高压喷射灌浆防渗墙技术在水库坝体防渗加固中的应用

甄新娟

(新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆 昌吉 831100)

1 工程概况

贡拜沟水库位于新疆天山北麓、吉木萨尔县境内贡拜沟泉水河出山口。该工程是一座以防洪、灌溉为主的小(1)型山区水库，水库总库容289.05万m3，最大坝高30 m。贡拜沟水库始建于1965年，目前坝顶高程、抗滑稳定安全系数已不满足规范要求，坝体、坝基渗漏严重，严重影响大坝运行安全，必须采取必要的防渗加固措施。

2 工程地质条件

贡拜沟水库大坝为均质土坝，填筑料以粉土为主。库区地层为三迭系黄山街组，可分为五个岩性段，从上至下依次为第四系上更新统的风积黄土(1.5～15 m)、冰水沉积砾卵石(10～15 m)及三迭系砂岩。

水库主河床坝段坝基处于河槽底部，坐落在微风化砂岩上，基岩透水率<5 Lu，设有深至基岩的黏土截水槽，本次不做处理。而左岸岸坡坝段(桩号0+140～0+450)坝基落在Ⅱ级阶地上，存在3～8 m砂卵石层，渗漏问题严重。经专家组现场勘察讨论，最终确定采用往复式高压喷射灌浆防渗墙进行坝体、坝基防渗。

3 高压喷射灌浆防渗墙应用设计

3.1 高压喷射灌浆管类型设计

目前，高压喷射灌浆技术分为：单管法、二管法、三管法[1]。经过大量试验表明：固结体强度主要取决于土质、浆液、灌浆管类型及提升速度、灌浆量等。对于水工建筑防渗，相关标准规定灌浆28 d后强度必须达到黏土为3～5 MPa；粉土为5～8 MPa；砂土为8～20 MPa[2]。

不同喷射管所形成的防渗固结体抗压强度参考值见表1[3]，结合本项目实际情况，最终确定采用“三管法”对贡拜沟水库坝体和坝基进行防渗加固。

表1 固结体抗压强度 MPa

3.2 高压喷射防渗墙布置形式设计

目前，高压喷射防渗墙布置形式主要有图1所示四种类型[4]，其中折线型防渗墙凭借连接可靠、墙体厚度较大、方便施工等优点，应用最为广泛。因此，本项目最终设计的防渗墙要求最小厚度为0.3 m，板面平整、坚硬，板墙应为折线型无缝搭接、连续完整。

图1 高压喷射防渗墙常用布置形式

3.3 孔距、喷射长度及孔深设计分析

孔距L对于高压喷射灌浆防渗墙质量有着决定性作用，本项目采用理论计算和现场试验确定最佳孔距L，其中计算公式见式(1)[5]，得出孔距L=1.6 m，现场试验分别设置L=1.4、1.5、1.6 m，最终得出当L=1.4 m时防渗墙各项指标满足要求，所以选取L=1.4 m。

结合其他工程经验及现场试验，确定出折线型防渗墙轴线与折线轴线夹角为120°，摆角30°，采用Ⅲ序孔相间灌浆，即钻孔按照顺序编为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，首先间隔灌注所有Ⅰ#孔，待灌注完毕后再分别灌注Ⅱ#、Ⅲ#孔(如图2所示)[6]。

(1)

式中：R为浆液扩散半径，cm；b为设计帷幕灌浆厚度，cm。

图2 贡拜沟水库大坝防渗墙钻孔布置(单位：mm)

4 高压喷射防渗墙施工应用分析

4.1 高压喷射灌浆施工参数

4.1.1 灌浆设备选取

不同的灌浆法对设备种类要求也不相同，各类灌浆法所用设备清单见表2[7]。贡拜沟水库大坝防渗加固工程因使用“三管法”，所以按照清单定型便可，具体选型结果如下：

表2 各类灌浆法的所用设备清单

(1)钻机。本项目选用GJ-150S型工程钻机，适用于砂层、黏土层、基岩等地层，最大钻进能力约100 m，孔径110～150 mm，本项目钻孔深度最大60 m，孔径设计120 mm。

(2)高压水泵。要求压力、流量稳定且可调节，本项目选用3D2-S型高压柱塞泵，体积小、流量大，非常适合“三管法”，额定压力30～50 MPa，流量50～100 L/min[8]。

(3)普通泥浆泵。在“三管”及“多管”施工中，BW系列三缸卧式单作用往复式普通泥浆泵是较好选择。

(4)高压胶管。在高压喷射灌浆施工中，要求胶管工作压力大于40 MPa，一般选用四单向双层、六单向三层钢丝缠绕式(本项目选用后者)。若在使用中一旦某管路发生鼓包、外皮射水则应整段更换。

4.1.2 浆液制作参数

不同浆液种类其配料成分及适用环境均有区别，主要分类见表3[9]。由于贡拜沟水库大坝坝基地下水含量较大，因此设计使用速凝早强型浆液，选用525号普通硅酸盐水泥，早强剂选用水玻璃，并掺合高效扩散剂NNO。

表3 浆液分类及特点

4.1.3 高压灌注施工参数

施工参数合理与否直接决定了高压喷射防渗墙质量及造价，主要涉及到水、气、浆压力及流量，喷射压力越大，相应的流量越大，固结体尺寸也会越大。其次，提升、摆喷、旋转速度等也会影响防渗墙质量。本项目通过现场试验在参考值基础上调整20%左右，效果良好。不同喷灌类型下施工参数参考值见表4。

表4 高压喷射灌浆施工参数表

4.2 问题及应对措施分析

在高压注浆过程中偶尔会遇到各类问题，下面是贡拜沟水库大坝防渗灌浆施工时所遇到的一些问题及应对措施。

4.2.1 不冒浆和冒浆处理

当冒浆量小于灌注量的20%时属正常现象，若超过该值或完全不冒浆，则应查明情况。本项目不冒浆是遇到以下几类情况：①进入土质松软地层，为正常现象，进行复喷；②地层内有空洞，不提升灌浆管，持续灌浆直到冒浆为止。而减少冒浆量措施为：①在灌注量不变的前提下，提高喷射压力(20%以内)；②适当缩小喷嘴孔径，并加快提升和旋转速度；③停止灌浆，换为灌注水泥砂浆。

4.2.2 固结体问题处理

(1)固结体强度不均，在有机质含量较大土层中强度低，结合地质资料，根据土层厚度和深度及时调整喷射参数，加大喷射压力、浆液稠度，必要时进行复喷。

(2)固结体垂直度较差，会严重影响防渗墙强度和防渗性，因此本项目要求每灌浆10 min对灌注管进行一次测直，垂直度偏差要求不大于1/100，对于垂直度较差地段可进行复喷。

4.2.3 工程应用效果分析

灌浆结束30 d后采用“顶部开挖、水平取芯”法对灌浆质量进行检测，重点测量墙体厚度。本项目共取芯60个，编号1#～60#，检测厚度见表5。通过检测，各地层中灌浆帷幕墙厚度均大于20 cm，各序孔交接处无明显接痕迹，胶结牢固，无渗水现象，说明防渗效果良好。贡拜沟水库大坝经除险加固投入使用后，防渗性确实得到显著提升，透水率远小于5 Lu。

表5 灌注墙体厚度部分统计 cm

5 结 论

高压喷射灌浆防渗墙技术可显著提高坝体、坝基防渗性，且施工规模小、成本低，不需要对坝体进行大范围整修扩建，具有很好的经济效益。贡拜沟水库坝体经过防渗加固并使用多年后，渗漏量始终保持在规定值以下。但应用该技术时需要紧密结合工程实际情况，根据地质条件设计各项参数，这样才能做到“因地制宜”。