高压旋喷注浆法在水库工程防渗中的应用

2023-10-12位海洪李祥银

海河水利 2023年9期

位海洪，李祥银，张涛

（滕州市水库管理服务中心，山东滕州 277533）

在水库防渗工程中，高压旋喷注浆法是一种利用钻机把带有特制喷嘴的注浆管钻进至设计防渗墙位置后，按照设计半径向上旋转提升高压设备喷射水泥浆液，与土粒、砂粒强制混合，形成具有一定强度的连续墙固结防渗体的方法[1]。该方法具有不扰动和破坏防渗建筑、料源广阔、价格低廉、设备简单、管理方便等特点[2]，适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑黏性土，同时适用于地基或土体的防渗处理，形成防渗帷幕，防止渗流或管涌破坏[3]。山东省滕州市户主东水库在除险加固工程中采用了这种高压旋喷注浆法防渗方式。

1 工程概况

户主东水库是山东省滕州市一座以防洪为主集灌溉、养殖等综合效益于一体的重点小（1）型水库，1961 年11 月建成，控制流域面积9.25 km2，总库容418.10 万m³，兴利库容251.9 万m³，2010 年曾进行除险加固，对大坝部分段实施了静压灌浆防渗处理。2019 年12 月，水库被鉴定为“三类坝”病险库，并于2021—2022 年再次实施除险加固工程，其中水库较为突出问题是大坝坝基和放水洞渗漏，严重危害水库安全。结合以往小型水库防渗加固成功的经验，这次除险加固采用了高压旋喷注浆法处理。

水库工程由大坝、溢洪道、放水洞等组成。大坝为黏土心墙坝，总长654 m，坝顶高程129.20 m（85国家高程基准，下同），最大坝高12.1 m，防浪墙顶高程129.80 m，坝顶宽度5 m，坝顶为沥青混凝土路面。大坝上游坡高程124.17 m 处设2 m 宽平台，戗台部位为浆砌块石护坡，戗台以下坝坡为干砌块石护坡，戗台以上坝坡为预制混凝土块护坡，戗台上下坡比均为1∶3.0；下游坝坡为碎石护坡，坡比为1∶2.81～1∶3.0，在桩号0+121—0+521 范围高程123.7 m 处设有2 m 宽平台、0+148—0+480 范围高程117.0～119.89 m 处有干砌石贴坡排水。溢洪道位于大坝西侧，为开敞式，明槽宽约34 m，底高程125.80 m，最大泄量为181.7 m³∕s。放水洞位于大坝左岸桩号0+145 处，为竖井式进水结构，后接浆砌石拱形廊道，廊道内为钢筋混凝土管，管径0.8 m。

2021 年8 月开始对水库实施除险加固，至2022年6月完成。工程主要建设内容包括大坝坝顶照明设施建设；大坝坝基高压旋喷灌浆防渗；溢洪道清理并新建消能防冲设施，交通桥加固；放水洞高压旋喷灌浆截渗；新建大坝渗流和位移监测2 项安全监测设施。工程建设期间放水腾库，空库运行，汛限水位118.5 m。

2 水库主要渗水问题及防渗处理设计

2.1 需要处理的渗水问题

经2019年对水库安全鉴定勘测和2021年除险加固工程设计补充勘测，发现大坝桩号0+180—0+485范围下游老河槽处有渗流逸出。根据地勘报告，坝基③层粗砾砂渗透系数为9.67×104～9.87×104cm∕s，具中等透水性，对坝基渗漏影响较大，需采取防渗工程措施；④-2 层强风化花岗岩渗透系数为1.34×105～2.52×104cm∕s，具中等～微透水性，对坝基渗漏影响较大，需采取防渗工程措施。

放水洞位于大坝桩号0+145 处，结构形式为砌石拱廊道内衬钢筋混凝土管，启闭设备为10 t 手动螺杆式启闭机。放水洞廊道顶部和周围填筑土成分混杂，填筑质量差，压实度低，形成渗漏通道。廊道外壁与坝体土间存在接触冲刷问题，影响坝体安全。现状放水洞砌石拱内常年明水流淌，放水洞的病险问题为放水洞与坝体存在接触冲刷，病险问题属于土石坝变形问题，建议对放水洞采取防渗工程处理措施。

2.2 大坝坝基截渗处理设计

针对户主东水库大坝坝基渗漏、危害水库安全的实际情况，结合以往小水库截渗处理成功经验，设计采用高压旋喷注浆法进行处理。

新建高压旋喷防渗墙桩号为0+173—0+510，最小成墙厚度1.5 m，设计桩径1.2 m，双排布置。防渗墙各项指标如下：原浆液采用纯水泥拌制；水泥掺入量≥40 kg∕m2；水泥强度等级不低于42.5 MPa；抗压强度90 d龄期单轴无侧限抗压强度不小于1.0 MPa；墙体垂直精度小于0.4%；最小成墙厚度1.5 m；渗透系数≤5×106cm∕s；防渗墙底部深入强风化花岗岩层1 m，顶部深入坝体黏土层2 m。

2.3 放水洞截渗处理设计

为保障大坝工程安全、避免异常渗流对大坝造成渗透破坏，对放水洞洞周填土及洞基花岗岩采取除漏措施。采取塑性水泥灰浆防渗墙，墙总长58 m，东西长50 m，南北长8 m，最小墙厚1.5 m，墙顶至坝顶，平均深度参考值为13 m，成墙后墙体渗透系数不大于5×106cm∕s，水灰比为1∶1，采用高压旋喷注浆法进行施工，连接形式为三喷嘴单墙首尾连接；高压旋喷注浆桩为2 排孔，孔距1 m，排距0.9 m，成墙厚度1.5 m，交圈厚度不小于0.6 m，钻孔总长1 560 m，喷桩总长1 560 m。

施工时库区先降水，水位至库底高程118.50 m后再进行高压旋喷注浆。防渗墙各项指标应达到如下标准：原浆液采用纯水泥拌制；水泥掺入量≥40 kg∕m2；水泥强度等级不低于42.5 MPa；抗压强度90 d龄期单轴无侧限抗压强度不小于1.0 MPa；墙体垂直精度小于0.4%；最小成墙厚度1.5 m；渗透系数≤5×106cm∕s。

3 高压旋喷注浆截渗施工方法

3.1 施工工艺流程和参数

施工工艺流程，如图1—2所示。

图1 高压旋喷桩施工流程

图2 三重管旋喷注浆示意

高压旋喷分单管法、双管法、三管法[4]，本工程采用三管法高压旋喷工艺，参数详见表1。

表1 高压旋喷工艺参数

3.2 施工过程和注意事项

3.2.1 施工准备

（1）放水腾库。本工程防渗灌浆施工前，将水库水位降低至死水位118.50 m，如遇5 a一遇来水准备通过放水洞导流。

（2）桩位放样。户主东水库大坝坝顶为沥青路面，十分平整，现场“三通一平”工作较易完成，科学布置施工机械、输送管路和电力线路，并在现场设置2台250 KW的柴油发电机组用于灌浆设备供电、2台抽水机抽水库内的水供水（水库死水位内水足够施工使用）。

桩位放样前，先在坝轴线上游侧挖1 条0.8 m深、1.0 m 宽的导槽，布设2 排桩位（呈梅花状）在导槽内，2 排桩的纵向轴线分别位于坝轴线上游侧0.05、0.95 m处。用全站仪测定旋喷桩施工控制点并做好标记，用红色油漆喷涂于大坝坝顶防浪墙立面上，经过复测验线合格后，用钢尺和测线实地布设桩位并做好标记，保证桩孔中心位移偏差小于50 mm。

（3）施工组织。为加快施工进度，本工程工地投入旋喷设备2套，每套设备设置2个施工班组。每班组由7人组成，组长1名，负责该机组的指挥，协调各工序以便正常作业；技术员1名，负责施工全过程的技术管理工作，包括原始资料的记录、质量监督及施工过程出现问题的处理和反馈等；操作工3名，辅助工人2 名。采取两班制作业，每班8 h，每套机械每日完成14～18根桩。

（4）修建排污和灰浆拌制系统。旋喷桩施工过程中将会产生10%～20%的返浆量，将废浆液暂存在导槽中，沉淀后的清水根据场地条件可进行无公害排放。沉淀的泥浆固结后，外运处理。灰浆拌制系统主要设置在灌浆段的西侧附近，便于水泥进场，主要由灰浆拌制、灰浆储存、灰浆输送等设备组成。

（5）施工参数，详见表2。

表2 高压旋喷注浆法施工技术主要参数

3.2.2 施工过程

（1）旋喷台车就位。旋喷管下入前，操作工检查电压、水压等仪表是否正常，用水平尺校正旋喷台车水平及旋喷管垂直，对中钻孔孔位。为确保旋喷喷成墙的倾斜偏差在1∕150 以内，钻孔过程经常检查旋喷管垂直度。

（2）下旋喷管。下旋喷管前，在地面上进行试喷，检查高压泥浆泵、空压机运行状况，检查高压输浆管、供风管是否畅通及完好，准备就绪后带气压下入喷浆管。

（3）喷射过程。高喷管下至设计深度后，旋喷注浆时先空载启动空压机，待运转正常后再空载启动高压泵，同时向孔内送风和水，使风量和泵压逐渐升高至规定值，风、水畅通后才开动注浆泵，按设计要求的提升、旋转速度旋转提升喷管，进行喷浆作业，自下而上喷射注浆。

（4）终喷。大坝坝基防渗入岩旋喷1 m，提升旋喷平均2 m 土层后进行静压补浆封孔，直至孔口冒浆不下沉为止；放水洞防渗从设计深度至孔顶全程旋喷冒浆不下沉为止。如遇到孔口浆面下沉，进行回填灌浆，可利用相隔孔喷灌作业返浆，直到浆面不再下沉为止。每个喷浆孔喷浆完毕后，移开喷浆管，用清水把泥浆泵和管路内的残留浆液全部排出，冲洗干净。

3.2.3 施工过程中问题处置

本次工程旋喷过程中，冒浆量基本上小于注浆量的20%，属于正常现象。不正常时，有冒浆含灰量小和完全不冒浆情况，经检查，冒浆含灰量小是三重管破裂串联造成的；不冒浆出现原因为喷头堵塞或遇砂层地质。若喷头堵塞只需提管清理或更换即可，而遇砂层地质可加大浆液的浓度复喷0.5 h 以上，待冒浆为止。另外，遇到因机械故障、孔内事故、卸接管等原因导致施工中断，恢复喷射时均进行了复喷，复喷搭接长度不小于0.5 m。

3.2.4 记录

施工过程中，对钻孔、旋喷灌浆的各道工序应详细、及时、准确地记录，所有现场记录按要求使用统一表格。

3.2.5 打试验桩

本次灌浆工程的设计旋喷灌浆压力为25～40 MPa，桩径1.2 m。经试验，灌浆压力为25、28、31、34、37、40 MPa 时，桩径分别达到1.12、1.16、1.2、1.24、1.27、1.30 m。本工程确定灌浆压力为不小于31 MPa。旋喷桩施工完成28 d后做注水试验，测定其抗渗系数，并与原状渗透系数相比，检查其是否符合设计要求。