土工膜与高喷灌浆垂直防渗联合应用

黄 为，蒋晓峰，崔双利

（1.辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003；2.东港市孤山灌区管理处，辽宁 丹东 118313）

1 概述

高喷灌浆工法的特点是，在地面钻小孔便可以在地下形成连续的防渗墙。此外灌浆过程中，高压、高速的浆（水）、气射流束可将相邻的地下障碍物冲刷并胶结牢固。所以，高喷灌浆工法具有躲避、包容地下障碍物以及修补各类地下防渗墙（膜）缺陷的独特功能。土工膜基本不透水，而且价格低廉，因此是一种理想的垂直防渗材料。其中，在粉质或砂质地基中用机械成槽、泥浆护壁，然后在槽中垂直铺设土工膜的技术也是一种很先进的工法。然而，由于一些施工因素或工艺的局限性，也可能会出现垂直防渗膜断挡或“天窗”等缺陷。这些部位是明显的集中渗漏通道，如不及时封闭，将会造成大量的渗漏，并严重地危及挡水建筑物的安全。对此，在垂直防渗的各种工法中唯有高压喷射灌浆工法能够较为理想地予以修补处理。

阜新蒙古族自治县地处辽宁省西北部，是缺雨少水的半干旱地区。县城中心的细河段，防洪标准低，常年河水水量很少，而且污染严重。河道内乱采砂、乱倒垃圾、蚊蝇孳生等，严重危及防洪安全且污染城市环境。为了提高城市防洪标准，发展经济和提高人民生活质量，必须对此河进行综合治理。2004年初即开始修建的细河拦河蓄水工程，其中拦河橡胶坝蓄水后，将在县城内形成宛如一条玉带的人工湖面。结合绿化、美化工程的实施，这里将成为城市居民优雅的休闲场所，并为发展经济创造良好的生态建设基础。

为了防止大量渗漏，首先在橡胶坝及两岸河堤的基础中，垂直铺设了防渗土工膜。工程主体质量优良，但也存在着4个缺陷区段：第1区段，铺膜时，土工膜自动脱落入槽中，致使该段铺设质量不合格；第2区段，锯槽遇到大块石，只能抬锯通过，致使土工膜埋深没能达到设计高程；第3区段，右岸堤基垂直防渗土工膜与橡胶坝基垂直防渗土工膜轴线成80o角，锯槽机工法所限不能相搭接，断挡5 m；第4区段，施工中槽壁坍塌，重新开槽，致使相邻两基垂直防渗土工膜虽然搭接6 m，但两膜相离，形成2.5 m宽的豁口。这些缺陷均以高喷灌浆工法进行搭接处理。

该工程地层岩性自上而下分别为：0～2 m壤土；2～6 m粗砂、砾砂；6 m以下为粘土夹层。

2 垂直防渗设计

该工程坝基及上游两岸堤基的基础防渗，以垂直铺设土工膜为主，以高喷灌浆修补土工膜缺陷为辅。

2.1 垂直铺设土工膜

垂直埋膜的施工工艺流程：开挖施工导槽→启动开槽设备→开槽→排渣→垂直铺膜→回填。槽宽0.20 m，槽深大于设计埋膜深度0.5 m。土工膜纵向接头采用搭接方式，搭接长度2～3 m。

2.2 高喷防渗墙

高喷防渗墙既要修补、封闭土工膜的缺陷段，又要与邻近的土工膜相胶接，二者联合建立起连续可靠的防渗体系。为此既要使高喷墙与土工膜之间贴近，而土工膜又不能被高速水、气射流破坏。所以该工程设计为小角度、摆喷对接形式的防渗墙单元。

高喷灌浆工法，通过旋喷、定喷及摆喷，可形成折接、套接及对接等多种形式的高喷防渗墙。结合工程的特点，所采用的摆喷对接方式可获得理想的效果。其技术原理及依据为：

1）小角度对喷的水、气射流基本平行于土工膜，而且相互贴近。通过高速射流的喷射动压、脉冲振荡效应、锤击作用、水楔效应以及气穴效应等作用，有效地切割了土体。而且还很容易射穿并充分冲刷土工膜与地层土之间的接触面。使高喷墙与土工膜的胶接长度及质量均得到了加强。

2）高压水射流轴线与土工膜的夹角很小，在0°～7.5°间摆动，对土工膜的冲击力仅为正面喷射（夹角90°）的0.03倍左右，远远小于土工膜的撕裂强度及顶破强度。同时土工膜背水面并非临空面，依附背面的土层更增加了其抗冲击能力。因而小角度摆喷对接墙保证了土工膜的安全无损。

3）孔间相对喷射可充分利用喷射能量，搭接段的射流可对未凝墙体重复喷射与搅拌，邻孔喷射时间间隔小于墙体初凝时间。邻孔间的障碍物（如块石等），可受到两孔的双向喷射，从而提高了墙体的水泥含量、均匀性和密实度，降低了墙体的孔洞、气泡等缺陷率。

2.3 高喷墙与土工膜的搭接

高喷墙与土工膜轴线平行，间距为0.10～0.20 m。高喷墙的长度应包含土工膜的缺陷段，并分别向其两侧延长，保证与合格土工膜的搭接长度不小于5 m。

2.4 垂直防渗深度及抗渗设计

该工程设计水头ΔH=3.5 m，经渗流计算，确定土工膜埋深S=6.0 m，则高喷墙平均深度为6 m，而且至少需插入粘土夹层0.5 m。校核计算J=0.13（逸出点坡降）＜[J]=0.18（堤基允许坡降）。土工膜属于不透水材料，其渗透系数为 1×10-11～10-12cm/s。

1）土工膜的计算厚度：T=0.075 mm，该工程选用规格为0.5 mm的PE土工膜。

2）高喷墙体的孔间距设计为2.0 m，每个灌浆孔单侧喷射板长大于1.2 m。灌浆浆液设计为1∶0.1∶0.8（水泥∶粘土∶水），使用普通硅酸盐水泥，强度等级32.5 MPa（GB134-1999，GB175-1999）。利用设计浆液所形成的墙体，允许渗透坡降［J］＞100。高喷墙的厚度t为：t=ΔH/［J］。计算得t＞3.5 cm，即满足抗渗强度要求。据q=qD+K0T（H1-H2）/（L+m1H1+0.88T）等公式，经计算要求高喷防渗墙的渗透系数 K＜7.6×10-5cm/s。

3 施工工艺

3.1 埋设土工膜

1）技术参数。成槽宽 20～25 cm，成槽深6～7 m，沟槽轴线弯曲半径不小于47 m。成槽工效平均2.43 m/h，综合工效为 100～600 m2/d。

2）制浆。相对钻孔而言，开槽对泥浆的技术指标要求更高，液压开槽埋膜机组开槽施工成败的关键因素之一是泥浆。该工程泥浆比重控制为r=1.1～1.3 kg/L。

3）铺膜。铺膜机将膜一段固定在槽内的固定轴上，另一端缠绕膜轴随铺膜机前进并转动，在槽内展开膜，使形成连续不断帷幕。

4）沟槽回填。为了降低泵容量和制浆量，将岩渣排入已铺膜的槽内。这种工艺即可回填埋膜槽段，又可使泥浆流回槽内重复使用。

5）主要设备。包括开槽机、铺膜机及泥浆配制、输送系统等，总功率98 kW，以及施工动力为150 kW的柴油发电机组。

3.2 高压喷射灌浆

1）施工技术参数。本期高喷灌浆采用的主要施工技术参数为：高压水压力38～40 MPa，流量75 L/min；低压气压力 0.6～0.7 MPa，流量 1.2 m3/min；灌注浆压力 0.3～0.5 MPa，流量 70～80 L/min；灌浆管升速 12 cm/min，摆速 12次/min，摆角 15°；旋喷转速 8 r/min。

2）浆液配制。灌注浆液按设计的水泥品种及配方在制浆站配制，控制进浆密度为1.58～1.65 kg/L，孔口冒浆密度大于1.25 kg/L。

3）施工机械及动力。该本工程主要的施工机械为钻机、高压水泵、空压机、灌浆泵、搅浆机及高喷台车等。总功率为150 kW，设备动力为180 kW柴油发电机组。

4 工程质量

4.1 工程质量检测

1）土工膜埋设。通过施工过程检测以及抽样开挖检查，未发现土工膜有卷曲、皱褶、孔洞现象。土工膜平整垂直，接缝处膜端边垂直，搭接长度满足设计要求，膜与膜紧密贴在一起。

2）高喷灌浆。诸多钻孔探明高喷灌浆段的岩性，上层（约2 m）是壤土，表层较密实，下层为粗砂、砾砂。在壤土中，高压摆喷板长1.4～1.7 m，板厚0.1～0.2 m；在砂层中，板长1.8～2.5 m，板厚0.15～0.25 m；在锯槽回填砂（较疏松）中，板长可达3.5 m。

3）高喷墙与土工膜的胶接。现场施工及开挖检查表明，摆喷对接墙段上，邻孔之间的高喷板墙与土工膜的胶接长度为0.5～2.0 m，孔间距为2.0 m。胶接面上浆液饱满，没有泥皮、土夹层等杂物。

4）高喷板墙的抗渗、力学性能指标。现场围井注水试验检测成果：该工程高喷墙体渗透系数K=3.4×10-6cm/s，取样室内试验28 d抗压强度R=0.48 MPa。

4.2 工程质量评估

孔间距2.0 m，每孔单侧板长大于1.0 m即可形成连续的高喷防渗墙。该工程所采用的施工技术参数，可形成1.4～2.5 m的板长。如此保守的施工工艺，充分保证在地下形成了具有连续完整、浆液饱满、水泥含量高、缺陷率低等质量优良的高喷防渗墙，同时也大大加强了高喷墙与土工膜之间的胶接质量。高喷墙体的抗渗、力学性能指标均满足了设计要求。

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