高压旋喷灌浆技术在小型水库防渗加固中的应用

张 璐



高压旋喷灌浆技术在小型水库防渗加固中的应用

张 璐

（黎明职业大学土木建筑工程学院，福建泉州 362000）

文章结合某小型水库的地层地质及渗漏等情况，对比分析了水库坝体各种防渗加固方案，从经济性和安全性等方面考虑，选用了高压旋喷灌浆防渗墙结合复合土工膜的防渗加固方案．通过试验的成桩效果得出施工参数指导具体工程施工，施工后检测证明高压旋喷灌浆技术效果良好，该方法对水库防渗加固具有借鉴意义．

高压旋喷灌浆；水库坝体；防渗加固；试验

1 引 言

我国小型水库数量众多，据统计至2011年底小型水库占水库总数的95.2%[1]．这些小型水库大都修建于20世纪60年代末至70年代初，由于受到当时经济、技术以及施工管理等各方面的条件限制，工程设计标准及施工技术水平都比较低，且在建坝时没有采取有效的防渗处理措施，使得坝体防渗效果及大坝两端与山体结合部的防渗效果大幅度降低．经过几十年的使用，未对坝体进行防渗加固，导致坝基、大坝两端与山体连接处以及坝身有比较严重的坝基渗漏问题，影响水库安全问题，严重制约了水库的安全运行和经济效益的发挥．因此，根据水库本身的情况，采取必要的除险加固措施势在必行．

2 水库坝体防渗加固方案[2,3]

目前，水库坝体主要的防渗加固技术有振动沉模防渗板墙、劈裂帷幕灌浆技术、复合土工膜防渗、混凝土防渗墙、高压旋喷灌浆防渗技术等，各方案适用范围、成墙厚度和深度见表1．综合这几种技术发现：高压旋喷灌浆防渗技术适用范围较广，成墙深度大且厚度适中，因此，本文就高压旋喷灌浆防渗技术作主要论述．

表1 各种防渗加固技术方案的适用范围

3 高压旋喷灌浆防渗加固

3.1 高压喷射灌浆技术

高压喷射灌浆法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定深度后，用高压设备使浆液或水成为高压射流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体，同时钻杆以一定速度渐渐向上提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，使凝固的浆液在土中形成一个固结体[4]．高压喷射灌浆技术按照喷射方式分为旋喷、摆喷、定喷三种[5]．三种方法施工均为一边喷射一边提升．旋喷法的喷嘴为旋转提升，施工后在地基中形成圆柱体，称为旋喷桩，主要用于地基和坝体加固；摆喷法喷射的方向呈较小角度来回摆动，固结体形如较厚墙状和扇状；定喷法喷射方向不变，固结体形为板状或壁状；摆喷及定喷常用于基坑防渗和边坡稳定等工程．由旋喷桩、摆喷扇形断面桩或定喷板状墙段，其中的一种或两种、三种彼此组合搭接起来，形成的地下防渗墙，称为高压喷射防渗墙．

当前，高压喷射灌浆法的基本工艺类型有：单管法、二重管法、三重管法和多重管法等四种方法[4]．结合工程特点，在水坝加固中常采用旋喷的喷射方式，旋喷形式可采用单管法、双管法和三管法．单管喷射法只以喷射水泥浆液冲击切割破坏土体结构，使得水泥浆与土体混搅在一起；双管喷射法在水泥浆液射流四周包裹一层高压空气同时喷射，减少喷射流动能的损失，提高了破坏土层结构能力，完成土颗粒的置换、填充；三管喷射法则是通过包裹高压空气的高压水流冲击切割破坏土层结构，然后以水泥浆液置换、填充．这三种喷射方法的共同点是利用高压喷射流对土体介质进行切割破坏，使水泥浆与土体搅拌在一起．在相同的条件下，其喷射流对土体的切割破坏效果为：三管喷射法的效果最好，双管喷射法次之，单管喷射法最差．当高压喷射流周围有压缩空气形成气环时，气环对喷射流切割破坏力的影响显著，而在水下喷射时影响表现更加明显[6]．

3.2 高压旋喷灌浆试验

3.2.1 施工参数计算

由高压旋喷灌浆形成的旋喷桩组合成的防渗墙结构形式有单排、双排和三排旋喷套接三种[3]；在同一地层中旋喷喷射直径与喷射压力、喷射介质的流量、提升速度、旋转速度和土层强度之间存在密切的关系[7]．因此为了保证防渗墙的施工质量，应合理选用施工参数及施工设备．水库防渗加固方案的施工参数必须在施工前先进行现场试验桩确定．

（1）高压喷射流的速度(v0)和流量(Q)[8]56-98：

式中：v—喷嘴出口流速（m/s）;—喷嘴流速系数,良好的圆锥形喷嘴≈0.97；

—重力加速度（9.81 m/s2）；P—喷嘴入口压力（MPa）；—喷射液体密度（g/cm3）;

Q—流量（L/min）；n—喷嘴个数；F0—喷嘴出口面积（mm2）;—流量系数，圆锥形喷嘴≈0.95．

（2）试验桩的注浆量计算方法有两种：体积法和喷量法，取大者为喷射浆量[4,8,9]．

体积法：

喷量法：

式中：Q—需要用的浆量（m3）；D—旋喷体直径（m）；D—注浆管直径（m）；K—填充长度（0.75~0.9）；h1—旋喷长度（m）；K—填充长度（0.5~0.75）；h2—未旋喷长度（m）；—损失系数（0.1~0.2）；—提升速度（m/min）；—喷射长度（m）；q—单位时间喷浆量（m3/min）．

3.2.2 试验成果分析

高压旋喷桩凝固并且具有一定强度后，对试验段进行开挖，检查墙体的均匀性和桩身的完整性、固结体的垂直度、形状及尺寸和桩与桩之间的连接情况及墙厚，验算桩与桩搭接处的最小宽度emin，若（D为桩径、L为桩距，单位均为m），则表明试验结果符合要求，试验参数可选用．

4 实例分析

4.1 工程项目概况

福建晋江流域某小型水库是一座以灌溉为主，结合防洪、养殖的小型水库．该水库建于1957年，总库容49.57万m3，洪水位62.88 m，正常蓄水位62.35 m，设计低水位49.35 m．据调查主坝的背水坡出现不均匀分布的湿润面和散浸现象，且主坝受白蚁侵蚀比较严重．在2012年3月进行安全鉴定，该水库综合评价为三类坝．经检测，坝基岩土体强度能满足坝体荷载及抗滑稳定要求，坝基稳定性较好．坝体填筑土以粉粒为主，颗粒含量差别较大，成分复杂，填筑质量不均匀．另外坝体土的标贯击数偏低，干密度偏低，压实度0.87～0.95，不满足规范要求．由于该工程施工受当时条件制约，工程设计标准偏低，选料不均且辗压不均匀，填筑土现场注水试验渗透系数K范围值为：6.9×10-5～2.4×10-4cm/s，平均值为1.57×10-4cm/s，大值平均值为2.57×10-4cm/s，坝体填筑土大部分呈中等透水性，仅局部呈弱透水性，中等透水区主要集中上部分坝体，坝体填筑土需要防渗处理．

4.2 工程防渗加固方案

根据水库主坝的渗漏、地层地质和场地情况，拟选四种防渗方案，各方案进行分析比较见表2．

方案一：主坝迎水坡全部采用两布一膜的聚乙烯复合土工膜，其型号为700 g/m2．

方案二：根据水库主坝的地质情况，结合规范和类似工程的经验，采用桩径为0.6 m的高压旋喷灌浆防渗墙，其孔距为0.5 m；钻孔深度从坝顶至凝灰熔岩残积粘性土层以下0.5 m．

方案三：对坝体做厚度为0.5 m混凝土防渗墙，防渗墙底部伸入凝灰熔岩残积粘性土层以下0.5～1.0 m．

方案四：采用高压旋喷灌浆防渗技术结合复合土工膜防渗技术，根据水库的正常蓄水位和最低水位，主坝迎水坡56.00 m高程以上坝坡采用两布一膜的聚乙烯复合土工膜，其型号为700 g/m2；56.00 m高程以下坝体采用桩径为0.6 m的高压旋喷灌浆防渗墙，其孔距为0.5 m；钻孔深度从坝顶至凝灰熔岩残积粘性土层以下0.5 m．

表2 各方案分析比较情况

综合考虑以上各方案的优缺点，方案四的投资较低、防渗效果较好，解决了方案一对主坝底部防渗效果难以保证的问题．同时考虑到经济性和水库枢纽的安全运行问题，确定采用高压旋喷灌浆防渗墙结合复合土工膜防渗加固方案．

4.3 高压喷射方法和试验孔布置

根据该水库主坝的地质地层条件、场地情况和设计要求，高压旋喷防渗墙的结构形式可采用较为经济的单排旋喷套接．该水库高压喷射试验按设计桩距0.5 m分别布置两组试验段，每组3孔，孔深应进入相对不透水层，深度均为3 m；A组试桩在平行设计旋喷轴线下游侧，B组试桩在平行设计旋喷轴线上游侧．试验段桩孔布置见图1．

4.4 施工技术参数的确定

该水库主坝进行高压旋喷灌浆过程的主要技术参数：灌浆压力25～40 MPa，浆液流量70～100 L/min，浆液比重为1.4～1.5 g/cm3，提升速度10～20 cm/min，旋转速度8～16 r/min，钻孔孔斜率≤1%，旋喷桩间距为0.5 m，桩径为0.6 m，桩与桩搭接长度≥0.1 m．根据工程的实际地质情况和经验设计参数，选取试验段试验桩的施工参数见表3．

4.5 两组试验桩的参数和确定水泥用量

（1）由公式（3-1）得，A、B两组试验桩的浆液量分别为71（L/min）和75（L/min），均符合设计要求．

（2）由公式（3-2）、（3-3）得，A、B两组试验桩的注浆量分别为1.42 m3和1.8 m3，水泥用量分别为18包和22.9包．

表3 试验桩的施工参数

4.6 试验成果分析

两组试验桩成桩效果图见图2和图3，现场试验桩尺寸实测情况见表4；验算桩与桩搭接处的宽度，符合设计要求．

图2 A组试验桩成桩效果

图3 B组试验桩成桩效果

表4 现场试验桩尺寸实测情况

高压旋喷试验桩开挖情况：两组试验桩结构密实，水泥浆分散性好，与坝土胶结良好；其成桩直径均大于0.6 m，其中A组试验桩的成桩直径均达到0.61 m以上；B组试验桩的成桩直径均达到0.63 m以上．各桩体的形状基本完整，其中B组各桩体轮廓更为明显，且桩与桩之间连接较好，连接处桩体的宽度均满足设计要求．A组试验桩返浆量较少且其成桩效果较差，这是因为A组试验桩的灌浆压力比B组试验桩的小，使得A组的喷射流的切割土体的有效范围较小导致其成桩效果较差；A组试验桩的提升速度较快，使水泥浆与土体没有得到充分的搅拌导致返浆量较少．若按A组试验桩的施工参数进行灌浆，防渗墙的质量很难到得保证．而B组试验桩的试验参数更能保证防渗墙的厚度以及成桩质量符合设计要求．因此，采用B组试验桩的试验参数指导具体施工．

4.6 防渗加固工程效果

施工完成后，根据已选定高压旋喷桩试验取芯样位：15#-16#、45#-46#、85#-86#、115#-116#和129#-130#进行钻孔取芯检查，并进行室内实验检测抗压强度和渗透系数，其检测结果见表5．由表可知该水库防渗加固工程高压旋喷桩防渗墙的抗压强度和渗透系数均满足设计要求，可达到较好的防渗效果．

表5 工程防治加固相关参数检测结果

5 结 语

水库的坝体为隐蔽工程，因此施工参数需要先通过试验检测，本工程通过对两组试验桩的取样及成桩效果分析，可选定较优的施工参数，达到较好的防渗加固效果，确保工程质量．本工程实践证明，高压旋喷灌浆技术不仅可用于加固地基，在水库坝体加固中也有很好的应用前景．

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（责任编辑：张新玲）

The Application of Rotating Jet Grouting Technique to the Seepage Prevention Reinforcement of Small Reservoir

ZHANG Lu

This paper discusses the high pressure jet grouting impervious wall with composite geomembrane anti-seepage reinforcement scheme. Based on reservoir dam of various impervious reinforcement scheme comparison analysis, and considering the actual situation of a small reservoir geological formation and leakage, it is concluded that construction of parameters to guide the specific project construction, after construction detection that high-pressure jet grouting technology in the small reservoir seepage reinforcement effect is good and the method of reservoir seepage reinforcement would have some practical implications.

rotating jet grouting; reservoir dam; seepage prevention reinforcement; test

TV54

A

1009-8135（2016）03-0087-05

2015-12-01

张 璐（1981-），女，福建泉州人，福建省黎明职业大学副教授，硕士，主要研究结构耐久性等．

泉州市科技计划项目（Z【2012】0124）；黎明职业大学科研团队建设项目（LMTD2014106）阶段性成果