高压摆喷叠加膏状灌浆施工技术在富含卵石河床围堰防渗中的应用

2022-12-02陈志阔上海建工一建集团有限公司上海200120

建筑科技 2022年4期

陈志阔（上海建工一建集团有限公司，上海 200120）

0 引言

岷江干流都江堰城区河段径流年内分配不均，平、枯水期（ 10 月～次年 6 月） 9 个月中河道干涸见底，特别在上游紫坪铺水库修建后，河流枯水期断流时间增长，对岷江干流都江堰城区河段生态环境的影响更加严重。每年汛期上游来水夹带大量的卵石冲刷河床，导致河床砂石层堆积变厚，对围堰成型后的防渗效果带来影响。

高压摆喷墙作为水利工程纵向围堰较为常见的防渗措施，由于其高效性、施工便捷性，被广泛应用于围堰堰基防渗处理中，但在卵石层较厚的河床内，单纯采用高压摆喷工艺很容易导致渗水情况的发生，因此采用高压摆喷叠加膏状灌浆的施工工艺更为高效。

1 工程概况

根据本工程枢纽布置情况及地形、水系特点，可充分利用左、右岸为主河槽、中部为河漫滩的地形条件，按先左后右的顺序分二期施工。一期围堰为 10～5 月枯水期土石围堰，按 10～5 月 10 年一遇最大瞬时流量为 354.9 m³/s计算，相应一期围堰下游水位为 689.9 m；根据《水利水电工程施工导流设计规范》（SL 623-2013）中束窄河床泄流能力计算公式计算得施工期河床束窄后上游水位为 691.2 m。围堰堰顶高程按设计静水位加波浪高及堰顶安全超高，确定上、下游横向围堰顶高程分别为 693.2 m、 691.8 m，轴线总长约 601 m，围堰最大高度 4.7 m，围堰顶宽为 5 m，迎、背水侧边坡均为 1:2.0，堰体填料为砂卵石料。上游、下游横向围堰采用水平铺设土工布作为防渗措施，纵向围堰、下游横向围堰采用膏状灌浆＋高压摆喷的方式作为防渗措施，详见下图 1。

图1 围堰防渗体系平面图

2 围堰防渗体系

纵向围堰、下游横向围堰的堰体及堰基均采用灌浆方式形成防渗墙进行防渗，如图 2 所示，垂直防渗灌浆深度按深入含砾粉质粘土层（弱透水层）以下 0.5 m 计，孔距 1 m，分两序施工，Ⅰ序孔采用膏状浆液灌浆，Ⅱ序孔采用高压摆喷灌浆，如图 3 所示，膏状浆液灌浆总进尺为 6 860 m，高压摆喷灌浆总进尺为 5 900 m。

图2 垂直防渗体系剖面图

图3 孔序排列示意图

在堰体上游坡及堰前河道铺设复合土工膜，复合土工膜水平延伸 10 m，土工膜上下各铺填 20 cm厚砂垫层，最后在顶面铺填 50 cm厚铅丝笼卵石保护，见下图 4。

图4 水平防渗体系剖面图

3 膏状灌浆施工技术

3.1 灌浆材料及浆液要求

膏状浆液主要由水泥、粉煤灰、膨润土、水和外加剂等材料组成。

(1) 水泥

灌浆均采用 42.5 级普通硅酸盐水泥拌制，其质量必须符合《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007 ）规范的有关质量标准。

(2) 灌浆用水应符合拌制水工混凝土用水要求。

(3) 粉煤灰采用 Ⅱ 级粉煤灰，其品质指标应符合《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》（DL/T 5055-2007 ）的要求,并按照规定要求进行检测。

(4) 膨润土采用二级膨润土，品质指标应符合《钻井液材料规范》（GB/T 5005-2010 ）的规定，并按照规定要求进行检测。

(5) 各种外加剂的质量须符合《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（SL62-2014 ）的有关规定。使用时，应按照《水工混凝土外加剂技术规程》（DL/T 5100-2014 ）的有关规定执行，并按相应要求进行检测。

(6) 灌浆浆液

① 膏状浆液流变参数要求为：抗剪屈服强度 τ0 宜为15～35 Pa，塑性粘度 η 宜为 0.1～0.3（Pa·s），浆液密度大于 1.58 g/cm³。

② 膏状浆液结石抗压强度 R 28≥7.5 MPa；。

③ 膏状浆液流动性、胶凝时间等参数、各种掺和料和外加剂掺量均通过前期的生产性试验确定。

④ 膏状浆液配比经现场试验后确定，见下表 1。

表1 膏状灌浆浆液配合比表

3.2 制浆

(1) 制浆材料应按浆材试验确定的浆液配比计量，制浆材料必须称量。水泥等固相材料应采用重量称量法称量，称量误差不应大于 5%。

(2) 配制浆液时，水泥和粉煤灰宜采用干拌法混合，加水搅拌均匀后再加入乳化膨润土浆，最后加入外加剂。

(3) 所用外加剂凡能溶于水者，均应以水溶液状态掺入。膨润土加入前应进行水化溶胀 24 h以上。

(4) 浆液必须搅拌均匀，并测定浆液密度。并对浆液密度等性能进行定期检查，保证浆液性能符合要求。

(5)膏状浆液采用高速搅拌机进行拌制，搅拌速度≥ 1 200 r/min，搅拌时间≥ 2 min。浆液制备后，在储浆桶待用期间，采用低速搅拌。

(6) 膏状浆液自制备至用完的时间小 2 h。浆液温度应低于 40℃，超过规定时间、温度者应予舍弃。

3.3 钻孔

(1) 钻孔采用 MD- 70 液压潜孔钻机偏心跟管钻进成孔，达到设计深度要求。钻孔护壁采用 PE 管，有能承受5～10 Mpa 的压力，能起临时护壁作用和灌浆管的作用。钻头采用 φ 110～φ 130 合金球齿偏心钻头，跟进套管采用Φ 110 无缝钢管，丝扣连接。在造孔过程中须随时记录地层情况的变化，为下步膏状浆液灌浆的配制和灌浆施工提供地层依据。造孔时钻机必须，用水平尺找平机台，以防孔斜，孔深为深入含砾粉质粘土层 0.5 m。

(2) 钻孔的有效深度应达到或超过设计墙底深度，钻孔验收合格后，方可进行灌浆施工。

3.4 灌浆

(1) 灌浆方法

① 浆液灌浆孔灌浆采用“套管法”，即直接利用套管作为注浆管，在注浆管管口安装盖头连接进浆管和压力表，采用自下而上分段、纯压式灌浆工艺，灌浆分段长度为1.5～3.0 m。

② 套管法灌浆时，首先进行孔底膏状浆液注浆，达到设计压力后，边拔管边灌浆。孔底段灌浆结束后，在继续灌浆的同时缓慢拔套管，当拔管长度超过 1 根套管长度或出现压力骤然下降或消失时停止拔管，进行灌浆。

(2) 灌浆浆液变换标准

① 膏状浆液灌注时应根据注浆率调整膏状浆液稠度，混合浆液固定水泥、粉煤灰、膨润土、减水剂比例，调节水与固体材料比例（水固比），由稀到浓分为 2:1、1:1、0.8:1、0.5:1 四个级别，以稀浆开灌。

② 在某级压力下灌浆耗浆量大于 0.5 m³/m，压力仍没有变化，可变浓一级浆液。

③ 在某级浆液灌注达 0.5 m³/m 且流量大于 50 L/min、压力无明显变化时，可越级变浓。

④ 在灌浆过程中若压力在变化，在变化期间不得变换浆液浓度。

⑤ 根据现场实际情况（如块石架空严重、漏量较大的孔段）可以考虑掺加促凝剂或采用速凝膏浆，以加速膏浆的凝固。

(3) 灌浆压力

① 灌浆压力（进浆压力）为 0.2～0.5 MPa，并根据灌浆试验情况及吸浆量大小进行调整。

② 如果灌注时灌浆压力长时间保持在一定范围，即使压力已达到以上标准，也不提升套管，而是继续灌注，直到压力继续持续上升（上升至压力差达到 0.2 MPa）为止。

(4) 结束标准

① 灌浆压力达到了规定的 0.2～0.5 MPa 压力（初始灌浆无压时）且基本不吸浆（吸浆率小于 10 L/min）、或达到 0.2～0.5 MPa 的压力差时即可结束；

② 孔口返浆，进行封堵加压灌注一定量后，可结束本段灌浆；

③ 如灌注速凝膏浆，如吸浆率小于 50 L/min，则改用普通膏浆继续灌注，直到达到第一条结束标准。

④ 本段灌浆结束后，即提升套管，直到压力骤然下降为止。

(5) 特殊情况处理

① 施工过程中，遇大块石和孤石，做好详细记录，灌浆时，兼顾空隙大小，及时调整浆液配比，灌浆过程中采用间歇灌浆、添加速凝剂等，以控制浆液扩散范围。

② 为防止套管上拔困难，在灌浆过程中每隔 10～30 min稍上拔管。尤其在间歇灌浆期间必须活动套管，当灌浆没有达到结束标准时，提动幅度宜小（不超过 10 cm）。在灌浆过程中如果孔口已经起压，则缓慢提升套管，且保证在提升过程中孔口有压，严禁在无压的状况下起拔套管。

③ 在卵石集中层，由于漏浆严重，此时调整膏浆浆液的流动性能指标，采用较浓膏浆进行快速封堵，确保架空部位封堵密实。

④ 灌注膏浆时，灌浆管路的长度一般不得超过 40 m，如果因孔位布置，需要超过 40 m 的，则进行接力灌注。

⑤ 灌浆过程中，遇细砂和级配好的地层，吸浆量过小，根据实际情况调整浆液配比，采用纯水泥浆液灌注。

⑥ 在被动采用了间歇灌浆（如供浆不及时）或套管被堵时，用地质钻机在套管内扫孔至灌段段底以下 1.0 m，再适当上拔套管后继续灌注。

⑦ 施工过程中由于串孔导致套管不能拔起时，在原孔位旁重新钻孔进行灌浆施工。

4 高压摆喷灌浆施工技术

4.1 喷浆主要技术指标要求

高压摆喷灌浆浆液主要材料为水泥，水泥在使用前应作质量鉴定，搅拌浆液所用的水应符合混凝土拌合用水的标准。

(1) 采用强度等级不低于 42.5 MPa 的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，喷入浆液的水灰比为 0.8:1.0～1.0:1.0。当需要减缓水泥浆液沉淀速度及保持良好的可喷性和改善高喷墙变形适应能力时，可在其内加入适量的膨润土和碳酸钠，膨润土的细度应为 200 目。

(2) 膨润土和碳酸钠添加料应先在容器内稀释搅拌均匀，然后倒入水泥浆液内混合搅拌均匀。稀释膨润土和碳酸钠用的水量应计入总水量，膨润土和碳酸钠重量应计入总灰重。

(3) 高喷灌浆穿过卵石层并深入含砾粉质粘土层 0.5 m ，孔距取 2.0 m，墙体的有效厚度不小于 20 cm。高喷墙需满足以下指标要求：

① 抗压强度：R 28≥3.0 MPa；

② 抗折强度：T 28≥0.8 MPa；

③ 墙体渗透系数：k≤ 5×10-5cm/s；

④ 墙体允许渗透比降：J≥ 50 。

(4) 高喷墙形成后，其与截渗槽的搭接长度按不小于 1.5 m控制。

4.2 喷浆作业

(1) 泥浆的定性标准：以膨润土、烧碱等材料组成的高固相护壁泥浆就稠度而言，一般泥浆均可送出；泥浆在孔内不硬化固结， 7～10 a 内高喷杆能顺利插入孔底；泥浆在孔隙内基本不流动，不凝聚；PH 值为 8～10，比重 1.1 左右。

(2) 钻孔中发现大漂石影响高压摆喷半径时，摆喷角加大至 60 度，并在该孔附近补一个高喷孔。

(3) 下喷射管前，应进行地面试喷并调准喷射方向和摆动角度。当摆喷管插入预定深度时，应及时按设计配合比制备好水泥浆液，并按以下步骤进行操作：

① 按规定参数进行原位喷射。

② 按设计摆喷方法，输入水泥浆液、水和压缩空气，待泵压和风压升至设计规定值并孔口返浆且返浆比重不小于设计规定值，提升摆喷管。

③ 按设计的提升速度提升摆喷管，进行由下而上的摆喷注浆作业。

(4) 在摆喷作业过程中，应经常测试水泥浆液的进浆和回浆比重。当浆液比重与规定水灰比的浆液比重值误差超过 0.1 时，应立即停止摆喷作业，并应重新调整浆液水灰比。

(5) 水泥浆液应随配随用，并应在摆喷作业过程中连续不停地搅拌。一次搅拌量为 1.0 m³/s。

(6) 摆喷注浆过程中，冒液量小于注浆量的 20 %时为正常现象。超过 20 %或完全不冒浆时，应采取下列措施：

① 当地层中有较大空隙引起不冒浆时，可在空隙地段增大注浆量，填满空隙后再继续摆喷。

② 当冒浆量过大时，可通过提高喷射压力或适当缩小喷嘴孔径，或加快摆动和提升速度，减少冒浆量。实施上述措施前应事先得到监理人批准。

(7) 供浆、供气、供水必须连续。一旦中断，应将摆喷管下沉至停供点以下 0.5 m，待恢复供应时再摆喷提升。当因故停机超过 3 h 时，应对泵体和输浆管路妥善清洗。

(8) 当摆喷管提升接近桩顶时，应从桩顶以下 1.0 m 开始，慢速提升摆喷至桩顶，并在桩顶停止提升摆喷数秒。

(9) 摆喷作业完成后，应不间断地将冒出地面的浆液回灌到喷浆孔内，直到孔内的浆液不再下沉为止。

(10) 特殊情况处理

① 喷射中断。在喷射过程中，因故中断，中断时间超过 30 min，准确记录中断位置，复喷时，将喷管下入中断处以下 50 cm 复喷搭接；如喷管下不到位，则扫孔直至搭接部位以下至少 50 cm 开始复喷。

② 若地层中空隙较大，孔口返浆浓度偏低，则减慢提升速度或进行静喷，直至正常为止。孔口没有返浆，则采用从孔口注入水泥膏浆等措施，以减少浆液流失。

③ 冒浆过大时，经现场监理人批准，采取提高喷射压力，加快提升速度，同时对冒出地面的浆液对已灌孔进行回填利用。

④ 高喷灌浆过程中当发生串浆时，则填堵串浆孔，等灌浆孔高喷灌浆结束后，尽快对串浆孔进行扫孔，进行高喷灌浆或继续钻进。

5 处理效果

根据现场观察，施工过程中基坑内部渗水点渗水量逐渐降低，充分印证了防渗系统的防渗效果明显。施工完成后，整个垂直防渗体系的墙体渗透系数 k＜ 5×10-5cm/s，基坑内侧多处渗水点已无明显渗水，整个基坑渗漏量从 11 000 m³/d骤降至 3 000 m³/d，远远低于设计计算值 7 200 m³/d，远远超过预期水平，为接下来基坑内施工提供了干地条件。