高壓噴射防滲墻在千年水庫壩基防滲中的應用

杜彩霞

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 千年水庫壩基高壓噴射防滲墻施工情況概述

千年水庫位于呂梁市離石區境內，包括水庫樞紐和供水工程兩部分。水庫樞紐由大壩、導流泄洪洞、溢洪道、供水工程取水口等組成。大壩為碾壓式均質土壩。大壩最高壩高38 m，壩頂總長344.2 m，總庫容608萬m3。根據設計圖紙提供的壩基地層以混合土卵石或卵石混合土為主，其頂部土層覆蓋層較厚，所以對該段土層不進行高噴灌漿，只對土層以下的混合土卵石或卵石混合土進行高噴灌漿，形成防滲體。

根據千年水庫大壩主體工程的合同文件和施工規范的要求，在主體工程開工前，先進行高壓旋噴防滲墻試驗施工，施工結果驗證了擬定的高壓旋噴灌漿技術參數能夠保證本工程的施工質量，能夠達到設計所要求的高噴灌漿墻體滲透系數不大于1×10-6cm/s、墻體結石強度5～15 MPa，故采用了高壓旋噴防滲墻施工方案。

2 高壓噴射灌漿試驗方案的實施及結果分析

2.1 高壓旋噴防滲墻試驗區域和施工方法的選定

主體工程高壓旋噴防滲墻位于大壩防滲軸線樁號起止為FS0＋307～FS0＋432段，本段根據設計圖紙提供的地層情況，其頂部土層不進行高噴灌漿，只對土層以下混合土卵石或卵石混合土進行高噴灌漿，形成防滲體。試驗區域選擇與主體工程地層類似的地段進行此次高壓旋噴灌漿試驗，選擇在壩體下游排水棱型體的右側，其地質條件與高噴防滲墻軸線的地層（卵石層）相似，開挖上部土體后進行高噴試驗。

本次高壓旋噴防滲墻試驗采用設計提供的二管法，以漿液作為噴射流的方法進行，施工中采用了分序加密的原則分兩序進行了鉆噴，及先鉆噴Ⅰ序孔，最后鉆噴Ⅱ序孔，板墻墻體凝結7 d后進行了檢查孔靜水頭壓水試驗，14 d后在圍井下游側開挖查看并鑿取墻體獲取墻體凝結強度等方法進行了檢查。

2.2 高壓旋噴防滲墻試驗施工工藝

1）鉆孔定位

本次高噴灌漿試驗共分兩排，總計21個孔，其中試驗高噴灌漿孔16個，封底封頂孔4個，壓水試驗檢查孔1個。高噴防滲墻體按照設計要求設7個孔與其余9個孔形成圍井墻體。另外，為形成一個完整封閉的圍井，還需要檢查孔周圍鉆4個孔。試驗孔按照設計提供的孔距1.5 m及排距0.8 m布置，按照分序加密呈梅花型布置的原則在試驗區域內進行了孔位定位。高壓旋噴防滲墻試驗孔孔位布置見圖1。

2）鉆孔

圖1 高壓旋噴防滲墻試驗孔孔位布置圖

高噴灌漿試驗孔采用了300型地質鉆機，并嚴格按照分序的原則進行了鉆進，及先鉆Ⅰ序孔，最后鉆Ⅱ序孔。

鉆孔工作在高噴灌漿施工中占有極其重要的作用，因此從孔向、孔序、孔徑、孔深以及制漿護壁等方面都將進行了嚴格的控制，保證了鉆孔質量。

（1）孔向：鉆機安裝牢固平穩，并用水平儀找平；鉆機立軸和孔口管的方向與設計孔向一致；開孔時輕壓慢鉆，當鉆至一定深度后改用較長的粗徑鉆具鉆進。

（2）孔序：嚴格按照了分序加密的原則進行了鉆進。

（3）孔徑：為保證Φ50 mm的高壓噴射管順利下放到設計孔底，選用了大口徑的Φ108 mm合金鉆頭進行了鉆進。

（4）孔深：開挖平臺以下12 m。

（5）制漿護壁：由于鉆孔地層以混合土卵石層為主，為了防止鉆孔坍塌，在鉆孔過程中使用了親水性好、分散性高、穩定性、黏著性及可塑性強的黏土和膨潤土進行了制漿護壁。

3）臺車就位

保證高噴臺車的孔口裝置和鉆孔同一軸心，用水平儀找平。當臺車就位后檢查氣、漿管路，然后試噴，各項指標均達到設計要求后，開始準備下噴射管。

4）下噴射管

下管過程中，為防止泥砂堵塞漿、氣噴嘴，對其纏上膠布進行了保護，然后緩慢下放噴射管直到孔底。

5）高噴灌漿

本工程高噴灌漿設計為360°旋噴，成墻后墻體成柱狀體。

（1）參數設定

水泥漿液按照水灰比1∶1進行攪拌制漿；漿液流量及噴射流壓力通過高壓灌漿泵無級調速電機調節轉速進行控制；氣壓力及流量通過空壓機調壓閥進行控制；旋轉速度及提升速度通過調整高噴臺車上無級調速電機分別進行控制；漿液密度分為進漿比重和冒漿比重，均用人工采用比重計進行測量。

（2）噴射提升及成墻

當噴射管下至孔底后，開始靜噴。靜噴系將高壓灌漿泵、空壓機、高噴臺車等全部灌漿機械全部運轉，通過噴射管向孔內注入純水泥漿液以及壓縮氣，當灌漿壓力、氣壓力、旋轉速度、漿流量、進漿密度等各項技術參數指標達到設計要求后，且孔口冒漿比重不小于1.2 g/cm3時，按設計擬定的提速噴嘴一面提升，一面進行旋噴。旋噴時，漿液噴射流沿著自下而上和旋轉的復合作用切削地層，在切削攪拌、升揚置換、充填擠壓、滲透凝結以及旋轉離心力和重力的作用下，形成柱狀凝結體墻體。

當噴嘴噴至離孔口1.0 m處時停噴，提出噴射管。灌漿結束后利用后一個孔的冒漿對前一個孔進行靜壓回灌，回灌結束標準為孔口液面不再下降。

在檢查孔周圍鉆4個孔，孔深12 m，對其下部2 m和上部2 m進行高噴，封閉圍井底部和頂部。

（3）高噴灌漿質量控制

高噴灌漿屬于隱蔽工程，為了保證工程質量，施工中對各個施工環節都進行了嚴格的控制。首先保證進入施工現場的水泥均有廠家提供的水泥出廠合格證和化驗單，并對所進水泥進行了抽樣檢測，其質量符合國家現行有關技術規范的要求；其次對噴射提升環節進行了嚴格的控制，進漿比重通過灰漿攪拌桶上的水位刻度以及重量法稱出水泥進行配比，回漿比重每隔10 min用比重計測量一次，始終保持了進漿比重不小于1.5 g/cm3，回漿比重不小于1.2 g/cm3，高壓灌漿泵、空壓機以及高噴臺車設有專職技術員進行操作，各個技術參數均滿足高噴試驗方案的要求。

由于施工中對施工質量進行了嚴格控制，所以高噴灌漿試驗孔無一例質量事故的發生。高壓旋噴防滲墻試驗孔設計及施工技術參數對比見表1。

2.3 高壓旋噴防滲墻試驗孔檢查驗收

表1 高壓旋噴防滲墻試驗孔設計及施工技術參數對比表

高噴灌漿試驗孔完成后，通過檢查孔靜水頭壓水試驗、墻體兩側開挖以及墻體凝結強度三種方法對墻進行了檢查。

1）檢查孔靜水頭壓水試驗

高噴灌漿試驗孔完成7 d后，在墻體中心位置進行了檢查孔鉆孔，檢查孔深度10.00 m，墻體頂部至自然地面之間有1.0 m土層，然后下入10 m長的花管?；ü芘c封頂層凝結體用水泥密封。

花管與凝結體完成密封后，施工技術人員利用1 d時間向檢查孔內不計量地注水，讓墻體內水流處于一個穩定的流量狀態，并于次日進行了靜水頭壓水試驗。

實驗開始前，先用量杯將套管內注滿清水，然后開始壓水試驗。在試驗過程中，隨時向套管內注入清水，使水面與套管口始處于同一水平面上，并每5 min測讀一次注入量。當測讀數據符合施工規范要求后，結束壓水試驗。本次壓水試驗共測讀數據4組，詳見檢查孔壓水試驗注入量數據成果一覽表（表2）。

根據水工建筑物水泥灌漿施工技術規范（DL/T 5148-2001），取最小流量0.155 L/min為計算用穩定流量。

高壓旋噴防滲墻防滲性能檢查是通過《水電水利工程高壓噴射灌漿技術規范》（DL/T5200—2004）附錄B滲透系數公式來驗證的。公式如下：

表2 檢查孔壓水試驗注入量數據成果一覽表

式中：K——滲透系數，m/d；

Q——穩定流量，L/min；

t——高噴墻平均厚度，m；

L——圍井周邊高噴墻軸線長度，m；

H——圍井內試驗水位至井底的深度，m；

h0——地下水位至井底的深度，m。

開挖后墻體平均厚度t為0.86 m，L為12.1 m，H為10 m，h0為5.7 m，結合滲透系數公式，求得滲透系數 k=0.000 47 m/d，即 k=0.5×10-6cm/s。

2）墻體兩側開挖

檢查孔壓水試驗完成后，一周以后進行了對高噴墻體下游側深度3.0 m的開挖。

從墻體現場開挖來看，下游側SY2-5、SY2-6、SY2-7噴柱樁徑平均為1.25 m，未搭接。開挖測量數據詳見板墻墻體下游側開挖測量數據成果一覽表（表3）。

3）墻體凝結強度

表3 板墻墻體下游側開挖測量數據成果一覽表

開挖檢查完成后，分別在墻體不同的位置不同深度采取試塊，并送往試驗室作抗壓試驗，試驗結果為7.8 MPa，滿足設計要求的5～15 MPa。

2.4 試驗結果分析

1）檢查孔壓水試驗滲透系數k=0.5×10-6cm/s，符合設計要求的小于1×10-6cm/s。

2）從防滲墻現場開挖以及結合測量數據可以明顯看到：（1）同一排上噴柱之間未能搭接上，排之間梅花型布置能夠搭接。（2）卵石層由于漂石粒徑過大，漿液噴射流在噴射過程中根本就不能將其切割，使卵石與卵石縫隙之間以及卵石的背流面，水泥漿液難以充填，造成墻體沒有搭接上，達不到設計所要求墻體最小厚度要求的標準。

土層和過渡層墻體厚度能滿足設計要求，卵石層中墻體搭接不上的原因有四種：第一、設計提供的孔距過大，已超出漿液噴射流有效的噴射范圍之外。第二、從墻體開挖的現場來看，地層中含漂石過多過大，漿液噴射流很難將其切割。第三、噴射提速在卵石地層中提升相對過快，造成噴射流在同一地段噴射切割地層次數減少。第四、漿液噴射壓力相對較小，導致有效的噴射范圍縮短。

以上所述四種原因，都是導致此次高噴防滲墻墻體在卵石地層中搭接不上的直接因素。根據以往類似工程豐富的施工經驗，原因分析中第三條噴射提速以及第四條噴射壓力通過改進應該能夠保證該工程在卵石層中高噴灌漿的質量，所以導致卵石層中墻體搭接不上的最主要因素是該地層中含有較多較大的漂石以及設計提供的孔距過大。

3）分別在墻體不同的位置不同深度采取試塊，并送往試驗室作抗壓試驗，試驗結果為7.8 MPa，滿足設計要求的5～15 MPa。

4）根據本報告表3中提供的單孔有效噴射直徑最小1.21 m以及上述內容的分析，為了保證本工程高噴防滲墻的質量，調整孔距為1.0 m，其余技術參數采用設計參數。

3 大壩壩基高噴灌漿的施工

大壩壩址右岸黃土臺地下古河道沉積物為卵石混合土屬強透水帶，采用高壓旋噴灌漿進行防滲處理，處理范圍為FS0+307～FS0+432段。共設兩排灌漿孔，按分序加密呈梅花形布置，孔距1.0 m，排距0.8 m，高壓旋噴底部伸入到基巖強風化線以下3 m，頂部伸入到壩體內3 m。

3.1 施工準備

1）施工道路。主要利用施工期間大壩下游通往右岸黃土臺地部位的施工道路。另在灌漿平臺下游側平行灌漿軸線修筑一條縱向施工運輸道路滿足場內材料、機械設備的運輸。

2）施工用水。施工用水從河道中接管路抽取，集中制漿站配備一個15 m3水箱，兩套灌漿機組各配置一個10 m3水箱，利用水泵將水抽至水箱，水箱內時刻保持滿水以保證機組內部灌漿使用。

3）施工用電。施工用電從大壩下游施工營地安設的變壓器接取。

4）施工用風。共配備兩臺6 m3/min空壓機，每臺灌漿機組配備一臺，再由高壓風管接至控制臺，保證灌漿用風。

5）施工平臺。施工平臺為高噴作業的場地，沿高噴防滲墻設計軸線布置。平臺寬8 m，跟灌漿軸線同長，基礎用推土機推平，碾實。

6）水泥制漿站及棄漿池。本工程擬采用集中制漿，制漿站配置一個50 t散裝水泥罐和一套水泥攪拌系統，將制備好的漿液供應到兩臺機組。棄漿池沿灌漿平臺下游側間隔80 m挖設兩個，單池容量20 m3。施工中用排污泵及時將棄漿池中的廢漿排至下游截水槽中或監理指定的位置，然后集中清理。

7）泥漿攪拌系統。泥漿攪拌系統采用分散制漿。每個機組設一個制漿站，供應本機組鉆孔使用。制漿站布設在灌漿平臺下游側，每站配置2 m3臥式攪拌機1臺、250型泥漿泵2臺、6 m3泥漿池1個，制好的泥漿放入泥漿池，然后由泥漿泵送至各鉆機，泥漿從孔內冒出以后再回收到泥漿池里，經過濾、沉淀，調整濃度后再進行重復利用。

3.2 高噴灌漿原材料

高噴灌漿的漿液為純水泥漿液，其材料主要是水泥和水。

1）水泥。高噴灌漿所用水泥一般采用普通硅酸鹽水泥，標號不小于42.5。本工程采用標號42.5散裝普通硅酸鹽水泥。

2）水。施工用水采用河水，施工時從大壩下游蓄水池內接管路抽取。

3）摻合料。為減緩水泥漿液沉淀速度，在硅酸鹽水泥中添加3%水泥重量的膨潤土和3%的膨潤土重量的碳酸鈉。

4 結語

高噴灌漿技術是一種新型的防滲技術，不僅能有效地解決滲漏問題，還能提高地基結構的穩定性，適于在大壩防滲工程中廣泛推廣和應用。千年水庫竣工驗收后，在管理單位正常維護下，目前運行良好，滿足設計的防滲要求，施工質量得到業主的好評。