高压旋喷桩在土石坝除险加固中的应用

任文峰

(华城建设集团有限公司，福建 泉州 362011)

1 工程概况

某水库为小(2)型水库，位于福建省南部剥蚀丘陵地区，水库规划为灌溉水库，现作水产养殖，由于下游无居民区，水库不作防洪功能。大坝为重力坝，填筑土为周边开挖的残积黏性土碾压而成，坝基为强风化花岗岩。坝坡为3级缓坡，破底构筑埋石排水棱体，上游坡原为干砌块石，经加固为水泥砂浆勾缝。水库最大坝高17.5m，水库总库容10.89万m3。

根据例行的大坝安全鉴定，大坝安全综合评价中，渗流安全评价为C等级，不满足现行规范的防渗要求，经过组织专家进行论证，最终将水库评定为三类坝，水库纳入水利部门应急除险计划。

2 除险加固设计方案

本次着重需要对坝体稳定性和抗渗性进行复核计算。坝体渗流稳定复核中，土的渗透允许坡降可参考下式计算。

(1)

式中：γs为土粒密度；γw为水密度；n为土的孔隙率(n=0.447)；KB为流土安全系数(KB=1.5)。

经过渗流理论计算，J允许=0.63，坝体各工况出逸水力比降J

大坝防渗加固的主要设计如下：在坝顶桩号B0+000-B0+075.35沿坝轴线布设钻孔，旋喷桩顶高程为595.3m，底部进入强风化岩0.5m。间距0.4-0.5m(桩号0+000-B0+009.5及桩号B0+064-B0+075.35，间距为0.5m，共46孔，钻孔总进尺653.58m，灌浆长度349.8m；桩号B0+009.5-B0+064，间距为0.4m，共131孔)分两序施工。共钻孔177孔，钻孔总进尺2033.48m，成桩总长1891.88m，设计横断面和纵断面分别如图1和图2所示。

图1 水库大坝高压旋喷桩防渗加固横断面图

图2 水库大坝高压旋喷桩防渗加固纵断面图

3 固施工方法

3.1 施工参数确定

施工参数控制着施工的质量，关键的施工参数是保证工程安全、有序、高质量实施的要素，并能够给设计、工程造价等分项提供重要依据。高压旋喷桩的施工参数主要是根据数值计算、现场试验以及技术人员的经验总结出来的，内容主要是：旋喷混凝土浆体的注浆压力、注浆口孔径和形状、喷口数量、注浆管旋转速度和竖向提升速度等。工程中，填筑土为残积黏性土，含水量20%-30%，根据室内试验、试桩结果，主要施工参数为注浆管竖向提升速度0.2-0.5m/min、喷射口3个、旋转速度18-25r/min、注浆压力22-25MPa。桩体强度与注浆管提升速度成反比，桩径与注浆压力成正比[1]。

3.2 施工准备

为准确确定各类加固参数，在土石坝除险加固前应详尽了解本项目的地形、土体和水文地质状况，工程区域范围内不良地质条件、裂隙、破碎带、断层等现象。在渗漏部位开展钻孔勘察或者物探勘察，查明大坝内部土质均匀性及密实度、空洞、地下水位和地下水含量和基岩构造情况等，以便为其设计与施工提供基础资料。并且要做出严格的注压水试验，为除险加固提供精准资料[2]。

3.3 选喷设备及材料

主要用到的设备是：水泵、发电机、供浆设备、高压旋喷机等，道路交通良好的条件下可才用商品混凝土，道路交通较差的条件下宜采用搅拌机，特别条件采用人工搅拌。

注浆材料采用425号的硅酸盐水泥，添加粉煤灰提高高压旋喷桩的抗渗系数，骨料采用河沙，并适当添加外加剂。高压旋喷桩主要作用是在坝体形成一堵防渗墙，起到上下游隔水的作用，因此桩体完整性、抗渗性能是工程质量控制的关键。原材料的质量控制要求严格，需要定期进行安全检查和质量试验[3]。

3.4 工艺流程

高压旋喷注浆法的施工工艺流程，如图3所示，主要包括以下几个步骤：

图3 高压旋喷桩加固坝体施工工艺流程

1)钻机就位：

钻机平稳放置并固定，由于防渗墙是高压旋喷桩体连续而成的，对桩体位置要求较高，钻头需要严格一准设计孔中心点位，为防止钻孔倾斜，钻杆角度偏差不超过1.5%。

2)钻孔：

钻孔要求垂直度不超过1.5%，孔深要达到相对隔水层以下0.5m。

3)插管喷浆：

当钻孔深度达到设计位置时，即可进行旋喷灌浆施工，应注意严格控制设计的施工参数，并及时采集旋喷基础数据并进行记录。

4)冲洗：

当旋转式喷管被完全抬高至安装设计标高顶部时，将旋喷管按每个喷射节点逐节地进行拆卸，并清洁干净，以彻底防止喷射浆液在旋喷管内快速凝聚而造成堵塞。

4 施工注意事项

喷浆施工中，可能会随时发生塌孔、漏水、冒浆、串孔等突发问题，从而可能导致喷浆压力突然下降或压力骤增等，必须及时地查明原因，及时对其进行解决，确保其喷浆施工的正常进度和施工质量。下面结合本工程施工经验，提出一些施工注意事项。

4.1 钻孔

施工中要严格控制钻孔斜度，若斜度过大，易造成旋喷桩底部开叉，交叉部分减弱或缺失，从而造成后期渗漏。塌孔是在孔形成后，由于钻井土层含有较多砂或砾石，此时可增加泥浆的浓度，或向泥浆中添加膨胀土，也可根据需要使用套管保护方法。

4.2 喷浆

施工前需要进行高喷灌浆试验，以根据不同地层所形成的桩径来确定高喷灌浆的孔距及排数。水泥用量应进行现场试验确定。另外在设计方案的选取时必须进行经济考虑，选出最佳的设计方案。

4.3 漏浆

漏浆主要体现于钻孔或者灌浆过程中，难以将孔中灌满或浆体渗出，原因可能是填筑土孔隙率较高或钻孔经过大坝渗漏点致使浆体渗出等。解决方法为：适当增加浆体浓度；浆体添加树脂、水玻璃等止水材料；添加细沙堵住孔隙；降低注浆管的提升速度，提高注浆量等。

5 施工效果检测及分析

5.1 检测基本要求

1)高压旋喷桩的复合地基承载力，采用载荷试验进行检测，要求≥150kPa。

2)抗压强度采用对检测桩进行取芯，室内试验检测桩身的强度，要求抗压强度≥1.2MPa。承载力和抗压强度不是高压旋喷桩在大坝防渗加固的主要设计指标，但仍需具备足够的强度以抵抗上下游较大水位差引起的静水压力。

3)渗透系数是防渗加固的主要设计参数，桩体要起到隔水作用，就需要渗透系数足够低。渗透系数是对检测桩取芯进行渗透试验测得，要求<1.0×10-6cm/s。

5.2 检测结果

复合地基承载力检测随机选取进行载荷试验，桩号分别为11#和37#桩。取芯检测桩为4根，并现场进行桩身完整性和注水试验检测，桩号分别为17#、23#、29#和37#。

1)复合地基承载力特征值分别为11#检测桩：175kPa和37#检测桩161kPa，能够满足设计要求。

2)根据取芯结果，I类桩为2根，II类桩为2根，各占检测桩数的50%。检测桩的成桩质量均较好，检测桩长与设计桩长相当。

3)根据现场的注水试验结果，每根检测桩进行3段注水，其渗透系数试验值处于5.73×10-7-2.22×10-7cm/s，平均值为1.27×10-7cm/s，可以满足设计要求。

4)检测桩芯样抗压强度为2.0-2.9 MPa，渗透系数为1.12×10-7-9.11×10-7cm/s，可以满足设计要求。

6 结 语

通过对福建某小型水库的坝体采用高压旋喷加固技术进行除险处理，根据检测结果及后期水库运行表现，该坝体加固后运行正常，原坝体在坝底位置存在的渗漏完全消失，其它位置未见湿坡、渗漏等异常。工程实践表明，高压旋喷桩可以有效解决土石坝的渗漏问题，防渗处理效果较为理想。