厚覆盖层土石围堰组合防渗施工技术研究

王 鹏，钱诗饶，周 闽

(1.中建五局土木工程有限公司，湖南 长沙 410021；2.江苏科兴项目管理有限公司，江苏 南京 210029)

0 前 言

在水利水电工程建设过程中，围堰防渗的施工技术和质量一直占据着重要地位。已有工程实践表明，复杂地质条件下的围堰防渗质量已成为影响工程建设效益的关键。厚覆盖层是航电枢纽工程中较为常见的一种地层，具有空隙率大、透水性强，易造成流土、管涌等现象，在厚覆盖层上进行围堰防渗施工的质量控制难度大，防渗效果常难满足设计要求。

目前，学者们在围堰防渗方案设计和施工方面进行了一些研究，如李荣清[1]研究了漂卵石层中高压摆喷灌浆防渗施工技术；王军平[2]论述了冬季卵砾石围堰旋喷的施工方法；黄勇等[3]介绍了复杂地质条件下导流洞进出口围堰双液注浆及大坝上、下游围堰塑性混凝土防渗墙施工流程、关键施工参数和处理措施；欧阳小平等[4]对防渗墙成槽工艺和基岩裂隙海蚀沟槽发育重难点部位的处理措施、塑性混凝土的配比进行了研究；吴栋等[5]研究了汛期高压旋喷墙防渗施工技术及质量控制措施；黄德平[6]提出了黏土心墙防渗和砂砾石覆盖层帷幕灌浆施工方法；徐勇等[7]介绍了双江口水电站大坝的上、下游围堰防渗墙导墙下部覆盖层加固、巨漂孤石、倒悬体、超高陡坡地层的施工技术；徐泽等[8]在常规围堰施工技术的基础上，研究并优化了高土石围堰的施工工序；张宗刚等[9]研究了一种以快速钻孔技术、悬挂式防渗、石粉与水泥的混合浆液及静压控制注浆为主要技术的综合防渗灌浆技术；程丙权等[10]对深基坑围堰防渗工程进行了非洲某扩机工程项目的设计与施工。

分析表明，虽然现有研究成果对围堰防渗处理产生了积极意义，一些工程施工技术在适宜的工况下取得了较好的工程效果；然而，针对堰基为厚覆盖层、采用高喷灌浆+黏土心墙防渗等问题开展的施工技术和效果评价等方面的研究成果尚难满足工程实践需要。

1 工程概况

井冈山航电枢纽工程地处赣江中游河段，江西省吉安市境内，根据该工程的开发任务和功能要求，枢纽主要由通航建筑物、挡水建筑物、泄水建筑物、电站厂房和鱼道等组成。工程完成的防渗施工项目主要有一期的四个围堰防渗处理和二期的两个围堰防渗处理等。围堰主要由石碴、砂石料、块石、黏土等材料填筑而成，其上游顶标高69 m、下游顶标高68.0 m、顶宽度为7 m。

井冈山航电枢纽工程坝址河谷宽而浅，主河道位于河床中部略偏左岸，两岸岸坡平缓，其中左岸稍陡，河谷形态略显不对称。河谷为“U”型宽谷，坝轴线处河谷谷底宽约700 m，地面高程55.3～60.5 m，初拟正常蓄水位67.5 m，河床覆盖层厚度4.6～8.4 m，河床基岩面高程50.4～52.6 m。

本工程覆盖层砂砾石夹砾砂层厚度大，透水性强，为改善围堰防渗施工效果，施工时采用了厚覆盖层土石围堰组合防渗施工技术。

2 围堰设计及施工工艺流程

2.1 围堰结构设计

项目围堰位于左岸侧边滩，地面高程为55.0～61.0 m，覆盖层砂砾石夹砾砂层厚度约4.4～6.6 m，砂砾石均一性差、结构松散、透水性强；基岩面高程为51.6～52.7 m，下伏基岩岩体透水率小于10 Lu。

围堰型式为土石围堰，堰体填料为河床砂卵石，围堰防渗采用高喷灌浆与黏土心墙组合防渗，其中高喷灌浆防渗的底部进入弱风化岩约0.5 m，上部伸入黏土心墙1 m，最大高度约11 m；低水围堰以上采用黏土心墙防渗。围堰顶宽5 m，迎水面边坡坡比1∶2，背水面边坡坡比1∶1.5。考虑围堰的安全超高和风浪高，确定围堰顶高程68.0 m，最大堰高约13 m。围堰全长979 m，其中50 m为下游岸坡防渗轴线延长。

本工程围堰平面布置及结构剖面见图1。

图1 围堰平面布置及结构剖面

2.2 围堰施工工艺流程

围堰工程的施工工艺流程如图2所示。

图2 围堰施工工艺流程图

3 围堰组合防渗施工

由于围堰及河床覆盖层均为砂卵石，渗透系数过大，为提升防渗效果，在围堰及河床覆盖层采用高喷灌浆防渗，在围堰填筑体内部设置黏土心墙。

3.1 高喷灌浆防渗施工

3.1.1 高喷灌浆防渗施工工艺

围堰高喷灌浆采用二重管高压旋喷分序进行，灌浆孔单排设置，孔距1.0 m，孔深9～11 m，共布孔980个。钻、喷流水作业，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，先导孔应最先施工，高喷墙的合龙段应选择在地层条件相对较好的部位。其施工工艺流程如图3所示。

图3 高喷灌浆防渗施工工艺流程图

3.1.2 高喷灌浆防渗质量控制指标

1)防渗技术指标。墙厚不小于30 cm，抗压强度R28≥4.0 MPa，墙体渗透系数K≤1×10-5cm/s，墙体允许渗透坡降J≥80。

2)施工技术要求。①高喷灌浆钻孔孔径应大于喷射管外径2 cm以上，孔位偏差≤50 mm；②钻孔垂直度偏差值：≤1%；③水泥用量400～500 kg/m，水泥浆液的水灰比为1.5∶1～0.6∶1；④压力控制：气压不小于0.7 MPa，气体流量3.2 m3/min，水泥浆压力25～40 MPa，旋喷提升速度初拟为8～15 cm/min。

3.2 防渗黏土心墙施工

低水围堰以上部分堰体采用黏土心墙防渗，在进行黏土心墙填筑前，须对高喷灌浆顶面浮浆进行清理，并对先前填筑的1 m厚下层黏土心墙进行刨毛处理，以使上、下黏土心墙有效搭接。

黏土心墙填筑与堰体加高增厚同步上升，黏土从左岸土料场取料，采用1.6～2 m3挖机挖装、15～25 t自卸汽车运料上堰，TY320推土机分层摊铺、每层摊铺厚度为30～50 cm，然后用YZ-16振动碾静压压实，压实度不小于90%。

4 围堰组合防渗施工质量控制要点

4.1 施工质量控制要点

1)根据施工控制点，进行现场测量放点。沿防渗墙轴线定孔位，将每个高喷孔的孔位都测放出来，并用红油漆注明其桩号、孔号等。

2)灌浆施工钻机根据布设的孔位，先进行施工导孔，采用顶驱跟管钻机钻进，下设PVC花管护壁，起拔套管成孔。终孔深度应至设计高度，终孔前应及时报告现场技术人员，并由相关负责人员签字后方可终孔。孔径应满足设计要求，保证不塌孔。

3)灌浆施工时，应将喷射架对准孔位，在地面上试喷后下管至设计深度，调整喷射方向，送入所要求的浆液和风，静喷2～4 min，以保证高喷墙体与基岩的有效结合，然后起动旋喷台车，旋转喷杆；待孔口返浆比重大于1.3时即可边旋喷边提升，直到地表为止。喷射完毕，及时对已喷孔进行充填注浆，直至孔口浆液不再下沉。整个施工过程应以旋喷机为主，其他人员和设备密切配合，服从指挥和调遣。

4)为了使围堰防渗高喷灌浆与黏土心墙有效搭接，在高喷灌浆施工前，对低水围堰先进行加高1 m(按先两侧填筑砂卵石料，再中间填筑约5 m宽黏土心墙施工)，然后再进行围堰高喷灌浆施工。

5)黏土心墙填筑施工时，应确保黏土中黏粒含量、黏土含水率、压实度等指标满足设计要求

4.2 特殊工程问题处理

4.2.1 喷射灌浆施工过程中特殊情况的处理

在喷射灌浆过程中，会遇到一些特殊情况，主要有喷射灌浆中断、漏浆和不返浆、作业故障等现象，应分别采取措施进行处理。

1)喷射灌浆中断的处理：①灌浆中断时间不超过30 min，恢复后，可重新进行喷射灌浆，搭接长度不少于50 cm；②灌浆中断时间超过30 min，应将喷管取出清洗，重新造孔后，再喷射灌浆，钻孔搭接长度不少于50 cm。

2)漏浆的处理。在高喷过程中，由于地层松散及高喷工艺本身要求不返浆不提升，水泥耗量大，经常出现相邻孔串浆甚至邻近多孔串浆，漏浆和不返浆，在漏浆和不返浆段应进行静喷的处理方法，同时采用加浓浆液、孔口注浆、孔内填砂或碎石，待孔口返浆后再提升喷具。

3)冒浆过大的处理。冒浆过大是由于喷射范围与注浆量不相适应造成的，应采取提高喷射压力，适当缩小喷嘴直径，提升速度适当加快。

4)对返浆不正常的孔，考虑几种情况：①不返浆，采取如下步骤：停提静喷→降低浆压，保持风压，进浆量不变，孔口掺砂、掺水玻璃、在水泥浆中掺粉煤灰(30%)→把防喷管埋住，可采用间隔提升的办法，待返浆后将风浆等参数调整至正常值，然后按设计施工。②本孔不返浆而邻孔返浆时，参数不变，正常提升。

5)操作事故的处理。喷孔过程中易出现卡、埋喷管、浆嘴堵塞、浆嘴磨损、浆管堵塞等故障。由于地层松散串浆严重，施工时，Ⅰ孔返浆不正常，Ⅱ孔返浆正常。对于返浆正常的孔，浆压、风压不变的前提下，进浆量可减少，但不低于60 L/min。

6)进浆比重与其他参数不变时，当返浆比重小于1.2时，着重检查进浆量是否正常，并考虑地层可能有通道，采取加大进浆浆液比重、间隔提升等办法予以解决。

7)浆压与浆嘴直径有很大关系，使用同样的泵，将浆嘴变小，浆压会增大，但有可能喷出的不是浆流而是浆雾，切割能力大大降低，不同泵配不同浆嘴。浆嘴在喷射一段时间后，口径会磨大，每次开喷前须检查浆嘴并试喷，并观察浆射流是否同一平面，射程远近。

8)浆液比重要求1.4～1.5，为避免浆液比重变化影响灌浆质量，宜设置储浆设备。

9)埋管喷射不旋转时，可用滑轮或千斤顶辅助提升，但不能在死角边线喷射。

10)事故孔处理：按重新扫孔或侧边补孔重喷。

4.2.2 对围堰合龙部位的特别处理

由于在合龙部位难免填筑大孤石，以实现及时的合龙，采用常规高喷灌浆难以达到要求，故应进行特别处理。按施工经验，应采用控制性灌浆技术进行施工处理，以达到高效经济的目的。

1)确保成孔率。根据填筑体、地层的水文地质与工程地质条件和设计要求，采取相应的成孔工艺钻进成孔。遇架空掉钻情况时，采先用级配碎石、织物、充填并注浆和模袋灌浆等形式进行处理，然后在适时进行下伏地层的钻进。

2)控制浆液固化时间。浆液配合比应具备早强、速凝稳定浆液的特点，使注浆待凝时间大大缩短，从而使钻孔→灌浆→待凝→钻孔的循环周期缩短，以达到提高工效的目的。

5 工程应用效果

该施工技术中，在低水围堰部分采用高喷灌浆防渗，防渗墙底部嵌入弱风化岩约0.5 m，通过防渗墙底部与下伏基岩的封闭作用，在有效阻挡河水向围堰内基坑渗透的同时，降低了施工成本，增强了围堰结构的稳定性；同时高喷灌浆防渗墙上部伸入黏土心墙1 m，与低水围堰以上部分堰体形成有效搭接，优化了黏土心墙的受力性状。工程应用表明，工程中采用高喷灌浆与黏土心墙组合防渗技术，不但可以增强围堰防渗效果，而且降低了后期围堰拆除施工难度，节省现场施工费用，经济效益显著。

从应用效果看，该施工技术降低了围堰工程对基础承载能力的要求，提升了围堰结构的稳定性和抗渗性能，可节省基础处理费用约15%；另外该施工技术可提升工程实施过程中的质量管理水平，降低工程的建设风险，保证工程按期完工，对提高工程施工质量、防止施工过程中质量事故的发生、降低施工对周边环境的影响具有积极意义。

6 结 论

基于井冈山航电枢纽工程中厚覆盖层土石堰基的地质特点，从围堰防渗效果提升、围堰稳定性增强角度出发，结合堰基地质特点，提出了一种高喷灌浆与黏土心墙相组合的厚覆盖层土石围堰组合防渗施工技术，并对厚覆盖层土石围堰组合防渗施工技术的施工过程、施工质量控制要点及特殊工程问题处理进行了系统分析，结合该技术的现场应用效果，论证了研究技术的合理性和工程可实施性，阐明了研究技术的工程应用价值。

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