单管高压旋喷防渗墙在土坝防渗工程中的应用

丁丽珍

（福建省泉州市洛江区农业水务局 362011）

1 工程概况

新南水库位于泉州市洛江区双阳街道新田村，总库容143万m3。是一座以防洪为主，兼有灌溉、供水等功能的小（1）型水库。大坝为均质土坝，最大坝高27.30m，坝顶宽4m，坝顶长210m。水库保护下游0.7万人口和67hm2耕地及武警支队、顺源汽车学校等单位。因此，水库的安全运行对下游广大群众的生命财产和经济建设至关重要。

新南水库于1956年兴建，1959年竣工，1965年大坝加高，土坝加高9m，将位于左岸的溢洪道回填，另在右岸新建溢洪道，由于新旧坝体回填时处理不当，为工程留下了隐患。水库运行至今已有50多年，据现场调查了解，当水库运行水位超过70.0m时，大坝下游面中部出现湿坡和散浸现象，大坝左坝坡与山体交界处存在漏水等问题。

2 大坝防渗方案的确定

现场钻孔注水试验及土样试验显示，大坝土料的平均渗透系数K=1.53×10-4cm/s，属中等透水，填土密实度低，孔隙率大。针对坝身存在的上述问题，提出如下处理方案并进行比较：ⓐ采用充填灌浆防渗；ⓑ在坝体上游铺设复合土工膜；ⓒ混凝土防渗墙；ⓓ深层搅拌桩防渗；ⓔ高压旋喷防渗墙防渗。

方案ⓐ充填灌浆防渗投资小，施工简单，可增加坝体密实度及渗透系数，但问题处理不彻底，每3～5年需要重复灌浆。方案ⓑ铺设土工膜，工序多、人工投入多，需放空库施工，且坡比必须达到1∶2.5以上，新南水库上游坡太陡，不利于复合土工膜的稳定，坝面与山体、坝底接合部位的搭接质量较难控制。方案ⓒ混凝土防渗墙有较高的强度和防渗性能，但其弹性模量也大，与土坝变形不协调，导致防渗墙和土坝接合面脱开，难以满足防渗墙与土坝协调变形要求，且工程造价较高。方案ⓓ深层搅拌桩和方案ⓔ旋喷防渗墙都是形成水泥土加固体，在加固效果方面，由于单管高压旋喷法注浆量大，被加固土体的吸浆量较饱和，而深层搅拌法注浆量相对较小，被加固土体的吸浆量不够饱和。因此，一般来说单管高压旋喷桩的承载力及抗渗性要优于深层搅拌桩。但深层搅拌法节省材料用量，深层搅拌桩目前一般的施工深度多在13～14m，工程质量控制较好，该工程平均深度18.23m，深度越深，垂直度偏差越难控制。各方案比较见表1。

鉴于新南水库是双阳街道的主要生活水源，水库保护下游0.7万人口和67hm2耕地及武警支队、顺源汽车学校等单位，其防洪效益尤为重要。综合相关因素分析，单管高压旋喷灌浆防渗墙在其可靠性、耐久性、防渗效果方面明显优于其他方案，虽然造价略高，但本着彻底处理、不留隐患的原则，该工程采用单管高压旋喷灌浆防渗墙作为大坝防渗处理方案。

3 高压旋喷防渗墙设计

单管高压旋喷法是高压喷射注浆法之一，它是利用360°旋转高压喷射浆流连续地对加固土体产生切割、冲击破碎和搅动作用，使注入的浆液和土体混合凝固为新的圆柱状固结体——水泥土，水泥土具有较强的抗压及抗渗性能，因此采用该工法可起到强化地基和防水止渗的作用。

3.1 桩径取值

防渗墙厚度按下式计算取值：

表1 各方案分析比较情况

式中 δ——最小防渗墙厚度；

ΔH——防渗水头差，m；取最不利情况22.5m；

[J]——设计允许破坏比降，水泥土桩体取80。

经计算，δ=0.28m，取工程桩径D=0.6m，孔距L=0.5m，桩与桩搭接为10cm，桩与桩的交圈厚度e=（D2-L2）1/2=0.33m＞0.28m，满足要求。考虑到防渗墙体连续性和施工方面的因素，本工程桩径取不小于0.6m。

3.2 技术参数

新南水库坝顶全长188m，该方案从大坝坝顶桩号0+000～0+158段布设单排旋喷防渗墙，坝体防渗采用单管高压旋喷防渗墙，旋喷桩桩径不小于0.6m，孔距为0.50m，桩与桩搭接不小于10cm。旋喷防渗墙钻孔进入基岩以下0.5m，施工分两序孔间隔进行。灌浆施工的各种技术参数见表2。

表2 技术参数表

大坝旋喷桩防渗加固如下图所示。

旋喷柱防渗墙布置图

4 高压旋喷灌浆质量控制

4.1 试桩及施工参数的确定

施工前应根据设计资料，结合工程实际情况进行现场试验或试验性施工，检验施工设备是否满足设计要求，确定施工参数及施工工艺。

试桩完成经过一定时间（7天以上）后，可以开挖一定深度进行桩体外观检查，测量桩径，同时在桩体上取芯，进行无侧限抗压试验，获取抗压强度值。从实测桩径、抗压强度值中选取满足设计要求的一组施工参数：孔径达到0.6m时，注浆压力需25 MPa以上；基岩内提升速度15cm/min，坝体内提升速度20cm/min；旋转速度 18r/min；水灰比 1∶1，水泥浆液比重为1.49。

4.2 施工工艺方面的控制

4.2.1 钻机就位、成孔

钻机就位应准确，偏差不大于50mm；成孔的垂直精度必须控制在1.5%以内，才能保证桩间的咬合，其施工技术要求较高。该工程采用新型XL—50型履带式旋喷钻机，钻机就位平整，成孔深度满足设计要求。

4.2.2 浆液配制搅拌

为了保证浆液的浓度，应当采用二次搅拌配制浆液，即在第一只搅拌桶中按确定的水灰比配制并搅拌水泥浆液，用比重计对配制好的浆液密度进行测量，控制浆液密度，并由专人记录所加水、灰和浆液密度等数据，搅拌3～5min后放入第二只搅拌桶中待用。禁止采用一只搅拌桶，一边配浆一边抽浆，否则难以控制浆液水灰比。制备好的浆液不得离析，停置时间：当气温在10℃以上超过3h或在10℃以下超过5h，均应按废浆处理。控制好喷管的提速，使成桩体均匀，注意做好回浆循环回收利用，以降低施工成本。

4.2.3 喷射注浆

注浆管必须下到成孔深度（即设计深度），从设计深度旋转提升射浆管，同时喷射高压水泥浆，使其与扰动土体充分混合，由下而上地进行。喷射管分段提升的搭接长度不得小于100mm。高喷灌浆应分两序进行，先序孔提升速度可稍慢，后序孔相对来讲可稍快。相邻孔高喷灌浆间隔时间不宜少于24h。

4.3 旋喷注浆异常情况的处理

高喷灌浆施工中，在钻孔和灌浆过程会出现塌孔、漏浆、冒浆、串孔等问题，引起压力突降或骤增、孔口回浆密度或回浆量异常等情况，此时，必须查明原因，及时进行处理。新南水库在高压旋喷灌浆中，以上情况都有不同程度的发生，经过及时恰当的处理，确保了施工进度和质量。

4.3.1 塌孔

塌孔是在成孔后，由于在钻孔部位的地层中含砂或砾石较多，可能会出现坍塌、脱落，导至灌浆时喷射管无法下到设计深度。

解决方法：可加大泥浆浓度或在泥浆中加入膨润土护壁，必要时可采用套管护壁法钻进。

4.3.2 漏浆

施工中如果地层中存在砂、砂砾石或通道，可能出现漏浆现象，主要表现在钻孔或灌浆时孔口不返浆或返浆量降低。

解决方法：钻孔时可加大泥浆浓度、在泥浆中掺加细砂或向孔内填充水玻璃等堵漏材料。灌浆时发生漏浆可采取停止喷杆提升或降低提升速度、降低喷射压力和流量、在浆液中掺入速凝剂、加大浆液密度、灌注水泥砂浆或水泥粘土浆等措施。不论是在钻孔还是灌浆过程中，均必须待孔口返浆正常后才能正常提升钻杆或喷杆。

4.3.3 冒浆

冒浆是指在灌浆过程中浆液在坝坡、地面或库区底部流出或喷出。

解决方法：若土质松软则适当复喷；若附近有空洞、通道，则应不提升注浆管连续注浆，直到冒浆为止或拔出注浆管待浆液凝固后重新注浆。可采取在冒浆点加覆盖、降低灌浆压力、间断灌浆等措施。

4.3.4 串孔

串孔是指在某一孔口正常灌浆时，浆液从相邻孔口返出，说明钻孔在地下有通道相通。

解决方法：可采取将串孔孔口开挖清理后封闭并压重、降低灌浆压力等措施。灌浆孔结束后，应尽快对串浆孔复钻至设计高程。

5 结语

防渗墙完成后进行墙体开挖和抽芯检测。开挖显示：墙体成型规则，墙厚30～60cm，防渗墙渗透系数K＝（3.36～3.94）×10－9cm／s；允许渗透比降 J＞100，墙体质量完全满足设计要求。水库经汛期满负荷运行后未发现任何渗漏现象，防渗效果明显。检测后证明：单管高压旋喷灌浆技术在新南水库土坝防渗工程中得到了很好的应用，它具有工程造价适中、防渗效果良好、施工条件要求低等优点，值得在水利工程加固除险防渗工程中推广和使用。■