深水灌浆技术在西北口水库除险加固工程中的应用

张铁宁

(湖北水总水利水电建设股份有限公司，湖北 武汉 430000)

帷幕灌浆是将浆液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。主要是在闸、坝的岩石或砂砾石地基中通过灌浆建造防渗帷幕的工程。帷幕顶部与混凝土闸底板或坝体趾板连接，底部深入相对不透水岩层一定深度，以阻止或减少地基中地下水的渗透；与位于其下游的排水系统共同作用，还可降低渗透水流对闸坝的扬压力。我国大部分大中型病险水库防渗堵漏施工过程中，无法腾空库容达到干地施工的条件。

湖北水总水利水电建设股份有限公司承接的宜昌市西北口水库除险加固工程，其中的坝基防渗帷幕灌浆工程必须在大水深环境下进行，其坝基趾板高程240.6m，施工期水库控制水位305.0m，最大水深64.4m(含厚度约10m淤积层)，经项目部全体员工及相关协作单位戮力同心、奋楫笃行，终于克服在“高水头、大水深、水面作业、动水”条件下进行帷幕灌浆、水下孔口管定位及加固等技术重难点，完成湖北省首例深水灌浆工程，在保证施工期水库功能性不受影响的前提下达到了水库除险加固的预期效果。

1 工艺原理

面板堆石坝趾板基础深水灌浆，是在水库正常蓄水位的深水条件下进行的帷幕灌浆工程。该技术通过搭建水上作业平台完成大坝趾板基础防渗堵漏工程，避免了传统大坝帷幕灌浆需降低水位施工的限制，对大坝运营无影响。水上作业平台为灌浆施工提供了良好的施工作业空间，同时利用潜水员水下精确定位和辅助镶铸孔口管，通过超长悬臂孔口管镶铸及加固，在孔口管内进行灌浆作业的方式实现了“高水头、大水深、动水”条件下的灌浆施工作业。

1.1 水面作业平台搭建

水面作业平台由若干组浮箱(浮箱容积根据其平台自重、施工中钻孔灌浆设备及钻孔作业产生的冲击力和施工人员荷载进行综合测算、选用)并联，并通过锚、拉等方式进行固定，将作业面通过贝雷桥组合相连成整体的施工平台，稳定性和承载力好，可承受有关钻孔灌浆等机械设备的作业与通行。

1.2 水下趾板淤积层的根管钻进

水下跟管钻进的主要目的是消除淤积层对帷幕灌浆施工的影响，采用地质钻机、硬质合金钻头钻进，并锤击跟套管钻进。跟φ127、δ=6mm厚地质套管护壁管，跟管深度为趾板顶部。趾板混凝土段及基岩段钻孔采用φ110钻具进行。待第1、2段灌浆及预埋孔口管镶铸完成后，随即拔出护壁套管。

采用护管跟管钻进工艺不但可以解决淤积层内难以成孔的问题，还解决了孔口管未埋设好之前淤积层钻孔护壁问题。

1.3 水下超长空口管加固

孔口管镶铸顺序为“由浅至深、由易入难”，利用已经镶铸牢靠的孔口管对刚镶铸好的进行固定。采用钢管及扣件将上下游排相邻的10～20根沿高程每间隔5～10m进行连锁固定，同时在孔口管立面布置剪刀撑全面连接。另外还需要在主要节点位置与岸坡之间设置连墙件，以及沿趾板距离孔口20cm位置设置扫地杆，提高孔口管整体受力条件。

2 施工工艺流程及操作要点

2.1 水上作业平台搭建和固定

平台下部采用焊接钢箱(由6mm厚钢板焊接而成，长4.0m，宽3.0m，高1.25m)作为浮体，两个浮箱为一组模块，垂直于帷幕灌浆轴线对称布置，中间预留1.0m间隙作为钻孔时钻具上下及孔口管安装空间。上部结构采用单排321贝雷桥(长度为3m/节，高度1.5m)，在其上铺装横梁(22a工字钢)、纵骨(8号槽钢)和50mm木板桥面。浮箱模块组一般按9m的间隔布置。

a.平台组装步骤。浮箱泛水(采用汽车起重机吊到水面，并用绳索临时拴在岸边)→结合全形舟(移动单组箱使箱尾靠拢对正，利用浮箱底部和上部的挂钩将两个浮箱连接在一起)→组合上部结构(将贝雷片、横梁等构件吊到浮箱上，逐节进行组装)→铺设纵梁和桥面板。

b.钻孔定位。帷幕灌浆孔孔口坐标的水面投影，采用全站仪测量定位。

c.平台固定。在大坝与岸边的三角区域用架子管等材料结构成限位支撑架，限制平台下游端的移动。

在平台下游端距离岸边较近处用直径50mm钢管或10号工字钢设置刚性支撑杆，将平台与岸边刚性连接，使其不能沿水平方向移动。考虑到施工期间水位会有一定的波动范围，连接支撑杆应能上下活动。

平台与岸边距离较远的部位采用大致对称布置的“八”字形钢丝绳(直径10～11mm)抗风缆与岸边及另一个平台进行固定。抗风缆的一端与舟桥或贝雷桥固定，另一端与岸上锚杆固定。抗风缆的长度和松紧度可通过其上的绞盘或手拉葫芦调整，以保证定位精度和适应水位涨落变化(见图1、图2)。

图1 深水帷幕灌浆工序工艺流程

图2 水面作业平台搭设示意图与实物

2.2 水下趾板淤积层的跟管钻进

2.2.1 水下跟管钻进的目的

水下跟管钻进的主要目的是消除淤积层对帷幕灌浆施工的影响。西北口水库趾板新增帷幕灌浆钻孔孔口均处于水面以下，因此在施工工艺上均需先埋设孔口管，通过孔口管进行孔口封闭、孔内循环式灌浆。孔口管是否能够埋设可靠，将直接影响帷幕灌浆施工进度和施工质量。

首先，水下开孔时将面临较厚的水下淤积层。该层不但成孔困难，还极易垮孔造成钻孔施工时埋钻风险增加。

其次，在有较厚淤积层位置进行孔口管安装时无法直接对孔口管底部进行处理，孔口管安装效率低。且安装不牢固，影响孔口管的稳定。对于趾板淤积层的实际存在，如不采取相应的措施，将严重影响工程施工进度，给施工质量带来很大的影响。

2.2.2 水下护管跟管的意义

当淤积较厚或淤积层板结严重时，由潜水员水下清理，显然受制于现场施工条件而无法实施，只能采取一定措施在淤积层内形成钻孔通道，满足帷幕灌浆孔口管安装和正常的帷幕灌浆施工要求。

采用护管跟管钻进工艺不但可以解决淤积层内成孔的问题，还可以解决在孔口管未埋设好之前淤积层钻孔护壁问题。

2.2.3 跟管钻进施工方法

对于趾板淤积物较厚，高压水枪难以进行有效冲洗的部位，潜水员无法有效进行水下定位，考虑采取跟管措施解决淤积层钻进及孔口管镶铸问题。

具体施工方法为：采用XY-2型地质钻机、金刚石钻头或硬质合金钻头钻进，并锤击跟套管钻进。跟φ127、δ=6mm厚地质套管护壁管，跟管长度以接触水下趾板混凝土为准，最大长度64.4m。混凝土段(0.6～1.5m)及基岩段(0～6m)钻孔采用φ110钻具进行。待第1、2段(0～3m、3～6m)灌浆及预埋孔口管镶铸完成后，随即拔出护壁套管(见图3)。

图3 跟管钻进钻孔结构示意图

2.3 水下孔口管加固

从水下至少60m(西北口水库坝基趾板高程240.6m，施工期控制水位305.0m)引孔口管至水面作业平台，以便帷幕灌浆施工时能够实现自上而下分段钻灌施工。加固的方式是将预埋完成并牵引出水面的孔口管按照双排脚手架的加固原理进行加固。孔口管镶铸顺序为“由浅至深、由易入难”，利用已经镶铸牢靠的孔口管对刚镶铸好的进行固定。采用钢管及扣件将上下游排相邻的10～20根沿高程每间隔5～10m进行连锁固定，同时在孔口管立面布置剪刀撑全面连接。另外还需要在主要节点位置与岸坡之间设置连墙件，以及沿趾板距离孔口20cm位置设置扫地杆，提高孔口管整体受力条件。

a.水平相邻两根横向连接。每隔5～10m采用φ48.3×3.6mm架管横向与孔口管连接，并适宜沿帷幕灌浆轴线通长布置。连接时采用特制的垂直双扣结构，主要目的是方便潜水员水下连接及连接可靠。该结构一端为孔口管φ89管箍，另一端为φ48.3×3.6mm架管管箍，两管箍中间为刚性连接，且两管箍平面垂直。

b.剪刀撑。对横向连接完成后的孔口管，由潜水员在水下采用φ48.3×3.6mm架管管箍形成45°剪刀撑(全面布置)，将其与横向连接架管连接成一个整体。

c.连墙件。在趾板一侧布置连墙件，使孔口管与趾板牢固连接，且连接点中心至主节点的距离不应大于300mm。施工时可先施工插筋，连墙件与插筋焊接。连墙件另一端与孔口管横向连接节点焊接。连墙件可采用φ48.3×3.6mm架管或直接采用φ25螺纹钢筋。

d.扫地杆。沿趾板距离孔口管20cm高位置设置扫地杆。其与孔口管连接方式也采用特制的垂直双扣结构(见图4)。

图4 水下孔口管示意图与实物

3 关键技术和创新

水上作业平台的搭建，为灌浆施工作业提供了良好的操作空间，根据其施工过程所承受的施工设备及人员静荷载、动荷载以及本身自重，选用相应容积浮箱，设计符合其承载要求的组合方式，保证平台的可行性、安全性；同时通过限位架、抗风缆等刚、柔性固定方式满足平台稳定性要求。

水下跟管钻进主要目的是消除淤积层对帷幕灌浆施工的影响，水下开孔时将面临较厚的水下淤积层，该层不但成孔困难，还极易垮孔造成钻孔施工时埋钻风险增加。采用护管跟管钻进工艺不但可以解决淤积层内成孔的问题，还可以解决在孔口管未埋设好之前淤积层钻孔护壁问题。

水下超长悬臂孔口管的加固主要是参考双排脚手架的加固原理利用孔口管本身及附属横杆、剪刀撑、连墙件、扫地杆等将水下孔口管连接为一个整体，避免在钻孔灌浆过程中，因出现孔口管松动、倾斜导致的钻杆对管壁的不均匀磨损，以及严重磨损处在高压水泥灌浆情况下发生管壁冲蚀进而出现漏浆。

4 结 语

深水灌浆技术在西北口水库除险加固工程中的应用与传统腾空库容干地灌浆相比，虽然增加工程直接投资成本约900万元，但因西北口水库为宜昌市长江北岸一级支流黄柏河流域梯级开发的骨干工程，承担着流域防洪、供水保障、发电外送经营等重任，其年均发电量约1亿kW ·h,电价按0.3元/(kW ·h)计算，其半年施工期直接发电经营收入就达1500万元，且同时为宜昌市的市区200万居民的饮用水水源地，100万亩农田的灌溉用水水源地，如采用腾空库容干地灌浆的方式进行坝基防渗处理，其损失的经济效益和民生效益将远远超过采用深水灌浆所增加措施性投入。本次西北口水库坝基深水灌浆工程的实施，验证了“大水深、高水头”条件下帷幕灌浆的可行性，为后续同类工程起到了指导性作用。