高压喷射灌浆在中小型病险水库除险加固工程中的应用研究

谢淑芳

（桃源县水电工程建设有限责任公司 常德市 415700）

1 桃源县小型病险水库除险加固坝体防渗基本情况

桃源县共有小型水库310座，其中有小(Ⅰ)型水库63座，小(Ⅱ)型水库247座，主要分布在桃源县西、北山区和丘陵区。

桃源县小型水库大多建于20世纪50～70年代，受当时技术、经济条件的限制，大坝坝体普遍存在坝体填筑施工质量差的问题。主要表现在：一是水库坝体填筑土层松疏，密实度不够；二是填筑料差，含砂量大，加之水库大坝运行时间长，又因遭鼠、蚁毁坏，渗漏现象严重，导致水库蓄水量少，水库灌区遇旱水库无水，容易造成农田失收，雨季易渗漏，极易给库区下游的人民造成生命财产威胁。为了确保水库下游人民生命财产安全，使灌区粮田的灌溉得到保障，对桃源县现有水库坝体进行加固改造处理势在必行。

水库坝体渗漏问题，主要通过坝体高压喷射灌浆防渗（包括高压摆喷和高压旋喷）、坝体冲抓套井回填、坝体土工膜敷设防渗等技术与方法来解决。桃源县于2004年开始引进这些技术，至今已有10年。到目前为止，全县已完成124座小型病险水库的除险加固工程任务，其中对大坝进行防渗处理的水库就118座。

几种防渗措施各有优缺点：

土工膜防渗的优点是防渗技术可靠，防渗效果明显，造价低；缺点是施工技术要求高，土工膜连接处理困难，质量标准控制难度大。

冲抓套井是一项比较成熟的工程措施，优点是费用较低，施工设备简单，缺点是对回填土料的质量要求高，施工回填土的压实度不易控制，特别是对于坝高较大的坝体冲抓困难。

高压喷射灌浆防渗是目前应用广泛的一种防渗技术，技术已相当成熟，防渗效果好，缺点是费用较大。

桃源县小型水库除险加固工程大坝防渗主要应用的是坝体高压喷射灌浆防渗（包括高压摆喷和高压旋喷）技术。据统计，桃源县采取高喷灌浆防渗的水库有109座，占到水库总体防渗的92.4%。如表1。

2 高喷灌浆防渗板墙施工设备及施工工艺

2.1 施工设备

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。

表1 桃源县小型水库除险加固工程坝体防渗工程措施统计表

2.2 施工工艺

根据设计防渗板墙施工轴线和孔距确定孔位，并作好地面桩标记。钻头Φ150mm，泥浆护壁，泥浆材料为钙质膨润土、黏土、黄土、细砂等。搅拌浆液采用联合搅浆机制浆，泥浆泵供浆，要求浆液拌合均匀，比重稳定。浆液材料为纯水泥浆，水泥为普通硅酸盐水泥。

喷射灌浆，将高喷管下入到孔内，按造孔记录及设计板墙底线控制下入深度，然后启动高压水泵、空气压缩机，搅浆机供浆，同时全面检查各管路是否封闭，水、浆、气压力及流量是否符合设计参数要求，喷射管的喷射方向是否对正。启动设备3min后，待水泥浆从孔口返浆，再按设计提升速度开始提升。喷射灌浆结束后，进行静压回填灌浆，至液面不析水、不下沉为止。

2.3 特殊情况处理

（1）漏浆处理。在桃源县丘陵区水库大坝高喷灌浆防渗板墙的施工中，有很多孔发生了漏浆现象，说明大坝基础存在严重的集中渗流区及流沙区，对水库大坝的稳定十分不利。因此发生漏浆时，视严重程度采取了停止提升或放慢提升速度的办法，让漏浆地层充分灌满水泥浆，从而达到灌浆的目的。在二序孔的钻孔中，取出了固结良好的类似混凝土的水泥芯，说明用此方法处理漏浆切实可行。

（2）孤石处理。水库大坝存在有个别大的孤石。高喷过程中，根据钻孔记录，在喷至孤石深度时，采取上、下50 cm加大摆角、放慢提升速度的办法，充分将孤石用水泥浆包住，从而达到板墙充分连接的目的。

（3）事故停喷。如在高喷过程中发生停电等停喷事故，再次开喷时则采取复喷的办法，解决因停喷造成的板墙连续性问题。

3 项目应用研究的主要内容

3.1 高压喷射灌浆方法的选定

高压喷射灌浆方法常用的有单管、二管和三管三种。

单管法是用高压泥浆泵以（20～25）MPa的压力，从喷嘴中喷射出水泥浆液射流，冲击破坏土体，同时提升或旋转喷射管，使浆液与被剥落下来的土石颗粒掺搅混合，经一定时间凝固，在土中形成凝结体。这种方法形成凝结体的范围（桩径或延伸长度）较小。一般桩径为（0.5～0.9）m。

二管法是用高压泥浆泵以（20～25）MPa的压力，用压缩空气机产生（0.7～0.8）MPa压力的压缩空气，浆液和压缩空气通过具有两个通道的喷射管，喷射管底部侧面的同轴双重喷嘴中同时喷射出高压浆液和空气两种射流，冲击破坏土体，在高压浆液射流和它外围环绕气流的共同作用下，破坏土体的能量比单管法显著增大，喷嘴一边喷射一边旋转和提升，最后在土体中形成直径明显增加的柱状固结体，其直径达（0.8～1.5）m。

三管法是使用能输送水、气、浆的3个通道的喷射管，从内喷嘴中喷射出压力为（30～40）MPa的超高压水流，水流周围环绕着从外喷嘴中喷射出的圆管状气流，同轴喷射的水流与气流冲击破坏土体。由泥浆泵灌注较低压力的水泥浆液进行充填置换。这种方法的水压力一般较高，在高压水射流和压缩空气的共同作用下，喷射流破坏土体的有效射程显著增大。喷嘴边旋转喷射边提升，在地基中形成较大的负压区，携带同时压入的浆液进入被破坏的地层进行混合、充填，在地基中形成直径较大、强度较高的旋喷状凝结体，起到防渗或加固地基的作用。 其直径一般有（1.0～2.0）m。

通过我们多次比对试验，单管法施工速度较快，成本较低，但形成凝结体的范围（桩径或延伸长度）较小；二管法加固质量好，但施工速度较慢，且成本较高，施工难度较大；三管法加固质量好且形成凝结体的范围较二管法大，较单管法要大1～2倍。所以在桃源县小型病险水库除险加固工程中均采用三管法高压喷射灌浆的方法。

3.2 孔口间距的确定

高压喷射灌浆孔口间距应保证高压喷射灌浆防渗墙厚度满足防渗要求，依据《水利水电工程高压喷射灌浆技术规范》，防渗墙厚度以下式计算：δ=H/L，式中：δ为防渗墙厚度；H为大坝压力水头（即上、下游水位差)；L为灌浆防渗墙允许水力坡降。

防渗墙允许水力坡降一般取值为100，桃源县小型水库上下游水位差一般不超过20.0m，所以设计防渗墙厚度一般为20 cm。

依据桃源县小水库高压喷射灌浆试验结果，高压喷射防渗板墙一般采用人字形连接，偏角15°。当孔距为2.0m时，防渗墙成墙厚度为19.0 cm。而当孔距为1.50m时，防渗墙成墙厚度可达28.0 cm，防渗效果大大加强。所以桃源县小型水库除险加固工程高压喷射灌浆防渗孔口间距一般确定为1.50m。

3.3 灌浆参数的确定

灌浆工艺参数：高喷前，在地质条件具有代表性的区段进行试喷，然后进行注水试验确定浆液性能、喷射流量、压力和提升速度等工艺参数，桃源县小型水库除险加固工程的高喷参数如表2所示。

表2 高喷灌浆施工参数

由于实施高喷灌浆各坝体的堤型、土质和密实度不同，灌浆压力和灌浆速度各不相同，为达到最佳防渗效果，我们在施工前，根据坝体的坝型、土质和密实度进行工程试喷，根据相关施工灌浆规定参数范围确定最佳灌浆技术参数。

如漳江镇镇江村的龙王冲水库为均质坝，在试喷中，我们就采用高压水35 MPa、提升速度8 cm/min和采用高压水30MPa、提升速度9 cm/min两种参数进行试喷。通过注水试验，我们发现采用高压水35MPa、提升速度8 cm/min的防渗墙的渗透系数为5.62×10-6cm/s，优于采用高压水30MPa、提升速度9 cm/min的防渗墙的渗透系数10.62×10-6cm/s，满足设计要求；因此我们在龙王冲水库坝体高喷灌浆确定采用了高压水35MPa、提升速度8 cm/min的系数。

盘塘镇莲蓬岗村的车家坪水库为粘土心墙坝，在试喷中采用高压水35MPa、提升速度8 cm/min和采用高压水30MPa、提升速度9 cm/min两种参数进行试喷。通过注水试验，采用高压水35MPa、提升速度8 cm/min的防渗墙的渗透系数为4.38×10-6cm/s，满足设计要求；采用高压水30MPa、提升速度9 cm/min的防渗墙的渗透系数为8.95×10-6cm/s，虽然满足设计要求，但防渗效果不理想。所以车家坪水库坝体高喷灌浆采用高压水35MPa、提升速度8cm/min的系数。

怀化市溆浦县的曹家冲水库为粘土均质坝，填筑料含砂量较大，在试喷中采用高压水35MPa、提升速度8 cm/min进行试喷，坝体开裂，采用高压水34MPa、提升速度8 cm/min进行试喷，坝体不开裂，通过注水试验，采用高压水34MPa、提升速度8 cm/min的防渗墙的渗透系数为4.76×10-6cm/s，满足设计要求；采用高压水30MPa、提升速度9 cm/min的防渗墙的渗透系数为9.23×10-6cm/s，虽然满足设计要求，但防渗效果不理想。所以在曹家冲水库坝体高喷灌浆采用高压水34MPa、提升速度8 cm/min的系数。

通过围井试验检测灌浆防渗效果，总结出适合中小型病险水库除险加固工程的高喷参数：粘土均质坝宜采用高压水35MPa、提升速度8 cm/min；含砂量较大的粘土均质坝宜采用高压水34MPa、提升速度8 cm/min；粘土心墙坝宜采用高压水35 MPa、提升速度8 cm/min；含砂量较大的粘土心墙坝宜采用高压水33MPa、提升速度8 cm/min。

4 项目的技术水平与创新点

4.1 项目的技术水平

结合桃源县各水库地质条件和坝体渗漏的原因等实际情况，在推广应用坝体高压喷射灌浆防渗技术的基础上，制定出了一套适用于桃源的水库坝体防渗漏的实用技术。经过实际检验，水库坝体防渗漏效果良好。采用该实用技术高喷灌浆的109座水库，通过注水试验，防渗效果非常理想。

4.2 项目的创新点

（1）适应桃源县水库地质条件高喷灌浆方法的选取。

（2）适应桃源县水库条件防渗灌浆孔距的确定。

（3）桃源县水库防渗处理的灌浆技术参数的确定。

5 成果推广前景分析

大坝坝体高压喷射灌浆是一种有效的大坝防渗工程措施，具有机械施工操作方便，施工进度快，防渗效果明显的特点，具有较大的社会效益和经济效益：全县共有310座小型水库，通过灌浆防渗，可新增有效库容2 850万m3，改善和新增灌溉面积0.8万hm2（12.0万亩），增加农业产值达2.12亿元。在江西省赣州市宁都县的坡坑、湖南省怀化市溆浦县的曹家冲等水库通过高喷灌浆，效果明显，得到了业主的好评。高喷灌浆在中小型病险水库除险加固大坝防渗工程中值得大力推广。

6 效益分析

6.1 经济效益

（1）桃源县共有小型水库310座，全县已完成124座小型病险水库的除险加固任务，其中采取高喷灌浆防渗的水库有109座，这些水库担负桃源县0.58万hm2（8.7万亩）农田的灌溉和当地居民的生活用水，项目完成后，每年增加水库有效库容2 150万m3，改善和新增灌溉面积0.52万hm2（7.8万亩），增加农业产值达1.23亿元。

（2）给社会带来较大经济效益的同时，也给公司带来较大的经济效益，2013年年产值达到1.23亿元。

6.2 社会效益

水库大坝高喷灌浆防渗后能大大提高水库大坝的安全运行能力，确保大坝安全，减轻水库下游的防洪压力，提升地区防洪保障能力，为地方经济发展提供安全保障，为库区人民的生命财产提供了安全保障，具有较大的防洪保安效益。