高压喷射灌浆在双城水库坝基处理中的应用

刘兵正 （内蒙古自治区水利水电勘测设计院，内蒙古呼和浩特 010020）

摘要 双城水库为一座已建水库，坝基为砂卵砾石层，坝基在工程除险加固以前存在渗透稳定问题，有较大安全隐患。通过方案比选，宜采用高压喷射灌浆对坝基处理。处理时须按照设计初拟参数，进行现场试验，采用围井对设计参数进行复核；须严格控制参数，采取可靠的观测措施防止压力过高将坝体劈裂，破坏原坝体。

关键词 水库；坝基；渗漏；高压喷射灌浆

中图分类号 S28 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2015）15-336-03

Application of Highpressure Jet Grouting in Dam Foundation Treatment in Shuangcheng Reservoir

LIU Bingzheng （Inner Mongolia Autonomous Region Water Resources & Hydropower Survey Designing Institute， Hohhot， Inner Mongolia 010020）

Abstract Shuangcheng Reservoir is a reservoir that has been completed， its dam foundation is made of sand gravel， and the dam foundation has seepage stability problem before reinforcement project.Through comparison， it was decided to use high pressure jet grouting in dam foundation treatment.The processing must in accordance with the design parameters， and use the enclosed well to review design parameters； and must control parameters strictly， use reliable observation steps in order to prevent it from destroying dams body with pressure highly， and destroying the original dam.

Key words Reservoir； Dam foundation； Seepage； Highpressure jet grouting

水利工程是我国公共工程之中极其重要的一个构成部分，在施工过程中必须要大量的应用先进技术作为重要的支撑，而高压喷射灌浆技术作为一项先进施工技术能够在水利工程的施工过程中发挥出较为重要的作用。所谓高压喷射灌浆就是利用钻机造孔，然后将带有喷头的灌浆管下到土层的预定位置，以高压喷射浆液或水冲击破坏土层，使土粒从土体上剥落后一部分细小土粒随浆液冒出地面，其余则与灌入的浆液混合掺搅，在土体中形成凝结体，以提高地基防渗或承载能力的施工技术[1]。高压喷射灌浆具有良好的可灌性、可控性、可靠地连接性、灵活的机动性，适用范围广、使用成本低等优点，其最大的优点就是不需对地基进行开挖，即可在地基的某一深度建造符合设计要求的防渗体[2-3]。因此，此技术被广泛应用于水库除险加固中[1-8]，例如用于防渗墙，围堰防渗，对坝基和坝体的防渗处理等。

基于以上优点和作用，笔者对高压喷射灌浆技术在双城水库坝基处理中的应用作简要分析。

1 工程概况

双城水库位于嫩江水系洮儿河一级支流蛟流河上游，内蒙古自治区兴安盟突泉县宝石乡双城屯以北2.5 km处。工程任务是以防洪、灌溉为主，兼顾水产养殖等综合利用。

双城水库于1959年建成并蓄水。工程规模属中型，拦河坝为3级建筑物，坝址以上控制流域面积910 km2，占全流域面积6 170 km2的15%。水库正常蓄水位为462.00 m，设计洪水位为462.00 m，校核洪水位463.00 m，水库总库容2 500×104 m3。主要建筑物包括挡水建筑物均质土坝、泄水建筑物溢洪道和供水建筑物输水洞。

工程经40年运行，主要建筑物出现若干影响工程安全运行的问题。主要是挡水建筑物土坝建于未经防渗处理的强透水砂砾石地基上，水库渗漏严重，库水位达不到兴利水位，不能发挥其应有效益。因此，必须进行除险加固。

2 坝基工程地质条件

坝基地面高程448.58～452.20 m，组成坝基的岩层主要为第四系松散沉积物及侏罗系中统火山沉积岩。坝基松散层物理力学性质指标见表1。根据第四系松散沉积物及基岩全风化层的物理力学性质及渗透性，其主要的工程地质问题为坝基沉陷及滑动和坝基渗漏与坝基渗透稳定性。

前期工作及本次对谷底段坝基松散岩层对坝基基岩进行了12段压水试验，试验结果见表2。

从表2中可以看出，下部侏罗系中統火山沉积岩强风化层及弱风化层实验的钻孔深度范围为13.50～47.00 m，钻孔高程为411.50～446.60 m，透水率为5.35～105 Lu，属弱透水及中等透水。

3 防渗设计

3.1 防渗方案选择 土坝坝基防渗处理方案通常有两种，即水平铺盖防渗处理和垂直防渗处理。水平铺盖防渗处理可解决渗透安全问题，但对水库渗漏量防渗效果较差。因此参照有关资料及国内外工程实例及工程所在坝址的地质特征，工程的防渗宜采用高压喷射灌浆、混凝土地下防渗墙两种垂直防渗型式。

3.2 方案比较

3.2.1 高压喷射灌浆防渗墙。高压喷射灌浆防渗墙是利用能量高度集中的水射流冲切掺搅地层，并将随之带入的水泥浆液与地层颗粒混合形成凝结体，从而达到防渗加固地基的目的。

高压喷射灌浆的五种作用机理：冲切掺搅、升扬置换、充填挤压、渗透凝结和位移袱裹，已在工程实践中逐渐得到承认，并有效地指导了工程实践。

优点：

（1）施工简单、进度快。

（2）适用范围广泛。

（3）固结体的形状可以控制。

（4）既可垂直喷射亦可水平、倾斜喷射。

（5）有较好的耐久性。

（6）料源广阔价格低廉。

（7）设备简单，管理方便。

（8）安全生产，无公害。

缺点：

（1）缺少快速可靠的检查方法，来检查高喷帷幕体质量和防渗效果。

（2）对渗透系数大于700 m/d的地基，施工难度大，工艺复杂。

（3）水泥浪费严重，在施工过程中，易产生串浆、塌孔埋具的情况。

3.2.2 混凝土地下防渗墙。混凝土地下防渗墙是用钻机或各种挖槽机械设备，借助于泥浆的护壁作用，在地层中造圆孔槽孔或挖出窄而深的沟槽，并在其中浇注混凝土而形成一道具有防渗、承受竖向和水平荷载功能的地下墙体。

这种方法20世纪50年代以来有了很大的发展，特别是从20世纪90年代以来，随着机械制造业方面的迅猛发展，出现了一大批先进的挖槽设备，使地下混凝土防渗墙对地基条件适应性更强、生产效率更高、成槽质量更好。已经成为冲积层防渗的一种经济可靠的防渗措施。

优点：

（1）防渗性能好。随着墙体接头形式和施工方法的改进，使地下防渗墙几乎不透水。

（2）施工方法成熟。檢侧手段比其他隐蔽工程成熟，可以确保达到预期的目标。

（3）适用于多种地基、地层条件。从软弱的冲积地层到中硬的地层、密实的砂砾石层、各种软岩和硬岩等所有的地基都可以建造地下防渗墙。

缺点：

（1）在一些特殊地质条件下，如很软的淤泥质土和超硬岩石等，施工难度很大。

（2）工程造价相对高。

3.2.3 方案的选定。根据双城水库土坝基础地质特点从工程进度、防渗效果、施工难易、工程造价等方面进行综合比较。

（1）从《双城水库除险加固工程工程地质报告》知，土坝坝基地层为砂砾石、砾石层，砾石直径一般力0.5～2.0 cm，卵石直径为10 cm，未见大的弧石、漂石，无论是高喷灌浆，还是地下连续墙，对此种地基均比较造应。

（2）从防渗效果来看，高压喷射是在地下进行施工成墙，成墙质量无法控制，地下防渗墙是成槽后再进行混凝土浇筑，混凝土浇筑质量易控制，且成墙后为一连续的整体，防渗效果好于高喷。

（3）从工程造价分析，按常规情况，高压喷射灌浆防渗墙比砼连续墙的工程造价低一半。

（4）从施工方面分析，高压喷射灌浆施工机械设备少，占地面积小，地下防渗墙施工机械设备较多，占地较大，比高喷施工复杂，所以从施工的难易程度分析，地下防渗墙要难于高喷防渗墙施工。

综上所述为确保双城水库土坝坝基的防渗效果，并结合工程实际，此次除险加固设计土坝坝基防渗推荐采用高压喷射灌浆墙方案。

3.3 高压喷射灌浆墙设计

3.3.1 墙体主要设计指标。参照国内外已建和类似工程，坝基中板墙的厚度取为20 mm；渗透系数k≤i×10-6cm/s，R28≥3 MPa。

3.3.2 高压喷射灌浆墙体深入基岩的深度。参考有关资料、已建工程，并结合《碾压式土石坝设计规范》SL274—2001，第6.2.12条帷幕的底部伸入基岩1.50 m。

3.3.3 孔距、排距的确定。孔距的大小直接关系到防渗的效果和防渗墙的造价，参考有关资料、已建工程和现场围井试验最终确定高喷灌浆的孔距1.2 m，采用单排。

3.3.4 高压喷射灌浆墙主要技术指标。工程高压喷射灌浆墙的连接方式采用折线连接方式，喷灌角度采用20°，喷管提升速度6～8 m/s，高喷压力30～40 MPa。

3.3.5 工艺参数。

高压喷射灌浆工艺参数

水压∥kg/cm2 250～400

水排量∥L/min75

气压∥kg/cm24.5～8.0

气排量∥L/min600～1 300

浆水压力∥kg/cm23.0～6.0

排量∥L/min60～90

喷嘴直径∥mm2～4

提升速度∥cm/s6～5

3.3.6 灌浆材料。高压喷射灌浆材料采用新鲜425号普通硅酸盐水泥，浆液配比：水泥：水：1～1.5。

4 防渗效果

双城水库工程除险加固工程于2002年完成除险加固，2002年冬天进行了蓄水，水库运行水位已达正常蓄水位，经过10年运行未发现异常，保护了下游21×104人口，2.13×104hm2耕地的防洪安全，将保护对象的防洪标准由20年一遇提高到30年一遇。每年为灌区供水1 728.25×104m3，满足灌区用水要求。取得了良好社会经济效益。

5 结论

（1）双城水库大坝为壤土均质坝，坝基为砂卵砾石层，建坝初期未对坝基采取防渗处理，水库运行初期未能真正发挥应有效益，所以水库防渗处理必须在建坝蓄水前进行，确保工程正常运行。

（2）对双城水库大坝坝基防渗处理采用高压喷射灌浆，其对已建工程较经济、适用，是已建工程一种较好的防渗处理方案。

（3）坝基采用高压喷射灌浆处理时必须按照设计初拟参数，进行现场试验，并采用围井对设计参数进行复核。

（4）对从坝顶钻进的高压喷射灌浆墙，必须严格控制参数，采取可靠的观测措施防止压力过高将坝体劈裂，破坏原坝体。

参考文献

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