高压旋喷灌浆在新屯水库除险加固工程中的应用

杨光志

云南省宣威市水务局 云南宣威 655400

摘要：新屯水库坝址区地处炎方、新屯山间溶蚀盆地的过度地带，砂页岩地层小褶皱发育，为压扭性断层，斜穿右坝肩。原坝土填筑料大多为砂岩风化料，且碾压质量差，形成外坝大量渗漏，下游坝脚渗漏量为0.025m3/s，年渗漏量78.84万m3，并在坝坡上发生渗透破坏，该工程除险加固能否成功，关键在于防渗处理能否成功。常规帷幕灌浆很难满足要求，粘土斜墙防渗也难满足要求，塑性砼防渗墙难予成槽，经多方比较，选用高压旋喷灌浆作为防渗处理措施，实施结束经钻孔取芯压水试验检查，试验指标透水率q﹤5lu，达到了设计防渗标准。

关键词：土坝；高压旋喷；防渗处理

1 工程概况

新屯水库位于沾益县炎方乡西河村，水库控制径流面积46.0 km2，大坝为均质土坝，坝高18.0m，坝顶长170.0m，坝顶宽4.0m。总库容1300万m3，工程规模为中型，工程等别为三等。拦河坝为3级建筑物，设计洪水标准，500年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。该水库1958年10开工，1959年10月竣工，由于受当时的技术条件限制，大坝碾压均采用人工石碾，坝体碾压质量较差，经击实试验检查，坝土压实度仅为0.63～0.88，不符合设计要求，且坝体填筑材料质量差异较大，特别是坝顶以下7米的坝土填筑料大多为砂页岩风化料。形成坝体、坝基大量渗漏，经实测下游坝脚渗漏量为0.025m3/s，下游坝坡出现大面积浸润现象，并在坝坡上发生渗透破坏。经安全鉴定，渗流安全性为C级；鉴于新屯水库存在的病险状况及该水库每年可向下游提供1681万m3的用水量，对宣威市国发经济持续发展起着重要作用。该工程于2003年12月以云水规计[2003]117号文批准除险加固。

2 工程地质概况

坝址区地处炎方、新屯山间溶蚀盆地的过度地带，属溶蚀—侵蚀中低山地貌。山体多呈北西、南东走向，自然坡度100～360，坝址河床宽50米，河床坡降平缓为2.86‰，河床两岸见有不对称的一级阶地，坝址上游河谷逐渐开阔、下游河谷平顺。

坝址区C3m、P3L地层总体呈单斜产出，走向北东，倾向北西，倾角150～360，砂页岩地层内小褶皱发育，坝址区发育F1、F2、F3、F4断层，走向北东，倾向北西，倾角590，为压扭性断层，斜穿右坝肩。与坝轴线呈400角相交，破碎带宽2～3m，由角砾岩和碎裂岩组成，钙、铁泥质胶结。

3 技术处理方案

针对坝体的防渗加固处理，本次设计主要进行了三种：1、高压旋喷灌浆；2、塑性混凝土防渗薄墙；3、劈裂灌浆结合高压旋喷；从施工难度、投资等方面对三种方案进行比较，具有处理深度大，对地层适应性较强，可灌性、可控制性好，板墙强度高、墙体较厚、墙体耐久性好、使用年限长等特点。最后确定高压旋喷灌浆方案作为坝体加固防渗处理的措施，坝基采用常规帷幕灌浆。实施过程中，原设计二叠系梁山组强风化砂质页岩层段采用帷幕灌浆施工，在高喷生产性试验中，该层段钻孔时，出现孔口不返水、地层渗水严重，注浆难、芯难取易碎、固体颗粒小等现象，若采用帷幕灌浆施工效果不理想，故将该地层段改为高喷施工。通过施工该层置换出大量砂土，置换率高，切割范围达到预期效果，并将高喷底界深入灰岩0.5m，用高喷解决了全强风化砂质页岩层及砂土层注浆难的问题，又能使桩体底部支撑体的承载力得予大大提高。并降低该里程内原帷幕灌浆起灌高程，与相对应高喷底界搭接2.5m。从而保证帷幕灌浆防渗墙与高喷防渗墙有效地连接成一体。高压旋喷适用于砂类土、粘性土、黄土和淤泥地基。

高喷墙在坝轴线上单排布置。设计旋喷孔距为0.8 m，桩径1.0m，经计算其搭接最小厚度为0.663m，高压旋喷孔深入基岩0.5m。

高压旋喷板墙的控制指标如下：凝结体的渗透系数不大于1.0×10-5cm/s，弹性模量不大于1.0×103Mpa，抗压强度不低于10.0Mpa。

4 高压旋喷灌浆施工

4.1高压旋喷孔的布置

高压旋喷布置于坝轴线上，处理范围：坝0+025～坝0+111.4m，共布置Ⅰ序孔55个，Ⅱ序孔54个，孔距为0.8m，桩顶高程为2096.0m，高压旋喷孔进入基岩0.5m。

4.2施工程序

按两个次序加密施工，即先施灌Ⅰ序孔，在施灌Ⅱ序孔加密。施工流程：旋喷孔定位→钻机就位→钻孔→洗孔捞渣→钻机离开→高喷台车就位→旋喷施工→回灌→结束。

钻孔用经纬仪测设定位，孔位偏差不大于3cm。灌浆采用回转式钻机，使用硬质合金钻头或金刚石钻头钻进，钻机型号：XY-2PC150型。钻孔孔径为Ф133mm，土层采用无泵钻进；坝基岩石采用清水钻进。钻孔均为垂直钻孔，要求孔斜率不大于1.5%，用JJX-3A型钻孔测斜仪进行钻孔质量检查。

4.3高压旋喷施工

4.3.1灌浆方法

本次高压旋喷灌浆采用三重管法（使用输送水、气、浆三种介质的三重注浆管，以35～40Mpa进行高压水和氣流喷射土体及强风化砂页岩体，形成较大空隙，再以灌浆泵压入0.5～1.0Mpa的浆液填充，使土中凝固为直径较大的圆柱体固结体。），该技术主要适用于软弱土层、第四纪的冲、洪、残积层、人工填土及全强风化地层、砂岩风化地层等。

4.3.2施工技术参数

高压旋喷施工主要技术参数见表一。

表一 高压旋喷施工主要技术参数表

水系统 气系统 浆系统 提升速度（cm/min） 旋转速度

（转/min） 浆液密度（g/cm3） 喷嘴直径（mm）

水压（MPa） 水量（L/min） 气压（MPa） 气量（m3/min） 浆压（MPa） 浆量（L/min）

35～40 70～80 0.6～0.8 1 0.5～1.0 50～60 7～10 7～10 1.6～1.7 1.8～2.5

4.3.3灌浆材料

灌浆材料均采用的强度等级32.5KPa普通硅酸盐水泥，每批水泥进入施工现场均有厂方提供的检验报告。

4.3.4高喷施工應把握的几个关键环节

①钻孔验收合格后，高喷台车就位，先进行地面试喷，调整各施工参数达到设计要求。

②喷头下至孔底，首先进行原位喷射，待水泥浆液返出孔口，方可进行提升喷射，并控制好提升速度和喷射压力。

③高喷换管时，换管后再放下0.5m进行复喷，复喷搭接长度不低于0.5m。

④每孔终喷后及时回灌，直到孔口浆液面不再下降为止。

5 质量检查

根据设计和《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》（DL/T 5200-2004）要求，该次灌浆质量检查用钻孔取芯静水头压（注）水实验的方法进行，还针对不同地段位置采取开挖检查。按工程项目划分，高压旋喷灌浆6个单元。检查孔按生产孔的10%确定，共11个检查孔子，其中有5个单元分别布置2个检查孔，有1个单元布置1个检查孔。压（注）水试验成果见表二。

表二 检查孔压（注）水试验成果表

检查孔

编号 所在

单元 孔深 高喷

段数 高喷段长 静压

段数 静压段长 透水

率 实验日期

XJ1

XJ2 2-1-1 12.1

12.2 1 11.8～12.6 2 5.3-6.0

5.6-6.0 0.4

0.7 2006-8-4

2006-8-1

2

XJ3

XJ4 2-1-2 12.8

13.1 1 11.6～14.0 2 5.7-6.0

5.9-6.0 0.4

0.3 2006-7-27

2006-8-6

2

XJ5

XJ6 2-1-3 14.8

15.7 1 13.6～16.0 3 4.0-5.0

4.5-5.0 0.5

0.5 2007-8-8

2007-8-8

3

XJ7

XJ8 2-1-4 21.1

14.3 1 12.5～23.0 4 4.8-5.0

3.8-5.0 0.5

1.3 2007-8-11

2007-8-7

3

XJ9

XJ10 2-1-5 17.4

14.9 1 11.4～20.3 3 5.0-5.2

3.6-5.0 0.8

0.4 2007-8-10

2007-8-11

3

XJ11 2-1-6 16.3 1 14.2～15.9 3 3.7-5.0 0.7 2007-8-8

3#检查坑 2-1-4 坑深5米，K=3.78×10-5cm/s 2.9 2006-12.31

6 高喷灌浆防渗效果

水库坝体防渗处理，通过检查孔取芯、压（注）水试验质量检查，岩芯呈短柱状，灰色。为灰黄色坝土置换剩余固体颗粒与水泥浆混合胶结体，以及强风化紫红色砂岩与水泥胶结的凝结体，胶结良好。11个检查孔压（注）水试验30段，透水率0.1～1.5Lu，平均透水率0.6Lu。通过开挖3个检查坑检查，渗透系数为K=3.78×10-5cm/s（q=2.9Lu），均达到设计（q≤5Lu）要求。无论是在坝土填筑地层内还是在强风化砂页岩层内，井内连续防渗体搭接厚度均超过设计搭接厚度，喷射效果佳，成墙效果明显。

质量评定109个高压旋喷灌浆孔全部优良，优良率100%，6个单元全部优良，优良率100%。

7 结论

由于高压旋喷注浆使用的压力大，当它连续和集中地作用在土体上时，它对粒径很小的细粒土和粒径大的卵石、碎石土均有巨大的冲击破碎和搅动作用，使注入浆液和坝土均匀拌合凝固为新的固结体而形成防渗墙体。高喷防渗墙具有1、直径大，2、重量轻，3、防渗性强，4、强度高，5、使用年限长等特点。

水库坝体高压旋喷灌浆施工的优点：施工需要的场地小，施工工序少、不需开挖，减少基坑渗水量，降低施工难度、简便。缺点：投资偏高。

经高压旋喷防渗墙实施结束，新屯水库大坝防渗墙无论是检查孔的各项防渗批标还是实际防渗观测结果，都说明了防渗墙具有很好的防渗效果。

高压旋喷防渗墙在软弱土层、第四纪冲、洪、残积层、人工填土及全强风化层、砂岩风化地层等多种地层中具有较好的防渗作用。