高喷灌浆在三合成水库除险加固中的应用

许艳杰，朱宏飞，李伟莉

（沈阳市水利建筑勘测设计院，辽宁 沈阳 110015）

0 引言

水利系统于1980年首先将高压喷射灌浆技术用于白浪河土坝，目前，该技术既可用于低水头土坝坝基防渗，也可用于松散地层的防渗堵漏、截潜流和临时性围堰等工程，还可进行混凝土防渗墙断裂以及漏洞、隐患的修补。高压喷射灌浆防渗加固技术适用于软弱土层，包括第四纪冲积层、洪积层、残积层以及人工填土等。实践证明，对砂类土、粘性土、黄土和淤泥等地层，效果较好。

高压喷射灌浆技术是用钻机造孔，将带有喷头的灌浆管下至预定位置的地层，用高压水泵把水经过灌浆管所形成高压高速水、气射流从喷嘴中同轴喷射，直接冲击、切割、粉碎、剥蚀地层，地层破坏后剥落下来的土石料湿化崩解、升扬置换，而灌注的水泥浆或其他复合料浆液中，胶凝颗粒表面的强烈吸附活性与破坏地层的土石颗粒之间发生充分的强制性掺搅混合，凝结硬化，充填挤压，移动包裹，从而构成结构密实、强度大、有足够防渗性能的多种材料凝结体或结石。

1 工程概况

三合成水库位于辽宁省沈阳市法库县包家屯乡三合成村东，座落在辽河水系秀水河支流三合成河上。坝址以上全流域集水面积57.13 km2，总库容1 183.77×104m3，是一座以防洪为主、兼有灌溉、水产养殖等功能的中型水库。坝基存在渗漏问题，曾经发生过多次管涌现象，水库大坝为均质土坝。

经过渗流计算，三合成水库坝基存在渗漏问题，坝体和坝基渗透比降均小于允许值，渗流稳定为安全。三合成水库大坝在桩号0+188～0+332 m老河床部位存在较为严重的坝基渗漏问题。此次除险加固坝基渗漏段防渗需处理该段。

2 高喷灌浆设计

2.1 灌浆范围

根据地质勘查资料，坝基主要渗漏层为粉砂层和粗砂层，为阻断主要渗漏通道，此次除险加固坝基防渗处理范围为粉砂层和粗砂层，大坝桩号：0+150～0+370 m，共计长度220 m。

2.2 深度设计

根据地质勘查资料，在大坝桩号0+150～0+370 m范围内，粉砂层高程为63.46～71.15 m，平均厚度为3.0 m，粗砂层高程为60.06～66.17 m，平均厚度为3.0 m。此次初步设计悬挂式高喷墙体顶部插入粉质粘土层1 m，底部插入粉质粘土层1 m。钻孔平均深度25.50 m，灌浆平均深度9.85 m。

2.3 造孔设计

考虑到坝脚施工需修筑围堰，增加工程量，而且围堰土方在施工结束后清除比较困难，处理在库区内影响水库库容，设计从迎水坡坝顶钻孔高喷灌浆成墙。

初步设计三合成水库灌浆采用二管法，单排灌浆孔，旋喷凝结体的套接形式，初步确定旋喷孔间距为1.0 m。

2.4 灌浆材料

灌浆材料初定为水泥浆，为增加防渗墙变形适应性，可适当加入粘土。水泥强度等级为32.5 MPa的普通硅酸盐水泥。浆液配比初定 1∶0.3∶1（水泥∶粘土∶水，重量比），形成水泥浆土浆比重为1.50 kg/cm3。为节省水泥材料，在孔口回浆经处理后，应尽量回收利用，以降低成本，回浆密度不小于 1.3 kg/cm3。

在渗漏严重部位（漏水点），或经探测确定为渗透通道部位，需在浆液中掺加外加剂或采用其它堵漏措施，如掺加级配料后再进行灌浆，外加剂种类及掺入量应通过室内试验确定。

高喷灌浆成墙的渗透系数 K=i×10-5～i×10-6cm/s(1＜i＜10)。

3 高喷灌浆施工

3.1 施工设备及施工工序

主要施工设备为：造孔系统、高压水系统、压缩空气系统、制浆供浆系统、提升喷射系统和检测系统。

施工工艺流程见图1。

图1 高喷灌浆施工工艺流程

3.2 施工方法

三合成水库大坝高喷灌浆钻孔采用无锡探矿机械总厂生产的最新型钻喷一体机XP-20A型，高压泵采用天津聚能高压泵有限公司生产的XPB-90E型，额定压力50 MPa。施工方法采用双重管旋喷方法。

钻孔质量要求与施工措施：

1）钻孔设计孔位与设计位置偏差不得大于2 cm。

2）钻孔深度应满足设计要求，不得欠深，终孔有效深度应超过设计墙底0.3 m。

3）钻孔偏斜率不得大于孔深1%，为保证钻孔的垂直度，要平整、稳固钻机，用水准尺校核机座，用铅垂校核立轴。喷浆前测斜，如不合格采取纠偏措施或重新钻孔。

4）详细记录孔位、孔深、地层变化及孔内情况，如回浆浓度、缩孔、漏浆及各层面分解深度。

5）先导孔采取芯样，每钻进30～50 cm取芯样一次。6）钻孔完成后，应注入稠粘土浆，并用井盖封好，保证钻孔24 h内不塌孔。

3.3 实验过程与所采用施工参数

完成先导孔的地质复勘后，在坝顶桩号1+149和1+152处布设观测孔1个和生产试验孔3个。其中观测孔布设在防渗墙中心线桩号1+149处，距离导1孔600 mm，其他3个孔利用设计孔1～3号位置。

实验1号孔实验时率先施工，按照导孔确定的孔深进行钻孔，同时下喷射管，达到设计孔深24.14 m时，测量孔斜度合格，然后开始喷浆旋转，同时观察导孔1孔内串浆情况。在整个喷浆过程中，导孔内始终有浆液返回，而且浓度可达到1.3～1.5 g/cm3，此时的浆液压力为30～35 MPa。这一情况说明，在30～35 MPa的浆液压力下和其他同时应用参数的配合下，喷浆半径可以达到600 mm以上，使旋喷桩有效直径至少达到1.2 m，满足了设计要求。

施工过程中所采用参数为以上实验所得，具体参数见表1。

表1 高喷灌浆技术参数表

为进一步验证搭接情况，在完成的试验孔1号和2号之间，钻一个取芯孔，提取岩芯，观察分析岩芯的水泥含量。在喷浆范围内孔深24.14～12.60 m，见岩芯含有水泥成分且与砂土混合较好，说明两个旋喷桩之间搭接良好。

4 防渗效果

4.1 围井注水试验分析

施工中采用钻孔法和围井法对墙体进行质量检查，每个单元工程至少有一个检查孔，检查墙体强度和透水性，每5个单元工程布置一个围井，做注水或抽水试验。该工程为一个分部工程，划分为11个单元工程，因此布设2个围井和11个检查孔。

一般围井布置在以下部位：地层复杂部位；漏浆严重的部位；可能出现质量缺陷的部位；防渗墙下游侧，与防渗墙构成正方形。

每个围井的面积约为4 m2，形状为正方形，需增加5个旋喷孔、1个封闭孔和1个注（抽）水试验孔，其施工方法与其他孔相同。

围井注（抽）水试验在围井高喷灌浆结束28 d后进行。采用钻孔注水试验检测渗透系数K。

式中：K——渗透系数，m/d；Q——稳定流量，m3/d；t——高喷平均厚度，m；L——围井周边高喷墙轴线长度，m；H——围井内试验水位至井底的深度，m；h0——地下水位至井底的深度，m。

经过现场试验数据计算，渗透系数为1.2×10-5～9×10-5L/（min·m·m），即 k=1×10-8～1.4×10-7cm/s。满足设计及规范要求。

4.2 防渗效果观测分析

三合成水库高喷灌浆在2009年已施工完毕，经过两年的运用及观测可知：

1）高喷灌浆后，坝后老河床已没有明显的渗流现象；

2）原大坝背水坡分布的大面积湿地已消失；

3）汛期库水位抬高时，老河床处坝后水位无明显变化。

5 结语

1）高喷灌浆适合于粉砂层坝基处理。粉砂层因其颗粒较细，常规帷幕灌浆时有如铺了一层厚厚的反滤，吃水不吃浆，难以形成防渗帷幕。

2）旋喷浆液应采用纯水泥浆，不宜采用混合浆液。由于旋喷冲切掺搅范围大，土层升扬置换率低，大部分被切割破坏土体将与水泥浆液混合凝固硬化，凝结体已具有良好塑性，无需掺入粘土或膨润土。

3）坝土一般密实度较高，采用高压喷射旋喷进行防渗处理，因旋喷切割土层作用弱，设计孔距不宜过大，以0.8～1.0 m为宜。

4）三合成水库采用高喷灌浆进行坝基渗漏处理，有效地切断了坝基粉砂层的渗漏，设计是成功的，并收到了良好的效果。

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