某水利工程围堰防渗技术研究

赵威

（中国水利水电第十二工程局有限公司，浙江杭州 310000）

1 工程概况

夹岩水利枢纽水源工程位于七星关区与纳雍县界河六冲河中游潘家岩处。夹岩水库正常蓄水位高程1323.0m，死水位高程1305.0m。本工程导流采用河床一次断流、上游土石围堰挡水、导流洞泄流、主体工程全年施工的导流方式。

2 工程地质

上游围堰河床高程1210.6m，河床宽58m。河床冲洪积深度10～13m，主要由砾（卵）石组成，呈现松散-稍密状态，颗粒级配差，差异性大，透水性强。下伏基岩为T1f2-4薄至中厚层泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩，为中硬岩夹软质岩类；右岸1222m高程以上出露为T1yn1-1薄层泥质灰岩，属软质岩类。强风化下限河床为基岩面以下5～8m，两岸坡基岩面以下法向厚8～12m，岩层倾上游，倾角21°～29°，为横向河谷[1]。

3 围堰基础防渗技术分析

围堰基础防渗技术有灌浆技术、防渗墙施工技术、高压喷射灌浆技术等和其他施工技术。当前防渗墙施工技术及灌浆施工技术是在围堰工程中较为常用的防渗技术[2]。

3.1 防渗墙技术

防渗墙是一种修建在松散透水层或土石坝（堰）中起防渗作用的地连续墙。防渗墙技术在20世纪50年代起源于欧洲，因其结构可靠、防渗效果好、适应各类地层条件、施工简便以及造价低等优点，尤其是在处理坝基渗漏、坝后“流土”“管涌”等渗透变形隐患问题上效果良好，在国内外得到了广泛的应用[3]。我国水利水电覆盖层及土石围堰等有防渗压力的防渗处理一般首选防渗墙。

防渗墙施工有多种成墙工艺。防渗墙常见的5种施工工艺如下。

多头搅拌水泥土防渗墙主要有“五头”“三头”两种类型，主要的原理是将水泥浆通过钻机喷入基础土体内，并进行充分搅拌，将水泥浆和土固结在一起，最终形成一道防渗墙。成墙后的墙体整体性好，墙体密实均匀，具有较好的抗渗性。一次性成墙深度最大可达30m，成墙深度大，墙体的厚度能够达到15～64cm，强度厚度可控范围大。该工艺施工质量好，环境影响较小，而且具有低能耗、低成本、高功效特点。该工艺主要使用于壤土、砂壤土、砂土、砂质土、粉质黏土、黏土和含粒径小于10cm的卵碎石土层。

3.1.2 锯槽法成墙工艺

先进行先导孔施工，然后将锯槽机的刀杆保持倾斜状态，并在先导孔内进行上下切割施工，同时保持一定的速度前进。施工过程中进行泥浆固壁，最后施工混凝土防渗墙。该工艺施工效率高，能够连续开挖槽体，最终形成的防渗墙连续性、抗渗性较好，而且防渗墙深度较深。主要适用于黏土、砂土和卵石粒径小于100mm的砂砾石地层，为了混凝土防渗墙达到不同强度和抗渗效果，可以通过采用自凝灰浆或者固化灰浆。

3.1.3 链斗法成墙工艺

链斗法成墙工艺主要适用于土质为粘土、沙土、砂砾石含量在30%以内的土层中。采用链斗法成墙工艺，取土施工作业主要是通过链斗式开槽机排桩上方的旋转链斗进行，同时将斜置的排桩下放至防渗墙设计深度，最后利用开槽机进行槽体的开挖施工作业，同时采用泥浆进行固壁处理。链斗法成墙技术中浇筑方式与锯槽法几乎一样。其槽的宽度一般控制在16～50cm之间，深度控制在10～15m。

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3.1.4薄型抓斗成墙工艺

薄型抓斗的宽度通常在30cm左右，槽体开挖施工过程中，进行泥浆固壁，最后进行混凝土浇筑施工，形成一道混凝土防渗墙。这种工艺主要适用于粘土、砂土和砂砾含量、粒径等都要控制在一定的范围中的地质条件。

3.1.5 射水法成墙工艺

应用带有高压射水设备和刀刃的机械造孔成槽。施工过程中，不断地输入冲洗泥浆液，经喷射器形成强大射流，破碎土层，形成槽孔。最后进行防渗墙体混凝土浇筑施工，形成薄壁防渗墙。成墙厚度为0.22~0.45m，深度可达30m，成墙垂直精度可达1/300。对于粒径小于100mm的砂砾石地层、黏土和砂土较为适用。

3.2 灌浆技术

在土石坝或者土石围堰基础和坝（堰）体防渗施工过程中，常见的灌浆施工方法主要有劈裂灌浆施工技术、防渗帷幕灌浆施工技术及高压喷射灌浆施工技术[4]。

（1）劈裂式灌浆施工技术。根据土坝坝体内应力的分布规律布孔，利用水力劈裂原理，有控制地劈裂坝体，并灌入黏土泥浆，形成防渗泥墙。同时也使与泥墙连通的其他裂缝、洞穴、软弱夹层等坝体隐患，得到浆液的充填和挤压密实，使坝体达到防渗和加固目的的一种施工方法。主要应用于土坝坝体防渗施工。

（2）防渗帷幕灌浆施工技术。是将浆液（主要为粘土加适量水泥）灌入岩体或土层的裂隙、孔隙，形成连续的阻水帷幕，以减小渗流量和降低渗透压力的灌浆工程。主要用于卵砾石层防渗施工。

（3）高压喷射灌浆施工技术。采用高压水泵或高压泥浆泵将水泥浆液喷射出来，冲击破坏土体，等水泥浆液凝固，在土内形成一道防渗体。主要适用于软弱土层。此技术效率较高，机械选型容易，成本低等特点。

（4）控制性灌浆施工技术。控制性灌浆施工技术，主要是防止灌入基层的浆液漏浆量过大或者让浆液比较容易灌入基础的改进型灌浆工艺，此技术能够比较容易处理基础防渗灌浆施工中压力不稳定、冒浆、串浆等情况。

水利工程在进行围堰防渗方案选择时必须对具体工程目的要求和地质条件进行分析，需进行详细的分析比较，而高压喷射灌浆施工技术具有效率较高，机械选型容易，成本低，施工工程量少，对周边环境影响较小等特点，是比较常用的方法。

4 本工程围堰防渗体系选择

根据招投标文件，围堰基础防渗采用C20W4混凝土防渗墙厚0.6m，围堰堰体采用土工膜心墙防渗，根据现场实际情况，考虑到河床砂砾（卵）石层成份复杂，均一性差，透水性强，易产生不均匀变形和渗透破坏，且堰体承受水压高（30m水头），因此对防渗体系进行进一步的研究，选取更为合适的防渗体系。

该项目地质条件复杂，河床覆盖层颗粒级配差，差异性大，透水性强，且围堰防渗墙施工期短，不足40d，施工强度高，需要投入的施工设备多，现场调配组织要求高。

4.1 两种方案的对比

混凝土防渗墙与高喷灌浆防渗墙对比如下。

4.1.1 混凝土防渗墙

砂砾层渗透性较大，固壁成槽难度大；两岸陡坡岩体成槽难度大；对孤、漂石的处理需采用预爆措施；对强风化岩基及围堰两岸绕渗还需结合灌浆措施，才能达到防渗效果。混凝土防渗墙施工各个环节点多，过程控制难度大。成槽前需进行导向槽的施工及混凝土等强时间；砂砾石层与岩层成槽方式不同，采用的设备也不同；工期为35～45d。评价：一般。

4.1.2 高喷防渗墙

对渗透性大的防渗平台填筑层，在高喷孔起拔外管后，孔口塌陷或喷浆过程孔内坍塌，使PVC管碎裂，喷浆中断。孤、漂石部位的高喷防渗采取双排高喷防渗措施，通过压力、压水试验，可快速得到灌浆参数，防渗墙质量控制较简捷[5]。采用潜孔跟管钻进技术施工效率高，因岩屑过多来不及返出而造成卡钻，影响钻孔工效；工期为30～35d。评价：好。

4.2 方案的确定

根据对比分析，围堰堰基采用高喷防渗墙防渗效果优于混凝土防渗墙，且施工工期有保证，便于机械化施工，且施工质量可控性好。同时据调查在贵州地区喀斯特地貌地质条件下，围堰基础防渗成功使用混凝土防渗墙施工技术的工程很少，而成功的采用高喷灌浆防渗墙施工技术的工程较多[6]。

综上所述，通过对围堰防渗技术研究，并结合本工程的地质、水文情况及工程施工进度节点目标要求，确定本工程围堰堰基采用“双排振动高喷+单排帷幕灌浆”防渗结构体，即施工平台与河床冲积层采用双排振动高喷，间排距按1.0×0.5m设置，其中下排孔结合帷幕孔，对河床基面以下的强风化透水层进行帷幕封闭，同时对两岸基岩面的法向岩层进行帷幕灌浆，以防堰体两岸外绕渗。围堰基础防渗如图1所示。

图1 上游围堰标准断面图（单位：m）

5 基础防渗施工工艺

5.1 双排高喷灌浆孔钻孔

覆盖层及填筑体采用XZJ-100跟管钻机进行钻孔，设备移至灌浆孔上，调好设备的角度，保证成孔的垂直度，钻孔孔径为φ127mm，钻至设计要求的底层后结束钻孔，根据钻孔时返出的岩渣了解工作区的地质情况，钻孔结束后保护好口以待高喷灌浆。采用跟管钻进，套管在孔内进行护壁。钻进暂停或终孔待喷时，孔口加盖保护。灌浆孔钻入基岩1m为止。

5.2 单排帷幕灌浆孔钻孔

基岩上部的覆盖层采用跟管钻机钻至入岩100cm后，换φ89mm的钻具进行帷幕灌浆钻孔，孔深入基岩8.0m。灌浆孔钻孔位置偏离设计位置小于5cm，钻孔结束后，对孔深和孔底残留物等进行检查。

5.3 帷幕灌浆施工

冲洗孔并经压水试验合格后进行帷幕灌浆施工。

施工过程中可分两段进行施工，第一段段长为2m，该段为高喷体与基岩接触层层，第二段段长为5m。

采用自下而上分段，孔内封闭循环灌浆方法，孔内下φ80mm的气嚷塞至第二段灌浆段的顶端，第二段灌浆结束后，气嚷塞卡到钢套与基岩接处段，然后进行帷幕灌浆。孔内封闭循环式灌浆，灌浆时，保证一泵一孔。

帷幕灌浆分Ⅲ序进行施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔，最后施工Ⅲ序孔，灌浆压力根据帷幕灌浆压力而定，第1段灌浆压力Ⅰ序孔位0.2MPa、Ⅱ序孔为0.3MPa、Ⅲ序孔为0.5MPa，第2段灌浆压力Ⅰ序孔位0.3MPa、Ⅱ序孔为0.4MPa、Ⅲ序孔为0.6MPa。

5.4 高喷灌浆施工

双排高喷灌浆施工先将套管拔出，边拔边采用泥浆自下而上对覆盖层及填筑体进行初灌，将钻孔周边覆盖层及填筑体较大缝隙进行封堵，最后再采用双管法旋喷灌浆施工。高喷灌浆先喷射Ⅰ序孔，后喷射Ⅱ序孔。

6 技术经济效益分析

混凝土防渗墙技术由于砂砾层渗透性较大，固壁成槽难度大，且两岸陡坡岩体成槽难度大，需对孤、漂石采用预爆措施，并对强风化岩基及围堰两岸绕渗还需结合灌浆措施，才能达到防渗效果，其工期为35～45d。但在孤、漂石部位采用“双排振动高喷+单排帷幕灌浆”防渗措施，通过压力、压水试验，可快速得到灌浆参数，防渗墙质量控制较简捷，并采用潜孔跟管钻进技术施工效率高，防渗效果显著，可节约工期约15d，节约成本约80万元。

7 结语

对于防渗墙施工，采用高压旋喷工艺具有明显的优点，缩短施工进度，成本低，场地布置面积少，能够很好的控制灌浆施工质量。钻孔机械设备比较容易运输，安拆简单。灌浆喷头和钻杆一体，操作简单。

高喷灌浆施工对围堰基础、围堰堰体能同时起到防渗作用。在灌浆孔钻孔施工过程中，采用泥浆进行固壁。此时泥浆除了起固壁作用，还能同时将灌浆孔周围的空隙进行灌填，起到加固堰体作用，增加了防渗墙的整体性。

高压旋喷灌浆能够满足多种地基的防渗需求。当基础为漂卵石时，一般采用控制钻管提升速度或者喷管的旋转速度，以及控制灌浆压力来达到设计的防渗墙厚度。国内多个工程成功应用了此施工技术。

虽然高压旋喷灌浆施工技术优点明显，但它也有一定的使用要求，一般对施工设备性能和施工作业人员要求都较高，固要从施工技术及经济等多方面综合考虑施工方案的可行性。当基础漂块石含量较多时，通常进行现场高压喷射灌浆试验来论证可行性。

综上所述，高压旋喷灌浆施工技术适用范围大，造价低，施工进度快，防渗墙墙体强度高，整体性稳定，对水利工程围堰基础防渗施工能得到很好的应用。夹岩水利工程围堰防渗采用高压旋喷灌浆施工技术更为适用。