高壓擺噴灌漿在永固水庫加固工程中的應(yīng)用

潘 強(qiáng) 李金冰 周 松 劉 鵬

一、概述

永 水庫地處淮北平原蕭縣東南部山丘區(qū)，屬新汴河水系，主要任務(wù)是防洪、灌溉，兼有養(yǎng)殖、旅游等綜合效益。水庫總庫容442萬m3，壩址以上控制流域面積15.2km2，下游有永 、閘河2座煤礦以及永 鎮(zhèn)和永馬、永塑公路，防洪保護(hù)人口1.5萬。

永 水庫建于1958年，大壩系均質(zhì)土壩，最大壩高18m，壩長450m。壩身上部主要成分為中～重粉質(zhì)壤土，密實(shí)度好，抗?jié)B性能強(qiáng)；壩身下部為粉質(zhì)粘土，結(jié)構(gòu)松散且含有大量碎石，防滲能力較差，K平均=2.90×10-4cm/s；壩基為弱風(fēng)化石灰?guī)r，上部裂隙較發(fā)育，風(fēng)化層厚度在0.5～2.2m之間，下部巖芯完整，為相對隔水層。由于大壩建設(shè)期間清基不徹底且壩基未設(shè)防水槽，粘土夾碎石層及壩基表層存在多處滲水通道。經(jīng)50多年運(yùn)行，上、下游壩坡多處出現(xiàn)不同程度塌陷，下游壩腳出現(xiàn)多處散浸出逸點(diǎn)，滲漏比較嚴(yán)重的是0+050～0+260段，共發(fā)現(xiàn)9處滲水，出逸點(diǎn)高程在43.062～44.145m之間，計(jì)算滲透比降最小達(dá)到0.353。1987年6月，庫水位51.2m時用三角堰測得滲漏量達(dá)1396m3/h，經(jīng)1987年、1988年應(yīng)急處理后，大壩滲漏量有所減少，1988年11月庫水位49.5m時，滲漏量為61.2m3/h。1991至今，在汛期庫水位54.7m時，滲漏量又有所增加，最大年份達(dá)480m3/h，大壩防滲加固迫在眉睫。

二、大壩防滲方案的選擇

由于永 水庫大壩滲漏主要集中在老河槽段壩身下部粉質(zhì)粘土夾碎石層及基巖表層，局部深度已達(dá)5.5m，壩基下部弱風(fēng)化石灰?guī)r強(qiáng)度高、防滲性能好，可作為壩基的不透水底板，所以推薦采用垂直防滲方案，在綜合考慮各種垂直防滲方案優(yōu)缺點(diǎn)及投資之后，最終選定高壓擺噴灌漿防滲方案進(jìn)行大壩防滲加固。

1.塑性混凝土防滲墻方案

塑性混凝土防滲墻防滲是利用專用的造孔設(shè)備營造孔槽，采用泥漿護(hù)壁，用導(dǎo)管在注滿泥漿的槽孔中澆筑混凝土并置換出泥漿，形成墻體。適用于粘性土、砂層和砂礫石層，是透水體防滲處理的一種有效措施，處理深度可達(dá)50m，工程質(zhì)量易于控制和保證。墻體連續(xù)性好，防滲性能可靠，墻體為塑性，耐久性好，可適應(yīng)壩體的變形與壩身土結(jié)合緊密。缺點(diǎn)是施工時需填筑10m寬施工平臺，完工后需清理平臺土方，造價高。

2.采用粘土井柱防滲墻方案

粘土井柱防滲墻是沿壩軸線附近用沖抓錐造孔，把原壩體內(nèi)的雜填土、軟弱層抓出，形成直井后回填粘性土，并用重錘夯實(shí)后形成一道連續(xù)的粘土心墻，同時造孔夯實(shí)過程中對井壁周圍的土體有擠密壓實(shí)作用，使其密度增加，滲透系數(shù)減少，從而達(dá)到防滲目的。防滲墻可采用雙排φ1200mm井柱，孔距650mm，排距900mm。粘土井柱防滲心墻能解決壩身與壩基的防滲問題。但其在施工過程中由于庫水位的影響，存在著井壁坍塌問題，多用于15m以下的均質(zhì)土壩。

3.多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻方案

表1 永 水庫加固工程設(shè)計(jì)防滲處理方案比較表

表2 高壓擺噴灌漿工藝參數(shù)

多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻是運(yùn)用特制的多頭小直徑深層攪拌樁機(jī)把水泥漿噴入土體，同時鉆頭旋轉(zhuǎn)攪拌，使噴入土層的水泥漿液與原土充分拌和在一起，形成抗壓強(qiáng)度比天然土強(qiáng)度高的多，滲透系數(shù)較小，并具有整體性、水穩(wěn)定性的樁柱體，搭接成一列形成連續(xù)墻體起到截滲作用。

多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻方案取材方便，施工工序少，速度快，工效高，成墻價低，耐久性好，受庫水位影響較小。方案適用于加固淤泥、淤泥質(zhì)土和含水量較高而地基承載力小于120kPa的粘性土、粉質(zhì)粘土、粉土和砂土等軟弱地基，深度不大于18m。缺點(diǎn)是施工過程中遇到雜石、其他障礙物以及土層容重過大時，處理難度較大。

4.高壓擺噴灌漿防滲墻方案

高壓擺噴灌漿是一種采用高壓水或高壓漿液形成高速噴射流沖擊、切割、破碎地層土體，并以水泥為基質(zhì)漿液充填、摻混于其中使其形成較厚的板墻狀的凝結(jié)體，用以提高地基防滲能力或承載能力的施工技術(shù)。高壓擺噴灌漿比高壓定噴灌漿形成的凝結(jié)體厚，比高壓旋噴灌漿耗漿（灰）量小。防滲墻整體性好，不需進(jìn)行深大基坑開挖，對壩體穩(wěn)定有利；造價相對塑性混凝土地下連續(xù)墻較低；可在高水位情況下施工，工期短，受氣候影響小，施工導(dǎo)流及排水工作量小。缺點(diǎn)是對施工技術(shù)要求高，施工單位技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)應(yīng)相對成熟。

永 水庫防滲加固工程設(shè)計(jì)處理方案比較見表1。

與其他三種防滲方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能比較后，高壓擺噴灌漿具有工效較高、設(shè)備簡單、造價較低等優(yōu)點(diǎn)。尤其是在工期緊、施工干擾大的情況下，具有不需開挖、工作所需場地小的優(yōu)勢，大大降低了施工難度。綜合比較后，推薦采用高壓擺噴防滲加固方案。

三、高壓擺噴防滲墻設(shè)計(jì)

1.試驗(yàn)

為確保本次高壓擺噴灌漿達(dá)到預(yù)計(jì)的防滲、加固的效果，在水庫大壩未加固之前，首先進(jìn)行高壓擺噴試驗(yàn)，即預(yù)先在大壩樁號0+150～0+220段開展單樁及多樁不同布置的成樁試驗(yàn)，確定防滲墻結(jié)合型式及高噴孔距，以確保圍井試驗(yàn)的成功。初步試驗(yàn)結(jié)果表明，確定高噴墻結(jié)合型式采用擺噴折接，孔距1.2m，成墻質(zhì)量較好，可以滿足防滲墻最小厚度要求。而后又選擇地質(zhì)條件有代表性的大壩0+010～0+030段，距大壩軸線15.485m（地質(zhì)情況較為復(fù)雜、碎石層較厚），形成一高噴圍井，在圍井中心布置檢查孔進(jìn)行注水試驗(yàn)（圍井按不同的孔距1.2m、1.6m共布置擺噴孔6個，底部深入基巖1.0m，頂部至地表以下1m。檢查孔直徑130mm，鉆至相對隔水層，孔內(nèi)下φ75mmPVC管）。灌漿結(jié)束15d后進(jìn)行注水試驗(yàn)，滲透系數(shù)在K1=1.53E-07～1.73E-07cm/s之間，滿足設(shè)計(jì)要求。圍井布置形式見圖1。

2.高壓擺噴灌漿孔布置

高壓擺噴灌漿孔布設(shè)于上游壩坡，防滲墻軸線與壩軸線平行，孔距1.2m，根據(jù)單樁及多樁搭接試驗(yàn)和圍井試驗(yàn)成果，采用擺噴折接型式，擺角30°，擺噴中心線與板墻中心軸線的夾角為15°；噴射孔采用間隔性Ⅰ序孔、Ⅱ序孔相間，并在放水涵兩側(cè)加密布置的方法，實(shí)際防滲長度310m。為使截滲墻與基巖良好結(jié)合，灌漿深度控制在壩基弱風(fēng)化層以內(nèi)1.0m。高噴灌漿孔成墻形式如圖2。

3.施工及工藝技術(shù)參數(shù)

高壓擺噴灌漿施工工序由放樣定孔位、鉆機(jī)就位造孔、拔管護(hù)壁、移鉆機(jī)、臺車就位、下噴桿、制漿接管路、開機(jī)輸水漿氣、孔底靜噴、提升噴桿同時噴射漿液、終孔靜噴、移臺車等工序構(gòu)成。

依據(jù)《水工建筑物防滲工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》及現(xiàn)場試驗(yàn)綜合設(shè)計(jì)灌漿，工藝參數(shù)見表2。

4.施工控制要點(diǎn)

（1）孔斜控制

孔斜控制的有效措施包括“鉆前控制+鉆進(jìn)控制”。鉆前控制即確保鉆機(jī)基座水平、立軸垂直，按設(shè)計(jì)要求放線定孔位，孔間誤差應(yīng)小于50mm。鉆進(jìn)控制是指質(zhì)檢員用水平尺檢校鉆機(jī)立軸，調(diào)整鉆機(jī)水平度與垂直度，按設(shè)計(jì)要求測量孔斜，嚴(yán)格控制孔斜率≤1%。

（2）漿液配制與漿、水、氣的經(jīng)常性檢測

灌漿水泥選用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度應(yīng)大于32.5MPa。漿液使用純水泥漿，高速攪拌機(jī)攪拌時間大于30s，從制備到用完時間應(yīng)小于4h，施工前應(yīng)對灌漿材料與漿液作現(xiàn)場試驗(yàn)，采用重量法稱量誤差應(yīng)小于5%。

在高噴灌漿施工過程中，應(yīng)經(jīng)常性檢測漿量、氣量與水壓，測試漿液進(jìn)漿和回漿比重，一般進(jìn)漿密度、回漿密度每20min測量記錄一次，水壓由專人不間斷進(jìn)行觀察。

（3）中斷噴漿的處理

高噴灌漿應(yīng)全孔作業(yè)，當(dāng)因拆卸噴射管或事故造成注漿中斷，恢復(fù)噴漿時，必須按規(guī)范進(jìn)行一段長度的復(fù)噴，以保證截滲墻的連續(xù)性和可靠性。

（4）靜壓回灌

在高噴施工中噴射結(jié)束后，必須連續(xù)將回漿（若回漿不夠時用新攪拌的漿液）回灌至孔內(nèi)，直至孔內(nèi)液面不下降為止。

5.應(yīng)用效果

永 水庫除險加固后于2009年5月蓄水后，原滲漏嚴(yán)重的0+050～0+260處下游壩坡未發(fā)現(xiàn)明顯滲漏現(xiàn)象。2009年8月，安徽省水利工程檢測中心站分別采取現(xiàn)場探地雷達(dá)、探坑、現(xiàn)場注水與室內(nèi)試驗(yàn)等方法對截滲墻進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明：探坑處墻體連續(xù)，搭接良好，墻體材料較均勻；全壩段截滲墻雷達(dá)反射波形表現(xiàn)為高頻低幅特征，同相軸連續(xù)，水泥土截滲墻均勻且連續(xù)，成墻質(zhì)量較好。通過現(xiàn)場注水試驗(yàn)測得墻體的滲透系數(shù)在 8.46×10-8～1.09×10-7cm/s之間；室內(nèi)試驗(yàn)恒定水頭壓力控制在1.5～2.0MPa時測定墻體的滲透系數(shù)在4.47×10-7～6.28×10-7cm/s之間；墻體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在4.13～7.13MPa之間。各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

四、結(jié)語

高壓擺噴灌漿技術(shù)適用范圍廣，可行性高，具有設(shè)備簡單、工效高、造價低于混凝土防滲墻等優(yōu)點(diǎn)，同時較靜壓灌漿具有顯著的優(yōu)越性，與其他工法相比，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，為處理堤壩基礎(chǔ)防滲提供了一個新的途徑。在其他工程中應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)時須選取較有代表性的大壩壩體分別開展單樁、多樁以及圍井試驗(yàn)，通過試驗(yàn)修正設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，從而取得符合工程實(shí)際情況的施工工藝參數(shù)，作為施工控制的依據(jù)。同時，還必須嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，尤其在造孔及灌漿噴射過程中，監(jiān)理人員應(yīng)24h每孔跟班，發(fā)現(xiàn)問題及時進(jìn)行處理■