防渗墙技术和粘土水泥膏浆灌浆技术在土石坝防渗加固处理中的对比研究

2021-11-26贺茉莉郭泽洋赵铁军杨东升

湖南水利水电 2021年5期

贺茉莉，郭泽洋，赵铁军，杨东升

（湖南宏禹工程集团有限公司，湖南长沙 410007）

据大坝委员会2011 年的统计，全球已有10 多万座大坝工程用于水资源的开发和利用[1]。在我国千余座病险水库的加固工程中，有超过1/3 的土石坝采取了防渗墙施工工艺[2]；但同时，由于施工工艺的原因，地下防渗墙施工也带来了诸多问题，对周围环境带来不利的影响甚至增加了工程施工的成本[3]。随着坝体防渗技术的不断发展，粘土水泥膏浆灌浆技术逐渐发展成熟[4]，通过在水泥浆液中加入粘土材料和改性剂而形成，能够广泛应用于土木工程和水利工程的防渗加固中[5]。在托口水电站[6]、南水北调中线总干渠鹤壁段生态帷幕灌浆工程[7]、江西宜丰新庄竖井帷幕灌浆处理工程[8]、湖南常德石灰矿强岩溶地区帷幕灌浆处理工程[8]、珠海竹银坝体防渗加固工程等诸多工程中得到了广泛的应用，取得了不同程度的防渗效果，有效地消除了工程的安全隐患。

本文结合防渗墙灌浆技术和粘土水泥膏浆脉动灌浆技术，对两种防渗工艺的特点进行分析总结，为今后相关领域的施工提供借鉴和参考。

1 防渗机理研究

防渗墙是利用挖槽机械，在泥浆护壁保证挖槽不垮塌的条件下，在地基或坝体中挖掘槽形孔或连锁桩柱孔，通过浇筑混凝土从而筑成一道连续的具有防渗功能的地下连续墙。从防渗墙诞生到现在，计算方法、施工机具、施工工艺也逐步成熟，防渗墙的结构形式也从最初的薄壁式逐步发展到了T 形、П 形、圆形、∞形、格栅形等各种形式的防渗墙形式，如图1 所示，受力更加合理，能够有效满足不同工程的需要[9]。

图1 防渗墙结构形式

脉动灌浆工艺，采用全液压无级调速灌浆泵，借助脉动压力促使浆液通过灌浆头灌注，浆液扩散范围能够有效控制且均匀扩散充填透水孔隙，从而在松散透水地层内快速形成防渗效果较好的连续帷幕体。通过一次性成孔、自下而上分段、限量灌浆，形成竖直方向上的阻水幕体，如图2 所示。

图2 脉动膏浆灌浆机理

2 施工特点对比

2.1 防渗墙施工工艺流程

2.1.1 施工工艺流程

防渗墙施工工艺流程如图3 所示。

图3 防渗墙施工工艺流程

2.1.2 施工操作要点

1）施工平台及导墙施工。为便于造孔、清渣、混凝土浇筑和交通，在施工之前需要首先对施工平台进行施工，包括开挖坝顶土体达到作业平台的宽度要求，平台作业宽度一般不小于8 m，地基承载力不小于120 kN/m2。同时需要进行导墙施工，其目的是：作为测量的基准、作为重物的支撑、维持稳定液面。

2）泥浆站、泥浆池的修建。防渗墙施工中，为保证槽孔的稳定，需要设置泥浆站和泥浆池供应泥浆，泥浆在造孔成槽过程中起固壁、悬浮、携渣、冷却钻具和润滑的作用，成墙后还可增加墙体的抗渗性能。泥浆站的作用是保证槽孔中有足够的优质泥浆以保证槽孔的安全和稳定。泥浆池的作用是将成槽用的废弃泥浆进行沉淀，然后排出。

3）槽孔施工。槽孔施工设备主要有冲击钻、旋挖钻、抓斗、铣槽等成槽机械，成槽工艺一般用钻劈法、钻抓法、抓取法、铣削法等工艺，土层部分采用液压抓斗机抓斗成槽，基岩面后采用冲击钻冲成槽。

4）混凝土（塑性混凝土）浇筑。防渗墙浇筑一般为泥浆下的混凝土浇筑，浇筑过程中要一气呵成，浇筑要控制在一定时间内完成，浇筑间隔控制在15 min 左右。浇筑过程中浇筑导管要匀速提升。

5）防渗墙接头处理。防渗墙连接处的接缝是墙体最容易发生渗漏的位置，针对具体的施工工艺选择合理的接头形式是防渗墙施工的重中之重。传统的防渗墙接头有直接连接接头、接头管（箱）接头，新型接头有“王字”接头、双管接头管接头、公母刚性接头等[9]。

2.2 脉动膏浆施工工艺流程

2.2.1 施工工艺流程

脉动膏浆施工工艺流程如图4 所示。

图4 脉动膏浆施工工艺流程

2.2.2 施工操作要点

1）先导孔施工。为了使本工程处理具有针对性，抓住重点、难点、薄弱点部位，进一步优化设计，需要利用先导孔来进行补充地质勘察工作，通过先导孔取芯、压水试验、注水试验、地下水位观测、室内土工试验等，进一步查明工程区岩、土体的工程地质与水文地质特性，为设计可控灌浆的范围、深度、施工工艺、灌浆参数等提供依据。

2）钻孔施工。采用全站仪逐孔定好孔位，要求开孔位置与设计位置偏差不大于5 cm。

孔位确定无误后，将钻机移至核定的孔位上，采用外红线测量仪对立轴、机架、机座进行校正，配备好钻具，保证钻孔开孔角度符合设计要求。

采用HGY-200C 型地质钻机钻进，开孔直径为Φ110～130 mm，坝体孔径一般不小于91 mm，坝基岩石不小于56 mm。

钻孔以深入相对不透水层不小于1.0 m 为原则。

3）灌浆施工。严格按照Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔的灌浆顺序进行灌浆作业。

灌浆深度按设计孔深控制，灌浆时将注浆管下入孔底，每灌段按0.5 m 逐步上提灌浆管，自下而上灌浆至灌浆顶部。坝体与坝基接触段单独分段灌浆，以2～3 m 一段。材料配比及灌浆参数如表1 和表2 所示。

表1 材料配比表

表2 各序孔灌浆参数参考值

控制提升标准：当达到以下条件之一，结束本段灌浆，提升灌浆管灌注下一段：

●当孔口压力表达到设计压力下限，单位注入量达到最大注浆量时，进行下一段注浆。

●当孔口压力表达到设计压力上限，单位注入量达到最小注浆量时，进行下一段注浆。

●当单位注入量达300 L/m 而未达到设计压力下限时，进行下一段注浆。

3 常见事故及处理

3.1 防渗墙施工技术

混凝土防渗墙在施工过程中常出现的事故类型包括：槽壁坍塌、漏浆和断墙，其事故原因和处理措施如下：

1）槽壁坍塌。造成槽壁坍塌的原因有槽壁土体不密实、地面载荷过大、地下水位和护壁泥浆质量的影响。

出现槽口槽壁坍塌问题，需要将开槽设备移开并拆除已浇筑的导墙，回填并加固孔口土体后重新开挖建造槽孔。对于孔内导墙发生坍塌时，要将孔内坍塌物掏出后浇筑回填，然后重新造孔，也可在坍塌的孔槽内加入水泥和水玻璃等材料，在浆体凝固后重新开槽。

2）漏浆。造成孔内漏浆的原因包括地层松散透水和泥浆质量差，出现类似问题时应加大泥浆的浓度和稠度，停止泥浆循环。

3）断墙。断墙事故的主要原因包括浇筑时导管提升太快或设备停电造成浇筑中断。为避免类似事故的发生，浇筑时导管应缓慢匀速提升，且保证施工现场有施工用的备用电源。如果发生类似事故，应停止继续浇筑，凿除已浇混凝土并清孔重新浇筑。

3.2 脉动膏浆灌浆技术

脉动膏浆灌浆在施工过程中常见的事故类型包括：注浆管断裂和注浆管埋管，其事故原因和处理措施如下：

1）注浆管断裂。造成注浆管断裂的主要原因有注浆管材质、注浆管丝扣类型和钻井液类型，对于以上问题，可以选择相应措施避免事故的发生：

●选择材质较好、管壁较厚的注浆管，一方面可以避免断管事故，另一方面可以延长注浆管的使用寿命。

●选择粗牙梯形丝扣或波纹丝扣，避免使用细牙的三角形丝扣。

●优质的钻井液可以有效携出岩粉，减小对注浆管的磨损，避免断管事故的发生。

2）注浆管埋管。造成注浆管埋管的原因主要是钻井液不能有效携带岩粉/泥粉到地面，在孔底形成沉积，灌浆过程中在压力作用下形成固结。对于埋管事故，可选择以下措施避免事故发生：

●使用优质膨润土钻井液钻孔，携带孔内岩粉/泥粉到孔口。

●基岩段灌浆过程中，控制灌浆量、灌浆压力和灌浆时间，勤拔管、低压力、多观察，进行全方位控制。

4 工艺对比

防渗墙施工时，一般采用大型的双轮铣、液压抓斗、冲击钻机等大型设备，为满足现场施工，需要开挖降低坝顶高程，扩大施工场地的范围。脉动灌浆施工时，需要普通地质钻机钻孔，并配套膏浆灌浆设备即可完成施工。如表3 所示，是两种施工工艺特点的比较。

表3 施工工艺特点比较

防渗墙施工前需要先进行导向槽施工，导向槽施工如果处理不当容易出现槽壁坍塌的问题，在防渗墙施工过程中，受到施工场地物料堆载、机械设备载荷及振动、护壁泥浆配合比不合理等因素的影响时，极易造成导墙坍塌或拉裂，轻则重新施工，重则对大坝坝体造成影响。防渗墙施工时若地层有渗漏时，会发生漏浆现象，对导墙的稳定也有影响，如图5 是防渗墙施工过程中导墙坍塌的现场照片。另外，防渗墙施工时接头的施工工艺也非常重要，若接头处理不好，在水库蓄水期间，该部位是产生渗漏的主要位置。

图5 水库导墙坍塌事故

脉动膏浆灌浆技术不会对坝体造成破坏，采用项目所在地附近的粘土材料制作膏浆，和坝体的协调性、耐久性更好，成本更低。施工过程中可以根据施工工期及现场的需要合理布置钻机和灌浆设备，成本及施工进度的可控制性更强。膏浆的流动性低，施工过程不易流入水库，对环境污染更小。施工过程中出现了诸如断管、埋管的孔内事故，需要对相应部位重复灌浆，但不会对坝体的结构造成影响。