高压旋喷灌浆技术在陈源水库除险加固工程中的应用

吕云英

(福建省南平市浦城县莲塘镇人民政府水利工作站，福建 南平 353000)

0 前 言

中国大部分水库兴建于20世纪60-70年代末，多为当地材料填筑的土石坝，设计和施工标准不一，存在较多质量缺陷，经过长期运行，坝基和坝体出现不同程度的渗漏现象，直接影响水库运行和安全，亟需进行除险加固施工，确保水库安全可靠运行，发挥工程效益。高压旋喷灌浆技术被广泛运用于土坝结构类的水库除险加固工程，其最早于20世纪60年代末期由日本提出，从最开始的单管法先后开发出两管法、三管法和多管法等，20世纪70年代末期在中国得到迅速发展。单管高压旋喷灌浆技术是指通过旋转喷嘴，利用一定的喷射压力(一般≥20MPa)，将水泥浆液喷射而出冲击破碎土层，并与土体结合，形成凝结体，一般桩径为50-90cm。文章主要以陈源水库除险加固工程为例，对单管高压旋喷灌浆技术展开讨论[1]。

1 工程概况

陈源水库位于浦城县莲塘镇颜处村境内，坝址以上集雨面积2.25km2。主河道长2.1km，平均比降4.2%，水库枢纽工程于1978年11月动工兴建，1981年12月竣工，水库总库容231.25万m3。现灌溉面积166.7hm2，下游涉及人口0.2万，耕地面积100hm2，是一座以灌溉为主结合防洪的小(1)型水库。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水隧洞、灌溉渠道等建筑组成。工程等级为lV等，大坝等主要枢纽建筑物为4级。大坝为均质土坝，坝顶高程254.30m(假设高程，下同)，最大坝高21.5m，坝顶宽4.0m，坝顶长68m。大坝迎水坡为干砌石护坡，244.00m高程以上坡比为1∶2.0，以下坡比为1∶2.25。背水坡为草皮护坡，244.00m高程以上坡比为1∶2.0，坝脚为堆石排水棱体，棱体顶高程为244.00m，棱体顶宽1.5m，外坡比为1∶1.5。

陈源水库从1981年建成至今已运行30a，运行时发现当库水位在247.0m时，右坝肩下游坝坡就开始出现湿坡渗水，虽经过加固处理，但效果不大，未能彻底根治。经分析渗水主要原因为：①施工期右坝肩基础处理较差；②坝体上曾发现十几处白蚂蚁窝，最大蚁窝重达20kg，导致坝体填土变得松散，后虽经挖除，根据相关资料及经验，根治白蚂蚁较为困难，因此不排除还有残存蚁窝的可能；③据土工试验结果，坝体土料为砂质黏土，含砂率较大，压实度低，透水性大。上述因素均会导致坝肩部位形成渗漏通道而发生漏水，对下游坝坡的稳定产生不利的影响。根据《福建省南平市水利局关于陈源水库大坝安全鉴定的报告书》和《福建省大坝安全管理工作中心对陈源水库三类坝安全鉴定核查意见》，为确保水库运行安全，除险加固势在必行，主要内容包括大坝整修及防渗加固、输水系统及溢洪道加固等。陈源水库除险加固工程不仅可以保证下游灌溉用水，同时还可以保障下游人口、公路及部分企业等的防洪安全，具有显著的社会效益和生态效益[2]。

2 单管高压旋喷防渗墙设计

依据陈源水库地质勘察资料、大坝现有渗漏原因分析及考虑投资，结合类似工程经验，通过对大坝防渗方案进行比选，最后确定大坝防渗加固处理方式为：在坝顶以下坝体采用单管高压旋喷桩防渗墙防渗，坝基则进行帷幕灌浆处理和大坝防渗加固设计。陈源水库大坝防渗加固纵剖面图，见图1。

图1 陈源水库大坝防渗加固纵剖面图

单管高压旋喷桩防渗墙可截断大坝渗漏通道，作为与坝基帷幕的搭接段，加强坝体及坝基接触带的防渗性和稳定性，本工程全坝段长及两端长85m(桩号坝0-006-坝0+071-0+079)采用单管高压旋喷造防渗墙，单管旋喷在坝顶布置一排孔，位于坝轴线，钻孔须深至坝基线以下1m，最深处至228.5m高程，单管旋喷顶高程54.30m，孔距为0.5m，总孔数171孔，2705m,总耗灰量605.9t,平均每米耗灰量为0.224t。成桩直径≥0.65m，孔斜率≤0.8%。单管旋喷部分孔位与帷幕灌浆处钻孔同心同孔，由于帷幕灌浆返浆容易使套管卡住拔不出，堵塞孔位或者出现塌孔，因此对此部分孔位不能直接重复利用，需要重新钻孔或者进行专门的清孔。

3 高压旋喷灌浆施工参数选定

3.1 试验拟定施工参数

本工程根据《水利水电工程高压喷射灌浆技术规范》(DT/T5200-2004)及已批复的《浦城县陈源水库除险加固工程初步设计报告》，制定高压旋喷灌浆试验方案。高压旋喷施工前，须选择有代表坝区段进行试验，本工程试验桩位置选定在水库大坝坝顶右岸(以利于机械安装和操作)，试验桩初步拟定为3根，每根桩长为3m，桩距50cm，设计成桩直径≥60cm。单排布置，灌浆喷嘴直径选取2.5mm，按一序操作完成。采用重探50型高压旋喷钻机和GPB-90型三柱浆泵，自带15KW柴油发电机。参考浦城县泓兴水利水电建筑工程有限公司已完成工程高压旋喷桩及按设计取值范围、规范要求拟定3组试验桩参数。高压旋喷灌浆试验桩参数选用表，见表1。

表1 高压旋喷灌浆试验桩参数选用表

3.2 试验结果

灌浆固结(试验桩完成3d)后，对试验部位进行开挖，分层剥挖确定试验桩桩径、桩与桩之间联接是否紧密均匀等，县水利局、建设单位、监理单位、施工单位均派人员参加进行观察检查。试验桩桩体挖开后出露桩体有效直径均>65cm，灌浆范围内桩体呈现密实饱满状态，桩体成桩性较好。2011年10月29日监理单位主持召开四方鉴定会议，经设计单位、县水利局、监理单位、施工单位充分协商，考虑单管高压旋喷技术一般适用于高度在20m以下的坝(效果好)，针对对接近或>20m高的大坝应结合地质勘测试验分析。由于土层沿垂直向上的变化，自上而下锤击数总体有增大趋势，为了保证确保桩的完整性并达到桩径的设计值，本工程对高压旋喷施工参数进行细微调整。自上而下：①第1段：深度15m以内，浆液喷射压力采用22MPa，浆液比重1.45g/cm3，提升速度采用14cm/min；②第2段：深度超过15m时，逐级增加到20m深处的喷射压力24MPa，浆液比重则采用1.45g/cm3，提升速度采用13cm/min；③第3段：深度逐级增加到25.8m深处的喷射压力26MPa，浆液比重则采用1.45g/cm3，提升速度采用12cm/min；浆液水灰比为：1.5∶1-1.0∶1。

4 高压旋喷灌浆施工

4.1 施工工艺流程

本工程施工工艺流程成为：场地平整→放线定位→机具就位→钻孔至设计标高→旋喷开始→提升旋喷注浆→旋喷结束成桩→冲洗。

4.2 施工方法

1)场地清理平整作业，确保高压旋喷桩桩位处地上地下均无障碍物，用黏性土回填夯实场地低洼处，结合施工设计预先开挖排浆沟槽以处理回浆。

2)放线定位。根据施工图纸桩号采用全站仪放线定位出旋喷控制桩中心，孔位偏差≤5cm，使用钢卷尺和麻线测量桩距定位每根旋喷桩位置，并用石灰做标记，注意放线完成后需对所有喷灌孔位进行检测及校核，方可进入下一道工序。本工程第一序孔施工孔距为0.5m，第二序孔孔距为0.5m。

3)机具就位。本工程采用一台钻机施工，钻灌两用(TXV-75A型钻机)，钻机采用人力准确安置于施工部位，通过水平尺和定位测锤校准桩机，确保钻杆垂直对准引孔预埋管，且倾斜率≤0.8%，钻机底座垫厚木板以保证钻机平稳。

4)钻孔。钻机对准孔位旋转钻进，用水平尺掌握机身水平，确保孔深、孔向、孔位符合设计要求，力求孔径上下均一、孔壁平顺，对孔位倾斜及时纠正。插管作业与钻孔作业同步，插管过程中高压水喷嘴边射水以避免泥砂堵塞喷嘴，水压力≤1MPa，本工程钻孔深度为坝基线以下1m，最深处至228.5m高程，至设计标高后停止钻进。

5)浆液制备。浆液配制严格按前文高压旋喷桩试验确定的施工参数，浆液密度为1.45g/cm3。施工前一小时制备浆液，往拌和机中加入水再加水泥，喷浆前确保持续搅拌，喷浆时浆液先经过滤筛过滤才会从灰浆拌和机进入集料斗，水泥浆通过胶管送到旋转振动钻机的喷管内，最后射出。

6)旋喷灌浆。喷射灌浆前检查施工设备，核验高压设备压力、排量等，待喷射管下降到预定深度，依次送水、气、浆，首次喷射时间一般为1-3min，待浆液冒出孔口开始以文章3.2节中试验结果拟定浆液比重、喷射压力、提升速度提升喷射管，边喷射边反向匀速旋转，当喷射至距桩顶1m时放慢提升速度，浆液高度达到设计要求后将喷管拔出。孔口返出浆液即停止喷浆，注意若旋喷过程出现故障立即停止喷射，防止旋喷桩桩体中断，排除故障后复喷且复喷孔段与前段搭接长度>1m，防止固结体脱节。

7)冲洗。喷射施工结束后，注浆泵吸水口插入清水中以吸入清水顶出管内剩余浆液，防止浆液在管内凝结堵塞，泥浆泵、注浆管和软管内浆液均需排出，保证下一次喷射质量[3]。

4.3 施工注意事项

4.3.1 浆液制备注意事项

浆液质量直接决定了高压旋喷防渗墙的质量，必须严格把控。浆液制备主要材料为水泥，本工程均采用浙江红火集团生产的强度等级为42.5 R及42.5R“虎球牌”普通硅酸盐水泥；每批次水泥不仅要有质量合格证，还需有国家认可的质检部门检测报告，全部水泥经南平建通工程检测有限公司试验室检测其性能，各项指标均要符合规范要求，本工程使用的水泥质量全部合格。业主单位与水利主管部门出台关于大坝高压旋喷灌浆超水泥用量补助办法，若超定额10%以上的水泥用量按现场签证予以补助，该举措可消除施工企业因水泥超用量影响效益的顾虑，有效防止偷工减料问题。

4.3.2 钻孔注意事项

1)孔向。钻孔位置应严格放样，钻机水平位置反复调整且安装牢固平稳，钻机立轴和孔口管的方向与设计孔向一致。持续从互相垂直的两个方向观测垂直度，及时调整偏差，轻压慢钻，确保钻杆钻进方向始终垂直于平面，本工程要求孔斜控制在0.8%以内。

2)孔序及孔径。严格按照分序加密原则钻进，钻孔开位位置与设计要求位置的偏差应控制在10cm以内。

3)孔深。钻到坝体基岩交界面时应测量钻孔深度是否与设计相符，若没达到设计值，可能是遇到小块石，应继续钻，若达到设计值，是已到基岩的顶层板，继续钻≥10min，确保下步对坝体与基岩的交界面的孔隙灌浆防渗效果。孔深的允许偏差在25cm以内。

4)孔壁。选用亲水性好、分散性高、稳定性、黏着性及可塑性强的当地优质黏土和膨润土制作护壁泥浆，有效防止钻孔坍塌。

4.3.3 灌浆注意事项

1)旋喷桩施工时，水库应控制水位不得高于死水位242.0m高程。

2)施工喷射时，先应达到预定的喷射压力，正常回浆后再逐渐提升注浆管。

3)不返浆出现的原因有很多种，如孔洞、裂隙、碎石或地层松散吃浆量过大等，应观察大坝上下游面情况，及时采取处理措施。若是地层地质原因，可停止提升喷杆，进行多次原位复灌，以保持继续灌浆；若是少量返浆，应适当降低提升速度、喷射压力和流量，必要时还可增加浆液密度或在浆液中掺入速凝剂或灌灌停停，直到正常回浆方可提升，保证足够的不透水性和较高的渗透稳定性，能够抵抗渗透水作用的破坏。

4)串浆处理：灌浆过程中发现串浆时，宜采用下述方法处理：①如被串孔正在钻进，应立即停钻；②串浆量≤1L/min时，可在被串孔内通入水流；③串浆量较大，尽可能与被串孔同时灌注，但应注意控制灌浆压力，防止岩体抬动，当无条件同时灌注时，应封堵被串孔，对灌浆孔继续灌注，直至灌浆结束，或直接跳过被串孔，待凝固期后再进行灌注。

5)灌浆至坝基交界面时应确保有正常回浆，否则不能提升高度，且应保证高度回到1m后返回交界面再重复提升，更换钻杆时也应下降0.5m重复灌浆，提高固结体整体性。

6)浆液的析水特性会使其在与水土搅拌混合后产生一定收缩，进而导致少数桩顶部出现凹穴，遇到该情况时，可在旋喷桩施工完毕后凿去一部分将固结体顶部，并用混凝土填补凹穴部位。

5 防渗加固效果分析

5.1 施工质量检查

5.1.1 开挖检查

陈源水库单管高压旋喷防渗墙在成墙28d后开挖检查成墙质量，开挖检查点沿墙轴线布设2处，每处开挖长2-3m，深2-3m，主要检查墙体的均匀性和完整性、墙段连接和墙厚、固结体垂直度、形状的质量。经过开挖检查，陈源水库高压旋喷防渗墙墙体连续性和完整性较好，墙体成型规则，同一深度上墙体厚度均匀，符合设计要求[4]。

5.1.2 钻孔取芯检查

陈源水库单管高压旋喷防渗墙在成墙28d后钻孔取芯检查，取芯检查点沿墙轴线随机抽布设3个，业主委托第三方检测机构进行检测，利用钻孔做注水试验，并取芯样做室内试验检测抗压强度、渗透系数等物理力学性能指标，本工程送检0+029-0+029.5桩、0+011-0+011.5桩及0+053-0+053.5桩芯样试件。高压旋喷桩芯样试件抗压强度及渗透系数检测结果，见表2。

表2 高压旋喷桩芯样试件抗压强度及渗透系数检测结果

续表2 高压旋喷桩芯样试件抗压强度及渗透系数检测结果

由表2可知，陈源水库高压旋喷防渗墙送检桩芯样试件的抗压强度均>2.0Mpa，满足设计要求。大坝高压旋喷处理前，从坝体填方段钻孔注水试验资料分析，其渗透系数为4.60×10-47-3.20×10-5cm/s，属弱透水-中等透水；高压旋喷灌浆处理后，送检桩芯样试件渗透系数为4.40×10-7-6.18×10-7cm/s，满足K≤1×10-6cm/s，渗透系数极大减小，防渗效果显著提高。2011年11月，陈源水库大坝防渗加固工程中高压旋喷桩经监理单位进行质量评定，质量等级为优良。

5.2 目测效果分析

陈源水库除险加固工程实施后，水库已正常蓄水，坝体和坝基均未发现异常运行情况。大坝经单管高压旋喷防渗墙处理后，通过现场观察，坝坡、坝脚均无水渗出，高水位时下游坝坡也无湿坡现象，具有良好防渗效果，大坝安全指数较大程度提升，增加了下游居民的安全感，提高了水库灌溉、供水、防洪效益，改善了保护区内的经济建设和生活环境。

6 结 语

陈源水库大坝坝体采用单管高压旋喷桩防渗墙进行处理，施工简便、灵活，机具振动小、噪音低。施工完成后质量检测方便，工程完工后水库库区整洁，坝面焕然一新，投入运行至今，坝坡和坝脚未出现湿坡渗水现象，防渗性能良好。工程完工后一方面可以恢复水库原有的设计功能，发挥工程的综合效益，另一重要方面可正常发挥防洪效益，对确保下游防洪安全有着重要的作用，国民经济指标较好，社会效益显著。工程实例证明单管高压旋喷灌浆技术应该在水库除险加固工程中被广泛应用。