高壓噴射灌漿技術(shù)在病險(xiǎn)壩防滲加固中的應(yīng)用

程雄輝

（婺源縣水利水電建筑工程有限公司，江西 婺源 333200）

水利工程在投入使用一段時(shí)間后，因?yàn)榈刭|(zhì)擾動(dòng)或年久失修，壩基、壩體等部位容易出現(xiàn)不同程度的裂隙，除了會(huì)發(fā)生滲漏問(wèn)題外，還有可能引起潰壩事故。因此，對(duì)于病險(xiǎn)壩要及時(shí)開展防滲加固處理，目前常用的處理技術(shù)有多種，高壓噴射灌漿技術(shù)具有施工操作較為簡(jiǎn)便、防滲加固效果良好等一系列優(yōu)勢(shì)，在水利工程病險(xiǎn)壩處理中應(yīng)用較為廣泛。施工人員在應(yīng)用這一技術(shù)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)鉆孔環(huán)節(jié)、制漿環(huán)節(jié)和高壓噴射環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制。通過(guò)采取精細(xì)化的技術(shù)管控措施，才能進(jìn)一步提升病險(xiǎn)壩的防滲加固效果，確保水利工程得以安全運(yùn)行。

1 工程概況

某水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，始建于1996年，2007年做大壩加高處理。目前攔河壩最大壩高為23.7 m，壩頂長(zhǎng)1 323.7 m，寬6.1m，壩頂高程105.3 m。最大庫(kù)容8.11×109m3，最大泄流量6 216 m3/s，設(shè)有8個(gè)泄洪閘。水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況來(lái)看，該水庫(kù)壩基中部以砂卵石和礫質(zhì)粗砂為主，透水性較強(qiáng)。加上降壓井長(zhǎng)期缺乏維護(hù)，對(duì)承壓水的釋放效果變差，導(dǎo)致多處壩段承壓水位超過(guò)地面，使得水利工程在使用過(guò)程中存在較大的安全隱患。本文以6+000—6+200壩段為例，采用高壓噴射灌漿技術(shù)對(duì)該處病險(xiǎn)壩做防滲加固處理。

2 高壓噴射灌漿方案設(shè)計(jì)

2.1 工藝設(shè)計(jì)

本次施工中防滲加固壩段上共布置了282個(gè)孔，從6+000開始進(jìn)行編號(hào)，依次為1#、2#…282#。為防止高壓噴射灌漿時(shí)相鄰2個(gè)孔出現(xiàn)串漿、塌孔等問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)施工采取了序孔相間施工方法。將鉆孔分成3序，其中1、4、7…為I序，2、5、8…為II序，3、6、9…為III序。高壓噴射灌漿的施工流程如圖1所示。

2.2 高壓噴射防滲墻設(shè)計(jì)

本次工程中將高壓噴射灌漿點(diǎn)設(shè)置在水庫(kù)大壩103 m平臺(tái)上，此處土質(zhì)以粉質(zhì)壤土為主，防滲墻中心線與壩軸線平行。高壓噴射作業(yè)選擇三重管高壓擺動(dòng)噴射灌漿方法，按照“由上到下”的順序依次完成注漿。高壓噴射防滲墻的厚度要求不低于20 cm，從粉質(zhì)壤土頂板上1.2 m開始灌注，至基巖下1.0 m。相鄰2個(gè)灌漿孔之間以折線方式連接，折線軸線與防滲墻軸線之間夾角120°，擺角30°，間隔距離為1 400 mm，具體布置如圖2所示。

本次工程中所用漿液主要由3種材料配制而成，分別是水泥、黏性土和水，三者比例為0.7∶0.3∶1.1。其中水泥使用42.5普通硅酸鹽水泥，黏性土為膨潤(rùn)土。水壓力為40～42 MPa，水量為65 L/min；氣壓力為0.8 MPa，氣量為1 m3/min；漿壓力為0.6 MPa，漿量為100 L/min。噴嘴的擺動(dòng)速度為6°/s，噴嘴最大擺動(dòng)角度為45°。不同土層的噴嘴提升速度有差異，其中砂層最快，在12～15cm/min，土層次之，在8～10 cm/min，卵石層最慢，在7～8 cm/min。

3 高壓噴射灌漿施工要點(diǎn)

3.1 結(jié)合地質(zhì)資料開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

開始病險(xiǎn)壩防滲加固施工前，應(yīng)當(dāng)開展工程所在地區(qū)的水文地質(zhì)勘察，充分掌握該地區(qū)的地質(zhì)條件、水文特點(diǎn)，為后續(xù)的防滲加固處理提供依據(jù)。按照施工方案進(jìn)行高壓噴射孔的測(cè)量放樣，標(biāo)記出孔位并復(fù)核確認(rèn)無(wú)誤后，開始進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。沿著防滲板墻的軸線，每隔15 m布置一個(gè)地質(zhì)先導(dǎo)孔。同時(shí)結(jié)合地質(zhì)勘查資料，對(duì)于局部砂層、基巖面變化明顯的地區(qū)要采取加密處理措施。然后通過(guò)先導(dǎo)孔鉆芯取樣并開展實(shí)驗(yàn)室分析，以便于準(zhǔn)確掌握砂層、基巖面的變化情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，科學(xué)確定各個(gè)鉆孔的深度，保證鉆孔底部能夠深入基巖面，從而提高防滲加固效果。

3.2 造孔

現(xiàn)場(chǎng)鉆孔前應(yīng)使用經(jīng)緯儀確定孔位，保證孔位的實(shí)際坐標(biāo)與設(shè)計(jì)圖上標(biāo)注的坐標(biāo)最大偏差小于等于5 cm。如果孔位偏差太大，需要重新鉆孔。經(jīng)復(fù)核確定孔位無(wú)明顯偏差后鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)。為防止鉆孔期間鉆機(jī)傾斜、抖動(dòng)而影響成孔質(zhì)量，需要進(jìn)行地面整平處理，并放置幾條墊板，使用水平尺檢查并調(diào)整墊板，使其保持水平，然后將鉆機(jī)置于墊板上。使用經(jīng)緯儀調(diào)整鉆機(jī)主軸與水平面之間呈90°，然后固定鉆機(jī)，設(shè)定好鉆機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，包括鉆頭轉(zhuǎn)速、進(jìn)給壓力和鉆孔深度等。本次工程中要求開孔直徑和終孔直徑均為120 mm，根據(jù)這一參數(shù)合理選擇鉆頭。同時(shí)要求鉆孔深度需要進(jìn)入第三紀(jì)粘土巖的深度大于等于1.0 m。啟動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工人員還應(yīng)密切關(guān)注鉆機(jī)運(yùn)行工況，如果遇到壓力示數(shù)增加但是鉆孔深度不變的情況，考慮可能是遇到堅(jiān)硬石塊，應(yīng)及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)方式，改為沖擊鉆進(jìn)模式破碎石塊，保證鉆孔順利。另外，還應(yīng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)孔深，避免出現(xiàn)超鉆或欠鉆；關(guān)注孔斜率變化，本次工程中要求孔斜率小于等于0.8%，如果接近該值要及時(shí)調(diào)整，保證成孔質(zhì)量?？咨钸_(dá)到設(shè)計(jì)要求后，反旋拔除鉆頭，并清理鉆孔內(nèi)的泥渣、碎石，檢查成孔效果，確?？讖?、孔斜率等參數(shù)符合要求，無(wú)孔壁開裂問(wèn)題。最后使用清水沖洗鉆孔，觀察到反出水清澈后方可停止。之后鉆機(jī)移動(dòng)至下一孔位點(diǎn)繼續(xù)鉆孔。

3.3 制漿

本次工程中所用漿液均要求現(xiàn)配現(xiàn)用，避免漿液離析、泌水而影響灌漿加固效果。如上文所述，漿液按照水泥∶膨潤(rùn)土∶水=0.7∶0.3∶1.1的比例配制。確定該配合比后，還要對(duì)各類物料的質(zhì)量做嚴(yán)格檢查。每一批次的42.5普通硅酸鹽水泥應(yīng)提供出廠化驗(yàn)報(bào)告，并且在水泥進(jìn)場(chǎng)后做好防潮處理，避免結(jié)塊影響使用。鈣質(zhì)膨潤(rùn)土的分散性良好，制漿用水保證干凈。干料嚴(yán)格按照配比進(jìn)行稱重，然后將水泥與膨潤(rùn)土充分混合后再加入水?dāng)嚢瑁谱鞯玫綕{液。攪拌時(shí)間控制在8～10 min，以保證漿液均勻、無(wú)明顯顆粒為宜。最長(zhǎng)攪拌時(shí)間不得超過(guò)12min，防止離析。漿液制備完畢后要求在6 h內(nèi)使用完畢，超過(guò)6 h后以廢漿處理。另外，由于本次施工是在夏季進(jìn)行，因此還對(duì)漿液溫度有特殊要求，采取防曬與降溫措施，使?jié){液最高溫度不超過(guò)40℃。

3.4 高壓噴射灌漿

漿液制備完成后盡快用于高壓噴射灌漿，要求相序間隔施工不低于3 d，可有效減少高壓噴射注漿時(shí)出現(xiàn)串漿等情況。1#孔下放噴射管前，要選擇就近的一處空地進(jìn)行試噴，其目的是檢查設(shè)備運(yùn)行是否正常，管路有無(wú)堵塞問(wèn)題，同時(shí)校正噴射方向。然后將噴射管伸入鉆孔內(nèi)部，要求噴嘴距離孔底15～20 cm，在高壓噴射機(jī)具上設(shè)定作業(yè)參數(shù)，包括灌漿壓力、漿液流量和擺動(dòng)速度等。各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定完畢后，啟動(dòng)設(shè)備開始灌漿?，F(xiàn)場(chǎng)高壓噴射灌漿應(yīng)當(dāng)按照“一邊噴射、一邊擺動(dòng)、一邊提升”的操作方式，從下往上完成該鉆孔的灌漿。期間施工人員還要密切關(guān)注施工參數(shù)，判斷灌漿壓力是否穩(wěn)定，漿液量是否有突然減少或增加的情況，以及進(jìn)出漿比重是否正常等。如果發(fā)現(xiàn)異常要立即停止注漿，解決問(wèn)題后再繼續(xù)施工?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)保證孔內(nèi)漿液順利上返，保證漿液封堵裂隙后可以順利從孔口排出，避免出現(xiàn)壩體劈裂現(xiàn)象。觀察到孔口返漿后即可停止灌注，靜置一段時(shí)間后利用回漿進(jìn)行二次灌注，直到孔口漿液面不再下降，然后移動(dòng)至下一鉆孔繼續(xù)灌漿。

3.5 施工中特殊情況的處理

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工中遇到的一些特殊情況，也要求施工人員能夠給予妥善處理，從而保證病險(xiǎn)壩的防滲加固達(dá)到理想效果。本次施工中對(duì)于特殊情況采取了以下處理措施。①灌漿期間遇到進(jìn)漿、回漿比重不符合，甚至是無(wú)回漿，需要調(diào)整設(shè)備參數(shù)，減慢提升速度，等到回漿量及進(jìn)出漿比例恢復(fù)正常后，再調(diào)回原參數(shù)進(jìn)行作業(yè)。②單孔灌漿要求一次性完成，因特殊情況導(dǎo)致灌漿中斷的，需要盡快復(fù)噴。同時(shí)復(fù)噴時(shí)要求新舊兩端漿液的搭接長(zhǎng)度大于等于0.5 m，以提高加固效果。③如果灌漿期間發(fā)現(xiàn)相鄰兩孔有串漿情況，要立即封堵串漿孔。

3.6 施工質(zhì)量檢查

所有孔全部按照要求進(jìn)行灌漿處理后，進(jìn)行30 d的養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后開始進(jìn)行施工質(zhì)量檢查。本次工程中分別采取了2種試驗(yàn)，即圍井注水試驗(yàn)和鉆孔取芯試驗(yàn)。圍井注水試驗(yàn)用于檢驗(yàn)防滲墻的滲透性能，該試驗(yàn)在養(yǎng)護(hù)結(jié)束后開始。利用防滲墻的灌漿孔和鑿出的新灌漿孔圍成封閉的圍井。同時(shí)在圍井的中心處鉆一個(gè)質(zhì)檢孔，向該孔內(nèi)注水，并根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)封閉圍井的滲透效果來(lái)判斷防滲墻的質(zhì)量，具體布置形式如圖3所示。

圍井注水試驗(yàn)參考《水工建筑物防滲工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。在本次病險(xiǎn)壩防滲加固設(shè)計(jì)方案中，要求防滲墻的滲透系數(shù)K≤1.0×10-5cm/s，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

結(jié)合表1數(shù)據(jù)可知，本次圍井注水試驗(yàn)中所選4個(gè)孔位，其滲透系數(shù)均小于設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明防滲加固達(dá)到了理想效果。

表1 圍井注水試驗(yàn)結(jié)果

鉆孔取芯試驗(yàn)用于檢測(cè)防滲墻結(jié)石體的強(qiáng)度。正常情況下，漿液從鉆孔滲透到壩體或巖層的裂隙后，通過(guò)堵塞裂隙從而達(dá)到防滲、加固的效果，因此結(jié)石體的強(qiáng)度會(huì)有明顯上升。本次試驗(yàn)分別在施工段隨機(jī)選出2處進(jìn)行鉆孔取芯，1#孔的塊體密度為1.80 g/cm3，抗壓強(qiáng)度為2.50 MPa，變形模量為9.12×103MPa，抗剪強(qiáng)度為0.64 MPa；2#孔的塊體密度為1.72 g/cm3，抗壓強(qiáng)度為1.88 MPa，變形模量為8.47×103MPa，抗剪強(qiáng)度為1.83 MPa。2次檢測(cè)結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明本次病險(xiǎn)壩防滲加固取得理想效果。

4 工程效果

在高壓噴射灌漿結(jié)束并進(jìn)行防滲墻質(zhì)量檢查后，對(duì)6+000—6+200壩段102.5 m左右測(cè)壓管進(jìn)行了觀測(cè)，并記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)整理見(jiàn)表2。

表2 庫(kù)水位102.5 m左右測(cè)壓管水位

結(jié)合表2可知，在庫(kù)水位相同的情況下，采取防滲加固措施后測(cè)壓管內(nèi)水位有所下降。其中，2#測(cè)壓管的水位降幅最小，為0.25 m，3#測(cè)壓管的水位降幅最大，達(dá)到了0.55 m，說(shuō)明高壓噴射防滲墻起到了較好的防滲效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

高壓噴射灌漿是現(xiàn)階段病險(xiǎn)壩除險(xiǎn)加固中較為常用且效果良好的技術(shù)措施。從技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，成孔效果、漿液質(zhì)量和高壓噴射技術(shù)等，是決定防滲加固效果的主要因素，同時(shí)也是現(xiàn)場(chǎng)施工中予以控制的關(guān)鍵點(diǎn)。在本次施工中，通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)，嚴(yán)格按照配比制作漿液材料，以及加強(qiáng)高壓噴射中技術(shù)要點(diǎn)的把控，保證了防滲加固施工的順利完成。從最終的質(zhì)量檢驗(yàn)來(lái)看，防滲墻在抗?jié)B性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，取得了理想的防滲加固效果。