高压喷射灌浆技术在病险坝防渗加固中的应用

程雄辉

（婺源县水利水电建筑工程有限公司，江西 婺源 333200）

水利工程在投入使用一段时间后，因为地质扰动或年久失修，坝基、坝体等部位容易出现不同程度的裂隙，除了会发生渗漏问题外，还有可能引起溃坝事故。因此，对于病险坝要及时开展防渗加固处理，目前常用的处理技术有多种，高压喷射灌浆技术具有施工操作较为简便、防渗加固效果良好等一系列优势，在水利工程病险坝处理中应用较为广泛。施工人员在应用这一技术时，应重点加强钻孔环节、制浆环节和高压喷射环节的质量控制。通过采取精细化的技术管控措施，才能进一步提升病险坝的防渗加固效果，确保水利工程得以安全运行。

1 工程概况

某水库大坝为均质土坝，始建于1996年，2007年做大坝加高处理。目前拦河坝最大坝高为23.7 m，坝顶长1 323.7 m，宽6.1m，坝顶高程105.3 m。最大库容8.11×109m3，最大泄流量6 216 m3/s，设有8个泄洪闸。水库防洪标准为1 000年一遇。从现场调查情况来看，该水库坝基中部以砂卵石和砾质粗砂为主，透水性较强。加上降压井长期缺乏维护，对承压水的释放效果变差，导致多处坝段承压水位超过地面，使得水利工程在使用过程中存在较大的安全隐患。本文以6+000—6+200坝段为例，采用高压喷射灌浆技术对该处病险坝做防渗加固处理。

2 高压喷射灌浆方案设计

2.1 工艺设计

本次施工中防渗加固坝段上共布置了282个孔，从6+000开始进行编号，依次为1#、2#…282#。为防止高压喷射灌浆时相邻2个孔出现串浆、塌孔等问题，现场施工采取了序孔相间施工方法。将钻孔分成3序，其中1、4、7…为I序，2、5、8…为II序，3、6、9…为III序。高压喷射灌浆的施工流程如图1所示。

2.2 高压喷射防渗墙设计

本次工程中将高压喷射灌浆点设置在水库大坝103 m平台上，此处土质以粉质壤土为主，防渗墙中心线与坝轴线平行。高压喷射作业选择三重管高压摆动喷射灌浆方法，按照“由上到下”的顺序依次完成注浆。高压喷射防渗墙的厚度要求不低于20 cm，从粉质壤土顶板上1.2 m开始灌注，至基岩下1.0 m。相邻2个灌浆孔之间以折线方式连接，折线轴线与防渗墙轴线之间夹角120°，摆角30°，间隔距离为1 400 mm，具体布置如图2所示。

本次工程中所用浆液主要由3种材料配制而成，分别是水泥、黏性土和水，三者比例为0.7∶0.3∶1.1。其中水泥使用42.5普通硅酸盐水泥，黏性土为膨润土。水压力为40～42 MPa，水量为65 L/min；气压力为0.8 MPa，气量为1 m3/min；浆压力为0.6 MPa，浆量为100 L/min。喷嘴的摆动速度为6°/s，喷嘴最大摆动角度为45°。不同土层的喷嘴提升速度有差异，其中砂层最快，在12～15cm/min，土层次之，在8～10 cm/min，卵石层最慢，在7～8 cm/min。

3 高压喷射灌浆施工要点

3.1 结合地质资料开展现场试验

开始病险坝防渗加固施工前，应当开展工程所在地区的水文地质勘察，充分掌握该地区的地质条件、水文特点，为后续的防渗加固处理提供依据。按照施工方案进行高压喷射孔的测量放样，标记出孔位并复核确认无误后，开始进行现场试验。沿着防渗板墙的轴线，每隔15 m布置一个地质先导孔。同时结合地质勘查资料，对于局部砂层、基岩面变化明显的地区要采取加密处理措施。然后通过先导孔钻芯取样并开展实验室分析，以便于准确掌握砂层、基岩面的变化情况。根据现场试验结果，科学确定各个钻孔的深度，保证钻孔底部能够深入基岩面，从而提高防渗加固效果。

3.2 造孔

现场钻孔前应使用经纬仪确定孔位，保证孔位的实际坐标与设计图上标注的坐标最大偏差小于等于5 cm。如果孔位偏差太大，需要重新钻孔。经复核确定孔位无明显偏差后钻机进场。为防止钻孔期间钻机倾斜、抖动而影响成孔质量，需要进行地面整平处理，并放置几条垫板，使用水平尺检查并调整垫板，使其保持水平，然后将钻机置于垫板上。使用经纬仪调整钻机主轴与水平面之间呈90°，然后固定钻机，设定好钻机的各项参数，包括钻头转速、进给压力和钻孔深度等。本次工程中要求开孔直径和终孔直径均为120 mm，根据这一参数合理选择钻头。同时要求钻孔深度需要进入第三纪粘土岩的深度大于等于1.0 m。启动钻机进行钻孔时，现场施工人员还应密切关注钻机运行工况，如果遇到压力示数增加但是钻孔深度不变的情况，考虑可能是遇到坚硬石块，应及时调整钻进方式，改为冲击钻进模式破碎石块，保证钻孔顺利。另外，还应随时监测孔深，避免出现超钻或欠钻；关注孔斜率变化，本次工程中要求孔斜率小于等于0.8%，如果接近该值要及时调整，保证成孔质量。孔深达到设计要求后，反旋拔除钻头，并清理钻孔内的泥渣、碎石，检查成孔效果，确保孔径、孔斜率等参数符合要求，无孔壁开裂问题。最后使用清水冲洗钻孔，观察到反出水清澈后方可停止。之后钻机移动至下一孔位点继续钻孔。

3.3 制浆

本次工程中所用浆液均要求现配现用，避免浆液离析、泌水而影响灌浆加固效果。如上文所述，浆液按照水泥∶膨润土∶水=0.7∶0.3∶1.1的比例配制。确定该配合比后，还要对各类物料的质量做严格检查。每一批次的42.5普通硅酸盐水泥应提供出厂化验报告，并且在水泥进场后做好防潮处理，避免结块影响使用。钙质膨润土的分散性良好，制浆用水保证干净。干料严格按照配比进行称重，然后将水泥与膨润土充分混合后再加入水搅拌，制作得到浆液。搅拌时间控制在8～10 min，以保证浆液均匀、无明显颗粒为宜。最长搅拌时间不得超过12min，防止离析。浆液制备完毕后要求在6 h内使用完毕，超过6 h后以废浆处理。另外，由于本次施工是在夏季进行，因此还对浆液温度有特殊要求，采取防晒与降温措施，使浆液最高温度不超过40℃。

3.4 高压喷射灌浆

浆液制备完成后尽快用于高压喷射灌浆，要求相序间隔施工不低于3 d，可有效减少高压喷射注浆时出现串浆等情况。1#孔下放喷射管前，要选择就近的一处空地进行试喷，其目的是检查设备运行是否正常，管路有无堵塞问题，同时校正喷射方向。然后将喷射管伸入钻孔内部，要求喷嘴距离孔底15～20 cm，在高压喷射机具上设定作业参数，包括灌浆压力、浆液流量和摆动速度等。各项参数设定完毕后，启动设备开始灌浆。现场高压喷射灌浆应当按照“一边喷射、一边摆动、一边提升”的操作方式，从下往上完成该钻孔的灌浆。期间施工人员还要密切关注施工参数，判断灌浆压力是否稳定，浆液量是否有突然减少或增加的情况，以及进出浆比重是否正常等。如果发现异常要立即停止注浆，解决问题后再继续施工。现场应保证孔内浆液顺利上返，保证浆液封堵裂隙后可以顺利从孔口排出，避免出现坝体劈裂现象。观察到孔口返浆后即可停止灌注，静置一段时间后利用回浆进行二次灌注，直到孔口浆液面不再下降，然后移动至下一钻孔继续灌浆。

3.5 施工中特殊情况的处理

对于现场施工中遇到的一些特殊情况，也要求施工人员能够给予妥善处理，从而保证病险坝的防渗加固达到理想效果。本次施工中对于特殊情况采取了以下处理措施。①灌浆期间遇到进浆、回浆比重不符合，甚至是无回浆，需要调整设备参数，减慢提升速度，等到回浆量及进出浆比例恢复正常后，再调回原参数进行作业。②单孔灌浆要求一次性完成，因特殊情况导致灌浆中断的，需要尽快复喷。同时复喷时要求新旧两端浆液的搭接长度大于等于0.5 m，以提高加固效果。③如果灌浆期间发现相邻两孔有串浆情况，要立即封堵串浆孔。

3.6 施工质量检查

所有孔全部按照要求进行灌浆处理后，进行30 d的养护，养护期结束后开始进行施工质量检查。本次工程中分别采取了2种试验，即围井注水试验和钻孔取芯试验。围井注水试验用于检验防渗墙的渗透性能，该试验在养护结束后开始。利用防渗墙的灌浆孔和凿出的新灌浆孔围成封闭的围井。同时在围井的中心处钻一个质检孔，向该孔内注水，并根据一段时间内封闭围井的渗透效果来判断防渗墙的质量，具体布置形式如图3所示。

围井注水试验参考《水工建筑物防渗工程高压喷射灌浆技术规范》执行。在本次病险坝防渗加固设计方案中，要求防渗墙的渗透系数K≤1.0×10-5cm/s，试验结果见表1。

结合表1数据可知，本次围井注水试验中所选4个孔位，其渗透系数均小于设计要求，说明防渗加固达到了理想效果。

表1 围井注水试验结果

钻孔取芯试验用于检测防渗墙结石体的强度。正常情况下，浆液从钻孔渗透到坝体或岩层的裂隙后，通过堵塞裂隙从而达到防渗、加固的效果，因此结石体的强度会有明显上升。本次试验分别在施工段随机选出2处进行钻孔取芯，1#孔的块体密度为1.80 g/cm3，抗压强度为2.50 MPa，变形模量为9.12×103MPa，抗剪强度为0.64 MPa；2#孔的块体密度为1.72 g/cm3，抗压强度为1.88 MPa，变形模量为8.47×103MPa，抗剪强度为1.83 MPa。2次检测结果均符合设计要求，说明本次病险坝防渗加固取得理想效果。

4 工程效果

在高压喷射灌浆结束并进行防渗墙质量检查后，对6+000—6+200坝段102.5 m左右测压管进行了观测，并记录观测数据。数据整理见表2。

表2 库水位102.5 m左右测压管水位

结合表2可知，在库水位相同的情况下，采取防渗加固措施后测压管内水位有所下降。其中，2#测压管的水位降幅最小，为0.25 m，3#测压管的水位降幅最大，达到了0.55 m，说明高压喷射防渗墙起到了较好的防渗效果。

5 结束语

高压喷射灌浆是现阶段病险坝除险加固中较为常用且效果良好的技术措施。从技术应用实践来看，成孔效果、浆液质量和高压喷射技术等，是决定防渗加固效果的主要因素，同时也是现场施工中予以控制的关键点。在本次施工中，通过科学设计钻孔参数，严格按照配比制作浆液材料，以及加强高压喷射中技术要点的把控，保证了防渗加固施工的顺利完成。从最终的质量检验来看，防渗墙在抗渗性能、结构强度等方面均达到了设计要求，取得了理想的防渗加固效果。