动水条件下砂卵石层高喷方法探讨

刘玉成 李华伟 张青松

(1.中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽水安建设集团股份有限公司，安徽 合肥 230601)

高压喷射灌浆是借助中高压喷射流冲切土体，混合浆液在射流作用区域扩散充填，形成新的固结体，以达到截渗目的的灌浆方式。高压喷射灌浆具有冲切搅拌、置换、充填、渗透等作用，适用于砂类土、黏性土、黄土和淤泥等地层的加固和截渗，对于地下水活跃、砂砾石较多的土体需慎重选用。本文基于工程实例，对动水条件下砂卵石层进行高喷灌浆试验，确定工艺参数，达到设计指标。

1 工程概况

杭埠河治理工程是安徽省2016年灾后水利薄弱环节建设治理重要支流2017—2019年实施项目，采取工程总承包管理模式。主要工程任务为丰乐河与杭埠河舒城段治理、提升双河镇防洪标准，其中杭埠河城南大圩与十二圩共2.55km段堤防采用高喷方式截渗。

杭埠河舒城段治理具体内容包括：ⓐ千人桥圩堤防加固，加固总长7.71km；ⓑ新建堤顶道路29.175km，含千人桥圩7.71km、城南大圩7.85km、十二圩9.42km、周公渡圩4.195km；ⓒ险工险段处理2.55km，其中城南大圩2.2km、十二圩0.35km；ⓓ新建、拆除重建及加固穿堤建筑物45座，其中新建1座，重建35座，加固接长8座，拆除复堤1座，计划工期22个月。

针对杭埠河十二圩管涌渗漏段(总长350m，位于5+650～6+000段)和城南大圩渗漏段(总长约2200m，分别位于18+350～18+700及19+500～21+350段，主要表现为堤内灌溉水系通过堤基向堤外/河内渗漏)，设计上采用高喷方式截渗，并给出各控制参数的参考值，详细参数组合方案以承包人经验和现场试验结果确定。

2 地质情况

杭埠河堤基在勘察深度范围内所揭露的地层从上到下按其土性特征可分为四个大层，现将钻孔揭露的堤基地层情况叙述如下：

④-3层砂卵石层：黄、杂色，密实，饱和，自上而下颗粒渐粗，场地区内连续状分布，该层仅部分钻孔揭穿，厚度一般在6～12m，上游范围一般厚度不大于10m，中下游则多未钻穿，已揭露最大厚度14.3m，最低层底高程-11.73m。为低压缩性土层，渗透性参数建议值为5.0×10-2cm/s。

⑥-1层全风化凝灰质粗面岩：棕红、紫红等色，主要呈黏性土夹碎石颗粒状，渗透性参数建议值为5.0×10-4cm/s。

⑥-2层强风化凝灰质粗面岩：紫红、灰红色，岩芯为短柱状及柱状。

⑥-3层中等风化凝灰质粗面岩：灰红、灰色，岩芯为柱状。

堤防内侧存在多处水塘，细中砂、砂卵石层含一定的孔隙承压水且流动，平均水头为6m。

3 设计思路和首次围井试验

3.1 设计思路

截渗墙采用三管法摆喷方式，渗透系数及强度要求见表1，材料为P·O42.5水泥，孔距1.2m，折接式相接，折角20°～30°，摆喷角度30°～40°，墙体深约15.0～20.0m，墙底伸入相对不透水层1.0m，墙顶高程不低于设计洪水位+0.5m，墙顶以上钻孔采用黏土球封堵。高喷墙墙体指标见表1，防渗处理剖面见图1。

图1 防渗处理剖面

表1 高喷墙墙体指标

3.2 首次围井试验

由于防渗墙施工难度大且极其重要，在正式施工前，需进行高喷防渗墙现场试验。通过现场围井试验确定安全可靠的各项施工参数，如喷射形式、孔距、喷射压力、流量、浆液浓度、提升和转动速度等，并通过试验熟练掌握高喷工艺、控制孔斜的措施等，以指导后期施工。同时，正式施工前应进行地质复勘，以确定正式防渗加固施工范围。

首次围井试验中布置一个围井，孔位成八边形布置。高压喷射灌浆防渗墙顶高程33.0m，底高程14.5m，累计钻孔进尺18.5m，累计钻孔并高压摆喷148.0m。试验均采用钻孔高喷施工工艺，分两序进行施工，单号孔均为Ⅰ序孔，双号孔均为Ⅱ序孔。灌浆材料均采用P·O42.5水泥。围井试验平面布置见图2，高压喷射灌浆施工工艺参数参考值见表2。

图2 围井试验孔位

表2 高压喷射灌浆施工工艺参数

围井1号孔喷灌开始正常，喷至离孔口6.8m位置(高程25.2m)处孔口开始不返浆，此时停止提升继续喷浆，并在孔口人工往孔内灌砂，持续5min仍无返浆，继续采用降低水压、降低气压原位注浆，并同时人工往孔内灌砂，持续5min仍无返浆，由于连续停止10min并连续注浆仍不返浆，此时采用低速摆喷提升(提升速度6cm/min)1.5m后继续采用降低水压、降低气压原位注浆及人工孔内灌砂法，持续5min仍无返浆，然后基本采用低速提升1.5～2m再原位注浆5min，一直提升至孔口(至孔口无回浆)。当时考虑可能为个例，继续对5号孔喷灌，发现5号孔与1号孔情况基本一致。

4 探讨解决方案

从首次围井试验1号孔灌浆结果可以看出，针对此种砂卵石层较厚且存在地下动水的地基处理，三管法高喷采取降低提升速度、加大浆液密度、灌砂、复喷等方式仍无法成墙，需首先解决砂卵石层空隙封堵问题，然后再灌浆加固，否则只能放弃灌浆加固工艺。

4.1 原孔回填灌浆封堵+高喷

首次围井试验施工3号孔时，在喷浆前先利用清水将孔清洗干净，后采用原孔回填灌浆(黏土泥浆加入约10%水泥进行灌浆)，但由于孔口砂层较为松软，当加压至0.03MPa时孔口旁边开始漏浆；将孔四周1m区域利用水泥浆封堵(同时将孔进行扫孔并清洗干净)，18h后继续回填灌浆，当加压仅0.05MPa时封堵被破坏，周边漏浆且吃浆量很小。原位回填灌浆后进行高喷作业时跟前面1、5号孔施工情况基本一样。后续施工7号孔，按照3号孔施工顺序，基本与前述一样在离孔口6～7m处不返浆。

由上可知，采用黏土+水泥掺拌浆液回填能起到一定的封堵效果，但封堵范围和强度均较小，后续高喷无法开展。

4.2 添加速凝剂高喷

首次围井试验施工5号孔时，在水泥浆液中添加速凝剂进行试验，结果不太理想。原因是速凝剂对添加剂量和时间要求太苛刻，而且速凝剂形成的固结体无法及时堵塞砂卵石层孔隙。另外，此种方式造价也偏高，经试验失败后放弃。

4.3 黏土水泥浆高喷+二次水泥浆高喷

在前述试验结果的基础上，考虑提升黏土水泥浆的封堵范围和封堵强度，做第二次围井试验。

在Ⅰ序孔采用黏土水泥浆高喷，从孔底喷至离孔口6.0m位置(高程约26m)喷灌正常，但离孔口6.0m位置(高程约26m)开始不返浆，此时停止提升并降低水压、降低气压，采用原位注浆持续5min仍无返浆，采用低速摆喷提升(提升速度7cm/min)，每次提升2m，然后注浆5min，直至地面高程。摆喷完成后，从6m处复喷黏土水泥浆，返浆正常。扫孔后，Ⅰ序孔高喷作业正常，均正常返浆。2号围井Ⅱ序孔高喷作业正常，均正常返浆，无特殊情况发生。

4.4 围井试验检查

按照《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》提供的渗透系数计算公式开展两次围井试验结果验证，首次和第二次围井试验的渗透系数分别为1.40×10-5cm/s和1.66×10-6cm/s。通过开挖检查，发现首次围井试验上层成墙效果较好，但砂卵石层不连续，第二次试验墙体搭接良好，经强度检验满足设计要求，其开挖效果见图3。

图3 第二次围井试验开挖检查

5 工艺完善

针对已选择的工艺，现场开展多组对比实验确定各类控制参数，并梳理工艺流程，最终成果如下。

首先采用地质钻机钻孔，泥浆固壁并同步拌制黏土水泥浆，浆液密度不小于1.2g/cm3，随时测量泥浆的比重以保证达到堵漏效果，插管至灌浆孔孔底，先静喷至孔口回浆正常再开始提升，随后开始喷射作业。泥浆喷灌完成后再次进行扫孔(采用MDL-C200钻机二次钻孔，采用特制PVC管护壁)，再按试验方案批准的水灰比拌制水泥浆，浆液密度1.6～1.70g/cm3，采用P·O42.5水泥制浆，随时测量水泥浆的比重以保证水灰比符合要求，插管至灌浆孔孔底，先静喷至孔口回浆正常再开始提升，即可按设计参数开始喷射作业。喷灌时，同时做好各施工工艺参数记录，孔口返浆每20～30min测一次比重并记录，返浆通过排浆沟排放至适当位置。喷射注浆，当孔口回浆量超过喷浆量的20%时，提高喷射压力或加快提升速度。喷灌结束后，可利用部分回浆或搅拌机拌制的浆液向喷射孔补充浆液以消除因析水产生的凹穴。具体工艺流程见图4，新工艺参数见表3。

图4 新工艺流程

表3 高压喷射灌浆施工工艺参数(黏土水泥浆)

经专家论证后，选择第二次围井试验工艺作为施工方法。

6 结 语

针对含动水的砂卵石层，其空隙较大，水泥浆难以快速固结成体，采取常规措施未见改善，直接高喷水泥浆无法成墙，达不到截渗效果；采用外加剂，该工艺对剂量和时间要求苛刻，不利于实施；采用回填黏土浆堵漏，其扩散范围偏窄且强度较低，下一步高喷工序无法开展；采用黏土水泥浆高喷堵漏，可扩大堵漏范围且形成较高强度固结体，待一定强度后开展二次钻孔高喷，此时外围黏土水泥浆固结体可给予水泥高喷墙良好的外壳保护，二次水泥浆高压摆喷顺利成墙。

本工程中截渗墙地质条件在江淮地区属普遍现象，通过改进三管法高喷工艺，采用黏土水泥浆高喷封堵再二次高喷工艺开展施工，截渗效果明显，可有效克服动水压力，扩展高喷工艺适用范围，具有一定的推广意义。