深厚砂卵砾石类堤防渗漏探测与治理新技术

樊 勇，杨松林，袁会林，李永丰

(1.湖南五凌电力科技有限公司，湖南长沙410004；2.湖南中南水电水利工程建设有限公司，湖南长沙410014)

0 引 言

深厚砂卵砾石地层在我国分布广泛[1]，在此类地层建设水利、铁路、桥梁、地铁、矿山和水土流失综合治理等工程项目涉及大量灌浆防渗工程。目前我国多采用静压注浆、挤密注浆、搅拌注浆、旋喷注浆或防渗墙等施工技术进行防渗处理。但所有这些技术对深厚砂卵砾石地层灌浆防渗或加固处理，均存在着难以克服的局限性。静压注浆可控性差，易串浆跑浆；搅拌注浆在含卵砾石地层中受到限制；而高压喷射注浆虽然可解决小砾径细颗粒结构地层，但对粗颗粒卵砾石地层不适用[2]。故多采用密孔高压喷射注浆辅以静压注浆的方式，但是该方法造价高、效果差且易污染环境。本文结合湖南省龙家山水电站狮江堤防渗漏问题，开展渗漏治理研究，以解决深厚砂卵砾石地层渗漏问题。

1 工程概况

龙家山水电站库区狮江防护区为围堤抬填防护，但筑堤时未进行系统防渗处理，建成后出现库水直接渗流进入防护区的现象。堤防背水侧堤脚及其防护区内出现多处涌水点和砂沸，存在溃堤的安全隐患。库水外渗导致抬填区土壤含水量过大，造成大面积土地不能满足作物生长需求。经地质勘测，狮江防护堤地基为古河床冲积层，自上而下主要分布细砂～中砂层、砂卵砾石层，层厚11～27 m(卵石粒径一般为3.0～10.0 cm，最大粒径12.0 cm以上)，属深厚强透水复杂地层。类比类似堤防基础防渗工程，目前多采用地下连续墙辅以墙底接触灌浆进行防渗。由于狮江防护堤地基为古河床冲积层，地层结构复杂，防渗墙防渗不仅施工难度大，且工程造价相对较高，初步估算造价为2 270万元，故探索一种技术可行、经济环保的灌浆防渗技术以解决狮江堤防基础防渗问题，也可为类似地基条件防渗工程提供技术借鉴。

图1 狮江防护堤物探测线布设示意

2 研究思路

狮江防护堤治理长约2 000 m，治理范围较大，为节约工程造价，首先，应开展钻探物探等勘察工作，确定重点治理范围；其次，综合国内外现有多种灌浆技术工法优点，结合松软地层防渗的高压脉动灌浆机理[3- 4]，研究提出适用于深厚砂卵砾石地层防渗的“高压脉动钻灌一体”施工新工艺；第三，对新工艺进行处理效果的数值仿真模拟和分析评价。

3 物探勘察

3.1 勘探布置

依据渗漏通道在联合剖面曲线上会出现正交点，通过正交点推断防护堤的渗流通道水平位置；针对联合剖面法所确定的渗漏通道，布置伪随机流场法测线，探测河床与排涝区涌水点渗流通道，全方位探明涌水点与河床、堤坝之间的联系[5]。因此，需要沿堤坝两侧斜坡分别布置联合剖面测线，探明重点渗漏区水平位置；针对重点渗漏区，沿堤坝布置3条伪随机流场法测线，查明江中与排涝区之间渗漏通道的水平位置与垂直深度。狮江防护堤物探测线布设如图1所示。

探测采用由何继善院士首创的双频道激电仪[6]。激电仪采用选频法接收，对工作区其他频率的工业游散电流信号有很强的压制作用，同时采用交流测量，能避免库区自然电场的干扰，可实现对渗漏点的准确探测[7]，狮江防护堤联剖法有效记录点数有237个，流场法有效记录点数有292个，满足探测分析要求。

3.2 综合探测小结

通过综合探测查明狮江防渗堤存在3段强渗区域和3段分散渗漏区域，分别是①码头至板栗林段，370～430 m段为强渗区域，500～600 m段为分散渗漏区域；②排水站段，1 860～1 880 m段与1 990～2 010 m段为强渗区域；③码头至村口段，由于场地限制，只具备进行联合剖面法的条件。推断1 290～1 340 m段与770～1 180 m段为分散渗漏区域。

4 “高压脉动钻灌一体”施工技术研究

4.1 “高压脉动钻灌一体”技术

“高压脉动钻灌一体”新技术在综合现有注浆技术特点与注浆机理的基础上，创新提供一种新的适用于深厚砂卵砾石层的高压喷挤复合灌浆机理。该技术集“钻灌一体灌浆”“高压旋喷灌浆”“膏浆挤密灌浆”等工法于一体，且完全突破传统单管高压喷射灌浆对浆液浓度的限制，创新采一种触变膏浆作为高压喷射浆液，充分利用触变膏浆所具有的高压触变粘度降低与高压泌水固结特性，并配合采用一种钻灌一体高压冲挤灌浆新技术对深厚砂卵砾石地层全孔钻灌固孔，以及高压钻喷机具与钻灌固孔形成的致密孔壁贴合封阻作用，确保了整个高压喷挤复合灌浆施工过程中孔内全封闭无返浆灌注，使得触变膏浆经高压喷嘴射流喷出后，一方面按照常规的高压喷射灌浆机理对深厚砂卵砾石层进行高压喷射冲搅灌注，另一方面沿着高压喷射流方向对深厚砂卵砾石层进行强压挤扩与劈楔灌注，形成一种深厚砂卵砾石层高压喷挤复合灌浆机理，以及由此高压喷挤灌浆机理所形成的触变膏浆高压喷搅体、强压挤扩体、强压挤劈体等复合灌浆体。为便于对比分析，分3组按照灌浆新工艺、传统工艺及不同孔距进行对比布孔(见图2)。

图2 灌浆布孔示意(单位：mm)

表1 脉冲钻灌一体灌浆成果统计

4.2 注入量分析

(1)脉冲钻灌一体阶段(自上而下)，根据灌浆成果统计分析，脉冲钻灌一体灌浆(脉冲量≥1 L/冲次、脉冲压力≥2 MPa)，新技术单孔最大单位注入量达107.98 kg/m，整个试验孔平均单位注入量约50 kg/m，明显优于传统工艺30 kg/m。故新技术可有效的对孔壁进行抹压与冲挤固壁，并对严重架空、漏失地层进行高压冲挤充填与渗透性灌注，能先行消除地层中较大的空洞和裂隙。脉冲钻灌一体灌浆成果见表1。

(2)喷射灌浆阶段(自下而上)，现场分别进行了触变膏浆自封式喷挤灌注和纯水泥浆敞开式灌注新老工艺对比试验，根据灌浆成果统计分析，2种工艺按照相同的单位喷射量控制，触变膏浆自封式喷挤灌注试验孔平均单位注入量约325 kg/m，而纯水泥浆敞开式灌注扣除孔口30%回浆后，孔平均单位注入量约207 kg/m。相应灌浆数据见表2。

4.3 质量检查

(1)检查孔钻孔取芯成果，结果表明：治理前芯样整体松散(见图3)，经传统工艺治理的J-2检查孔，砂层芯样基本呈短柱状，但砂卵石层芯样大部分呈松散状(见图4)。分析表明，常规的纯水泥浆“高压旋喷灌浆”可对细小颗粒地层进行有效的喷搅灌注；而对于粗颗粒砂卵砾石地层，由于局部大卵石阻喷效应而产生旋喷灌浆盲区，不能形成连续有效的高压旋喷灌浆桩体。采用新工艺的J-1检查孔，芯样连续完整，砂层经基本成了水泥砂浆固结体(见图5、6)，砂卵石层经喷搅挤劈复合灌注后基本成了素混凝土状(见图6)，力学与抗渗性能显著提高。

表2 高压喷挤复合灌浆成果统计

图3 治理前芯样 图4 J-2号检查孔芯样 图5 J-1号检查孔芯样 图6 新技术细节

(2)采用“单点法”进行孔压水试验，试验压力0.15 MPa，每个检查孔对砂层和砂卵石层分段压水，检查孔各试验段压水试验成果见表3。可见，龙家山狮江堤防经钻灌新技术处理后形成的复合灌浆体，已接近或达到素性混凝土防渗墙防渗标准，为一种结构性防渗幕墙，其抗渗性、耐久性完全满足堤防防渗工程要求。

表3 检查孔各试验段压水试验成果

(3)声波测试。测试成果显示，灌前波速在1 080～1 580 m/s，平均值为1 316 m/s，灌后波速在1 500～2 340 m/s，平均值为1 769 m/s，灌后波速比灌前波速均有较大提高，平均提高率为34.41%。灌前灌后波速分段统计见图7。

(4)芯样无侧限抗压强度试验：为检测钻灌新技术形成的复合灌浆体抗压强度，在检查孔钻孔芯样中选取了12组代表性试件，进行无侧限抗压强度试验，抗压强度均在1.7 MPa。

综上可知，钻灌新技术可有效解决深厚砂卵砾石层防渗问题，新技术处理后可形成一种类似于水泥土防渗幕墙，墙体厚度≥0.5 m，墙体抗压强度≥1.0 MPa，墙体允许渗透比降≥60，墙体渗透系数

图7 灌前灌后波速分段统计

图8 三维有限元模型示意

5 渗流分析

采用ANSYS软件进行建模，将整个堤防以物探报告中钻孔数为标准分段，三维有限元模型如图8所示，模型以每个钻孔为中心向两侧延伸建模，结合前期钻孔柱状图建立反映堤防地形地貌、地层土体和地质构造特征以及堤防防渗帷幕结构的分段子模型。模型以南北向作为三维模型的x轴向，东西向作为y轴，高程作为z轴。

为消除计算结果对网格的依赖性，避免出现渗流自由面难以准确定位的问题[8]，采用理论上严密的Signorini型变分不等式方法求解，所建立的方法称为SVA法(子结构、变分不等式和自适应罚Heaviside函数相结合的方法)[9]，选择近年来河道内最高水位94.2 m作为计算水位。由堤防典型剖面等水头线(图9)可知，自由面在防护堤内部的分布特征完全满足光滑连续和单调下降这2个基本几何性质，因而渗流计算成果在理论上是正确的。

解算得出板栗林至码头段370～430 m区域为强渗区，500～600 m区域为分散渗漏区域，与物探结果一致，村庄至码头段第2、6、7、12桩号为分散渗区，根据三维模型分段位置，发现计算结果与物探报告有所出入，但是随着防护区地下水位抬升，其余各小段相继出现表面渗漏。排水站至村庄段第2、3、6、8、9为强渗区，与物探报告稍有差距，初步分析，此段物探仅开展了相应水位的联剖法与高水头作用下的渗流计算存在一定偏差。结合历史水情资料计算同样条件下龙家山防护堤整体渗漏量(见表4)，可见，灌浆前，堤防存在较大渗漏，渗漏区域较多，且渗漏区域单宽渗漏量较大，灌浆后，渗漏急剧减少，仅有极少数区域还存在较少渗漏，可以确定若采用新技术对堤防进行灌浆防渗是十分有效的。

表4 龙家山狮江防护堤典型部位灌浆前后渗漏量统计结果

注：此表仅列出渗漏量较大区段，渗漏量较小区段未予列出。

图9 排水站至村庄段堤防剖面治理前后等水头线

6 结 语

通过物探勘察、“高压脉动钻灌一体”技术研究及渗流分析能较好地解决龙家山狮江防护堤渗漏问题。联合剖面法与伪随机流场法的综合运用精简了治理范围，渗流分析对物探成果进行印证，且进一步对渗漏通道进行定位，有效降低了治理区域，实现了节约工程造价的目的。钻灌新技术由“钻灌一体灌浆”“高压旋喷灌浆”“膏浆挤密灌浆”等工法复合技术提升后形成，在自上而下快速钻灌与自下而上喷射灌浆的基础上，对深厚砂卵砾石层进行高压喷射冲搅灌注；进而实现强压挤扩与劈楔灌注，形成一种深厚砂卵砾石层高压喷挤复合灌浆机理，以及由此高压喷挤灌浆机理所形成的触变膏浆高压喷搅体、强压挤扩体、强压挤劈体等复合灌浆体。通过渗流分析与质量检查可见，新技术能经济、高效地解决深厚砂卵砾石层防渗问题。