一轴线上。

在主坝上游坡140.2 m平台对坝体作高压旋喷灌浆一排，孔距0.8 m，从140.2 m平台高喷墙左右两端起，分别沿坝坡与山坡相交处设置水泥土截水槽，再沿该截水槽布置帷幕灌浆直至坝顶，并按大坝渗透剖面图将帷幕线往坝顶左右端延伸至水库正常蓄水位与相对不透水层在两岸的相交处，帷幕灌浆设置一排，孔距2.0 m，帷幕灌浆下限以10 Lu控制；上游140.2 m平台至坝顶的采用粘土回填；上游高程122.50 m至坝顶进行混凝土预制块护坡；高压旋喷灌浆应抗渗系数达到（10-6～10-7）cm/s。

4 主坝防渗体施工

根据设计和相关规范及结合施工现场情况，主坝防渗体采用先高喷后帷幕的施工方法。在主坝内坡回填土至140.2 m高程后，先进行高喷灌浆施工，待高喷灌浆达到一定龄期后，再在同线位上进行帷幕灌浆施工。高喷灌浆采用二序施工，帷幕灌浆采用三序施工。

4.1 主坝高压旋喷灌浆

主坝坝体防渗采用高压旋喷灌浆，三管法，自下而上灌浆。施工完成主要工程量：钻孔176孔3360.26 m；高压旋喷灌浆176孔3 360.26 m。

4.1.1 现场高喷试验确定高喷参数

在现场高压旋喷作业开始前，按施工图纸和监理人指示，在坝体上选择地质条件具有代表性的区段，按室内试验选定的配合比进行高压喷射注浆的工艺试验，以确定喷射流量、压力和提升速度等工艺参数。

主坝上游140.2 m高程平台以下坝体采用 “三管法”高压旋喷灌浆，设计孔距为0.8 m，孔深深入基岩1 m。经现场高喷实验，设计单位复核，最终确定的高喷孔距为0.7 m，孔径0.13 m，孔深深入基岩1 m，水压37 MPa，气压0.7 MPa，浆压0.3 MPa。

试验确定的喷射工艺参数见表1。

表1 喷射工艺参数

4.1.2 设备配置

施工须配置气系统、水系统、浆系统、操作系统、造孔系统及浆液回收系统等。其中水系统由高压水泵、压力表、高压截止阀、高压胶管等组成；气系统包括空压机、转子流量计、气阀、输气胶管等；浆系统包括搅灌机和输浆胶管。操作系统包括操作平台、启闭架、定向装置，摆动装置、提升装置，喷射管和喷头。造孔系统采GY-150型地质钻机，其他设备同帷幕灌浆。

4.1.3 灌浆材料

高压喷灌采用强度等级为32.5普通硅酸盐水泥。浆液配比既要满足板墙的抗渗和强度要求，又要满足施工的要求。当地下水流速加大时，应在浆液中加入一定比例的速凝剂。

4.1.4 高喷灌浆施工工艺流程

高喷灌浆施工采用三介质喷射法灌浆，即水、气、浆三管并列，至管底后，水、气沿水平向同轴喷射，冲切掺搅地层，同时浆液从管底低压压出，受水、气射流的卷吸作用，沿喷射方向被挟带入冲切范围。具体施工流程如图1。

（1）施工准备。将施工场地进行平整，设置排浆沟和废浆存放池。

（2）测量放样。按设计图纸和现场实际情况，放样出孔位并进行标记。

图1 高喷灌浆流程图

（3）钻孔施工。钻机就位后，钻头中心对准钻孔中心；并用水平及校准机座回角在同一平面上，用垂球校准立轴铅直后即可开孔钻进。成孔后采用泥浆护壁，钻至设计深度后，自孔底输入泥浆置换出孔内残渣，然后边拔钻杆边补注泥浆，确保孔底沉渣不大于0.10 m厚和高喷灌浆前不垮孔、不缩径。钻工施工认真填写原始班报表，详细记录孔深、回水颜色、钻速变化及孔内变异情况。原始记录在终孔验收后2 h内送交现场值班技术人员整理汇总。钻孔钻至终孔深度后，请现场值班技术人员确认孔深孔斜达到设计要求后即可终孔验收。

（4）高喷灌浆施工。高喷台车就位后，高喷管对准钻孔中心，在地面上送水、送气试喷，将水、气的流量和压力调节到设计规定的压力和流量。下喷射管时为防止嘴堵塞，宜在下管同时低压输送水、气、浆。喷射管下至设计孔深后，应按规定压力、流量值送水、气、浆喷射（1～3）mm，待回浆冒出孔口时，再按设计规定的提升、旋转速度格摆动速度，自下而上全孔连续作业。喷射浆液、回浆密度和回浆量应每（20～30）min测量记录一次。终止喷射时，应停止送水、气、浆，然后将喷射管提出进行冲洗，并利用喷射浆液或回浆进行静压回灌，直至浆面不下降为止。

4.2 主坝帷幕灌浆

待高喷灌浆达到一定龄期后，再在同线位上进行帷幕灌浆施工。帷幕灌浆采用三序施工孔距2 m，63个孔336.66 m，先Ⅰ序孔，孔距8 m，后Ⅱ序孔，孔距8 m，最后Ⅲ序孔，孔距4 m。

4.2.1 孔位测量放样

把施工范围桩界放在实地上，同时要将钻孔轴线、孔距、孔深点测量到实地上，并用木桩和石灰线标识，测绘好钻孔及灌浆断面图和平面图，作为计算工程量和指导施工的依据。

4.2.2 钻孔施工排水

帷幕灌浆钻孔施工期间采用自行排水为主和强制排水相结合的排水方法，在施工区域内用人工开挖好纵横小型排水沟，从坝轴线中点向两边坡排水沟进行自行排水。

4.2.3 帷幕灌浆材料

每批采购的水泥、外加剂、掺和剂和化灌材料等，均符合有关的材料质量标准，并附有生产厂的质量证明书。每批材料入库前均按规定进行检验验收，并及时将检验成果报送了监理人。

4.2.4 帷幕灌浆设备

GY-150型地质钻机2台，BW-160泥浆泵2台，制浆机，灌浆泵，流量计、压力表、压力软管、供水管及阀门等。

4.2.5 先导孔施工

主坝7个孔，先导孔自上而下分段进行压水试验，全孔压水试验完成后自下而上进行灌浆，先导孔施工完后，根据先导孔的压水试验成果确定帷幕灌浆钻孔深度。见表2、表3。

表2 灌浆压力值

表3 坝肩段坝基接触面灌浆压力

4.2.6 施工工艺流程

施工流程见图2。

图2 施工流程

4.2.6.1 造 孔

（1）采用GY-150型地质钻机钻孔，钻机安装正、平、稳固，调节立轴保持铅直，开孔孔位与设计孔位偏差控制在10 cm以内。

（2）土层中采用Φ110mm耙齿钻头吸浆循环钻进，钻至距基岩（1.0～1.5）m后，下入Φ110 mm套管，强击之至基岩表面。然后换用Φ75 mm金刚钻头，钻至设计孔深。

（3）钻孔过程中严格控制孔底偏斜尺寸在规定值内，对各孔段钻孔情况进行了详细记录，遇到特殊情况时，技术人员会同监理采取了有效措施处理。

（4）钻孔深度不小于设计孔深。即：钻孔深入坝基q≤10 lu线以下5.0 m。

4.2.6.2 钻孔冲洗

（1）灌浆孔段在灌浆前用压力水进行钻孔冲洗，直至孔口回水澄清为止。冲洗压力为灌浆压力的80%，压力超过1 MPa时采用1 MPa。

（2）裂隙冲洗至回水澄清后10 min结束，单孔冲洗时间不少于30 min，回水达不到澄清的孔段继续冲洗，直到孔内残存沉积物小于20 cm。

（3）冲洗后的孔马上进行灌浆作业。

4.2.6.3 压水试验

灌浆前进行简易压水试验，试验压力为灌浆压力的80%，大于1 MPa时采用1 MPa。压水20 min，每5 min测一次压入流量，取最后次流量作为计算值，其成果用透水率表示。

4.2.6.4 制 浆

（1）制浆材料称量 制浆材料必须称量，称量误差应小于5%。水泥等固相材料应采用重量称量法。

（2）浆液搅拌 各类浆液必须搅拌均匀，测定浆液密度和黏滞度等参数，并作好记录。纯水泥浆液的搅拌时间：使用普通搅拌机时，应不少于3 min；使用高速搅拌机时，应不少于30 s。浆液在使用前应过筛，从开始制备至用完的时间宜小于4 h。拌制细水泥浆液和稳定浆液，应加入减水剂和采用高速搅拌机，高速搅拌机搅拌转速应大于1 200 r/min，搅拌时间通过试验确定。细水泥浆液的搅拌，从制备至用完的时间不大于2 h。

4.2.6.5 灌 浆

（1）方式：将栓塞拴在套管底部基岩5.0 m作一段施灌，灌浆方式采用双管循环式，射浆管距孔段底不大于50 cm。

（2）灌浆段长：采用5 m。

（3）灌浆压力：灌浆压力通过先导孔压水试验确定，后在灌浆施工过程中根据实际情况进行了调整。压力表安装在孔口回浆管路上，压力表读数为指针摆动中值，灌浆要尽快达到设计压力，注入率大时可分级升压。

4.2.6.6 浆液浓度变换

（1）灌浆浆液浓度由稀到浓，逐级变换。灌浆水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、、0.5∶1六个等级，开灌水灰比一般为5∶1。

（2）当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或注入率不变，压力逐渐升高，不得改变水灰比。当某一等级浆液注入量300 L以上或灌浆时间达1 h，而灌浆压力和注入率均无效或改变不显著时，改浓度等级，当注入率大于30 L/min时，根据具体情况越级变级。

4.2.6.7 结束标准

（1）在规定压力下当注入率不大于0.4L/min时，继续灌注30 min或不大于1 L/min时，继续灌注60 min，可以结束。

（2）帷幕灌浆发生串浆时，如串浆孔具备灌浆条件，可以同时进行灌浆，一泵灌一孔，或者将串浆孔塞住，灌浆孔结束后，串浆孔再行扫孔冲洗，继续钻进施灌。

（3）灌浆段注入量大，灌浆难以结束时，用下列措施处理。低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆；浆液中掺速凝剂；灌浆稳定浆液或混合浆液；该段经处理后仍应扫孔，重新依照技术要求进行灌浆，直至结束。

4.2.6.8 基岩段封孔

封孔方法采用 “全孔灌浆封孔法”。

5 主坝防渗效果检查

5.1 钻孔取芯及压水试验（自检）

大头垅水库主坝防渗处理高喷灌浆完成28 d后开始进行钻孔取芯及静水头压水试验检查，根据设计及规范要求，检查孔按总孔数的10%选取，孔位取相邻二孔中间位置，检查孔布置在帷幕中心线上，压水试验5 m一段。共钻检查孔17孔327.10 m，静水头压水试验64段，其渗透系数试验值（1.5～4.8）× 10-7cm/s，均满足不大于1×10-6cm/s的设计要求。

帷幕灌浆完成15 d后开始进行钻孔取芯及压水试验，根据设计及规范要求，检查孔按总孔数的10%选取，孔位取相邻二孔中间位置，压水试验5 m一段自上而下单点法。吸水量稳定标准：压力调到规定数值并保持稳定后，每5 min测读一次压入流量，连续4次读数，其最大值和最小值之差小于最终值的10%，或其最大值与最小值之差小于1 L/min，试验结束，则最终数值为计算流量。

共钻检查孔7孔35.10 m，压水试验7段，其透水率（1～3）Lu之间，均满足不大于10 Lu的设计要求。

5.2 压水试验（抽检，第三方检测）

在主坝高喷灌浆和帷幕灌浆自检完成后，质量监督单位委托第三方检测公司进行了抽检，钻孔位置现场随机指定，高喷灌浆抽检3孔，最大渗透系数4.4×10-7cm/s，帷幕灌浆抽检1孔，最大透水率3.3 Lu，均满足设计要求。

5.3 现场目测

经现场查看，正常蓄水位140.2 m，大坝下游漏水、渗水等现象已经消除，下游坝肩山体等没有发现渗水漏水点，说明主坝防渗效果非常明显。工程完工后，工程安全系数大为提高，抗御自然灾害的能力大为增强，保证了水库下游0.11万hm2的农田灌溉。

6 经验总结

大头垅水库主坝防渗加固，从高喷钻孔到帷幕施工，再到压水试验检查，经过近半年的施工，达到了预期效果。严格按照设计图纸、施工规范及现场试验确定的参数进行施工，是保证质量的关键。高压旋喷灌浆施工参数的选定非常重要，水压的大小直接关系到成墙厚度及效果，是重中之重。帷幕灌浆中灌浆压力的选定同样相当重要，压力过小达不到效果，压力过大容易串孔甚至对坝体坝基产生破坏作用，各种参数的确定需要根据现场试验确定。

[1]DL/T 5200-2004.水利水电工程高压喷射灌浆技术规范[S].

[2]DL/T 5148-2001.水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].

2016-05-04）

贺建龙（1979-），男，大学本科，工程师，主要从事水利水电工程施工工作，手机：15873129875，E-mail:360080816@qq.com。