高压摆喷灌浆技术在坝基防渗加固修复中的应用

史天波，陈文斌

(1.贵州中水建设管理股份有限公司,贵州 贵阳 550002；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100)

高压摆喷灌浆技术在坝基防渗加固修复中的应用

史天波1，陈文斌2

(1.贵州中水建设管理股份有限公司,贵州 贵阳 550002；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100)

为解决七里坡水库大坝坝基渗漏问题，结合安全鉴定成果和高压喷射灌浆技术优势，选取在大坝上游坝坡增设垂直防渗体的加固修复处理方案.采用摆喷灌浆技术，对坝体和坝基粉砂层、河流冲积层及强风化基岩进行高压水泥浆液灌注，硬化后形成固结体实现对渗漏通道的有效堵截.经现场开挖检查、围井注水试验、室内检测和渗流监测，结果表明：防渗墙体整体连续性和密实度均较好，各项检测指标均满足设计规范要求，坝基渗漏得到有效处理.

水库；高喷灌浆；渗透系数；防渗墙

从20世纪80年代开始，由于高压喷射灌浆技术具有防渗地层适用范围广、施工便捷、固结体形状可控和材料广阔和性价比高等优点，在我国水利水电基础防渗工程领域，高压喷射灌浆技术就得到广泛推广与应用，并取得较好防渗、加固与修复效果.为规范施工技术和确保施工质量，国家发改委于2004年颁布实施了《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》(DL/T 5200—2004)，有效指导高喷灌浆向地基加固以外水工建筑物工程领域发展，不仅可以用在松软地层的坝基坝肩防渗、坝体截潜流和临时围堰等新建工程中，同时还可以作为主要加固修复工程措施用于已建工程坝体结构裂缝渗流、漏洞及安全隐患等防渗处理和深基坑或大坝止水帷幕.通过合理控制措施和工艺参数调整，高喷灌浆技术可以适用于任何松散地层.另外，高压喷射灌浆技术无需地层开挖、对施工场地要求不高、可灌性和可控性好等优点；对于50 m以内施工深度，其工艺参数较为成熟，通过定、旋、摆等灌浆工艺，固结形成防渗所需形式防渗凝结体，同时其施工深度最高可到90 m.可以有效克服很多防渗技术不能达到基岩相对不透水层的不足.水库除险加固防渗修复工程中，结合工程特性合理选用高喷灌浆防渗技术，可以获得较大地层适应性和工程施工造价经济性，确保防渗工程高效、优质与节能经济的顺利进行.

1 高压喷射灌浆施工原理

受当时历史条件、政治背景、设计标准和施工技术等因素的影响，20世纪50年代末到80年代初，我国兴建了大批以当地材料填筑为主的土石坝.鉴于当时设计施工理念和技术资金水平等限制，专门防渗结构和防渗措施未设置或设置不足，加上后期运行维护落实不到位，许多水库大坝出现坝身渗漏、坝基和坝肩接触带渗漏等问题，病险大坝带病运行，严重制约水库大坝安全稳定运行和经济效益的正常发挥[1].坝基渗漏已成为中小型水库大坝病险主要问题，同时也是大坝防渗加固修复关键部位.对于土石坝坝基防渗加固修复处理，常规混凝土防渗墙和灌浆法，不仅施工工艺复杂，同时灌浆压力难以掌握以及大体量开槽造孔易引起地基应力“释放”而造成坝体结构应力变形，施工难度较大、成本较高，防渗工程节能经济性较差.高压喷射灌浆可以利用钻机钻孔精确达到需处理薄弱部位，通过高压喷射浆液切割岩体冲击搅拌，硬化后形成防渗凝结体，从而达到精准防渗加固目的，且对坝体结构不会带来较大扰动，工程造价也比较低，非常适用于土石坝除险加固防渗修复.

高压喷射灌浆技术(简称高喷灌浆法，Jet Grouting)，是在化学注浆法基础上结合高压水气混合射流切割技术研究发展起来.以常见“水泥”为主材，水泥砂浆在喷射过程中扩散、充填和置换，切割掺搅地层与土石粒均匀混合，硬化后形成一定形状凝结体，在坝体内构筑一道严密堵截渗流的连续防渗墙[2].高喷灌浆防渗施工系统主要包括：造孔系统、给水(气)系统、供浆系统、提升系统和孔口喷射系统等共同组成.高压喷射灌浆防渗工艺设备组成(见图1).

图1 高喷灌浆系统组成

高喷灌浆进行设备组装后，其主要施工工序为：钻孔布置→钻孔→下喷射管→制浆(供水、供气)→喷射→摆动提升→固结成墙→回灌→冲洗→充填封孔.高喷灌浆只需在存在渗漏裂缝的部位，钻一个孔径约50～300 mm的小孔，便可以在土体内部喷射凝结形成0.4～4.0 m凝结体.在浆液喷射过程中，可根据工程实际合理调整喷嘴角度、速度和提升速度，合理控制喷嘴大小和增减喷射压力，确保形成凝结体与设计相匹配.另外，可以通过对单管、二重管和三重管等喷射过程中的压力、吸浆量和冒浆量等进行实时监测分析，动态了解喷射效果及可能存在缺陷，及时调整施工特性参数或施工工艺，确保喷射灌浆质量.

2 大坝除险加固高压摆喷防渗应用

2.1 工程概况

七里坡水库属于小(1)型已建水库，坝址以上集雨面积4.73 km2，河道长5.12 km，河道比降为48.7‰，总库容230.50×104m3，兴利库容208.50×104m3.水库大坝于1976年11月开始动工修建，1979年9月主体工程竣工,1980年3月下闸蓄水，是一座以灌溉为主，兼顾防洪和引水发电的综合利用水利工程.大坝填筑材料为当地砂壤土，以“人工挑抬”填筑而成，坝顶高程436.50 m，最高坝高29.5 m，坝顶长218 m，坝顶宽8.0 m.水库防洪标准为100年一遇设计洪水，200年一遇校核洪水.

2.2 大坝安全鉴定及坝基防渗加固

2.2.1 大坝安全鉴定

水库蓄水运行后不久，大坝存在坝基接触带渗漏问题，曾多次出现过管涌和砂沸渗漏现象.虽经1995年和2003年两次灌浆加固修复处理，但由于未全面进行论证分析，防渗效果非常有限，坝基渗漏问题较为明显.钻芯取样分析结果表明：原高压喷射灌浆段土体渗漏系数过大，7.1×10-5cm/s远大于规范≤1.0×10-5cm/s的指标要求.另外，施工时清淤不彻底是导致坝基渗漏的另一个原因.坝基分布有4～6 m厚的河流冲洪积层，其冲洪积层整体呈中透水性，且坝基以强风化基岩为主，强风化带较厚，岩体内部裂隙发育.原坝基设置的高压喷射帷幕灌浆，由于其钻孔深度不够，未深入基岩不透水层，导致喷射灌浆未能形成连续密实防渗墙，未能有效截断基岩、覆盖层与坝基间的渗漏通道，导致高水位蓄水运行后，渗漏通道不断扩大，渗漏量不断加大且呈加剧趋势[3-4].2013年，大坝进行全面安全复核，鉴定为“三类坝”，坝基渗透比降小于规范允许值，加上坝基严重渗漏问题，急需采取合理防渗加固修复工程措施堵截坝基渗流通道，有效提高大坝整体防渗安全稳定性.

2.2.2 防渗加固修复方案

根据地质勘查资料，大坝坝基接触带为强风化砂岩，断层节理高度发育且完整性较差.坝基主要以粉砂层和粗砂层为主，在大坝桩号为0+27.00～0+56.00和0+135.50～0+172.50段，粉砂层平均厚度为2.5 m，粗砂层平均厚度为2.3 m.鉴于大坝坝基渗漏主要是由于坝基清淤不彻底、原喷射灌浆未达基岩不透水层等引起，结合坝址区水文地质条件，采用高压摆喷灌浆进行大坝坝基防渗修复除险加固.

根据《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》(DL/T 5200—2004)相关要求，对于地层地质条件较复杂或深度较大的高压喷射工程中，应根据工程特性合理选定典型地层段进行高喷灌浆现场试验，通过不同孔距、排距等系数调整以获得较优喷射特性参数组合，从而确保高喷灌浆施工质量[5-6].在大坝0+145.50～0+162.50段，按照1.6 m，1.2 m和1.0 m3种孔距布孔进行试验，每种孔距布孔5个，试验深度均为25 m，共设置15个，试验段总长17 m.经现场试验及对试验区段防渗墙厚度、抗渗性能等指标性能进行综合分析，最终确定高压摆喷施工特性参数(见表1).

表1 高压摆喷施工特性参数

设单排高压摆喷灌浆孔，喷孔间距为1.2 m，嵌入强风化花岗岩深度≥3 m，以达坝基相对不透水层.按照设计要求，间距1.2 m情况下，两孔中心搭接间距为1.6 m.因此，决定采用三管法(桩径为1.0～2.0 m)进行高压摆喷射施工.摆喷灌浆孔按照折接形式进行布置(见图2).

图2 高压摆喷灌浆孔折接布置示意

在坝基渗漏严重部位，在浆液中掺加环氧树脂等水下堵漏外加剂后，再进行灌浆.高喷灌浆成墙渗透系数指标为：1×10-6≤K≤9×10-6,并采取合理漏浆、串孔、灌浆中断等应急处理措施，确保灌浆施工进度和质量.

2.3 摆喷灌浆防渗加固修复效果分析

防渗加固工程竣工后，开挖直观检查喷射效果及墙体斜街情况表明：防渗墙桩间搭接良好，孔位、孔深和入岩深度均达到规范要求，板墙对接完好，成墙最小厚度>50 cm.钻孔法和围井法对坝基防渗墙体进行质量检查，按照每个单元工程布置2个检查孔，每5个单元工程布置1个注水试验围井，对墙体强度和渗透系数进行检测[7-8]，检测结果(见表2).

表2 高压摆喷灌浆防渗特性指标检测结果

从表2表明：高压摆喷灌浆坝基防渗墙其典型芯样的抗压强度为3.25～4.32 MPa，均大于规范要求的[≥2.5 MPa]要求；渗透系数检测值为0.98×10-6～4.27×10-6cm/s，均小于规范要求的[≤9×10-6cm/s]指标要求.加固后坝体与坝基渗漏得到明显控制，无明显渗漏点，防渗加固质量满足规范要求.尤其是坝基强透水层埋深较浅坝段，渗漏检测其渗漏量明显减少，大坝坝基渗漏问题得到有效处理.

3 结 论

高压喷射灌浆技术结构经济地采用定喷和摆喷形式，在坝基坝体防渗、结构裂缝防渗加固修复等工程领域发挥非常良好的应用效果.七里坡水库由于大坝填筑土料渗透性大、坝基清淤不彻底、强风化基岩内部裂隙发育、河流冲洪积层厚等，导致大坝坝基接触带存在严重渗漏问题.结合水库病险现状及工程特点，优选技术、经济和施工条件等均较优越的高压摆喷灌浆进行坝基防渗处理.加固修复后，大坝渗水险情得到明显控制，未发现明显渗漏点.经试验测试，防渗墙墙体强度、渗透系数等技术指标均满足规范要求，坝基渗漏得到有效处理，达到良好的防渗加固修复效果.

[1] 侯秀娟,张新利,伏晓娟.高压摆喷灌浆技术在水库除险加固工程中的应用[J].水利与建筑工程学报,2011,9(6):150-154.

[2] 刘晓钟,朱元文.高压旋喷灌浆生产性试验研究[J].浙江水利水电专科学校学报,2013,25(1):4-6.

[3] 陈 辉.高压摆灌浆施工技术在堤防防渗处理工程中的应用[J].陕西水利,2015(4):81-82.

[4] 吴阳锋,吴国芳.坝基帷幕灌浆在石门坎水库除险加固中的应用[J].浙江水利水电学院学报,2015,27(4):13-16.

[5] 张 烁.高压摆喷灌浆在新立城水库除险加固工程中的应用[J].吉林水利,2011(2):28-30.

[6] 吕福财,朱建华,周 兵,等.围井试验法在防渗墙工程质量检测中的应用[J].水利科技与经济,2008,14(12):1032.

[7] 郭经武.高压摆喷灌浆技术在小海子水库决口修复及完善工程中的应用[J].甘肃水利水电技术,2011,47(03):57-59.

[8] 张 峰,高宜能,卢 勇.高压摆喷防渗墙在大治河闸站工程中的应用[J].水科学与工程技术,2010(6):77-79.

Application of High-pressure Swing-jet Grouting in Dam Foundation Reinforcement

SHI Tian-bo1, CHEN Wen-bin2

(1.Guizhou Zhongshui Construction Management Co., Ltd., Guiyang 550002, China; 2.College of Water Resource and Architecture Engineering, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China)

Aiming at the seepage of dam foundation in Qilipo Reservoir, combined with the safety appraisal analysis and the advantages of high pressure jet grouting technology, the reinforcement scheme with additional vertical anti-seepage body at dam up-stream has been adopted. Using the swing grouting technology, the dam and dam foundation silt layer, river alluvial layer and strong weathering bedrock has been grouting by high pressure cement slurry, and the leakage passage can be effectively intercepted by the hardened solidified structure. Every index of the seepage control body with good overall continuity and density is proved to meet the requirements of design by excavating checks, water injection experiments, indoor sampling inspections and seepage monitoring. The foundation leakage has been effectively treated with good anti-seepage effect.

reservoir; high-pressure jet grouting; permeability coefficient; impervious wall

TV698.2+3

A

1008-536X(2017)03-0016-04

2016-12-03

国家科技支撑计划项目(2015SXC21P35)；中央高校基本科研业务费专项资金(37809506)

史天波(1967-)，男，贵州贵阳人，高级工程师，主要从事水利水电工程建设与管理工作.