高压喷射灌浆在土石坝防渗加固中的应用

涂小明，余建杰

(1.南昌市湾里区农水局，江西 南昌 330004；2.南昌航空大学土建学院，江西 南昌 330063)

1 概述

高压喷射灌浆法[1-2]是采用钻孔，将装有特制喷嘴的注浆管下到预定位置，然后用高压水泵或高压泥浆泵将水或浆液通过喷嘴喷射出来，冲击破坏土体，使土粒在喷射流束的冲击力、离心力和重力等综合作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小，有规律地重新排列。待浆液凝固后，在土内形成一定形状的固结体(桩柱或板状墙)，用以提高基础防渗或承载能力的施工方法。高压喷射灌浆的基本方法有单管法、二管法、三管法等。陈巧威[3]比较分析了采用综合截水墙抗渗系数的量水堰流量计算方法进行大坝渗流量的观测及黏土心墙测压管水位进行心墙渗流量的计算。单良玉、刘岩松[4]对土石坝的几种防渗技术的特点和适用范围进行阐述、归纳和总结。陈东俊[5]对主围堰基床采用2排高压旋喷桩、土石坝围堰采用1排高压旋喷桩的帷幕灌浆止水施工工艺进行简要叙述，对施工过程质量控制和成果，以及工程中出现的几个问题进行了分析。罗居剑[6]论述了垂直防渗技术的设计要点和设计优化的基本方法。徐英姿[7]介绍了掺配全强风化防渗土料在土石坝中的应用。安元、唐雷彬[8]、纪伟[9]基于数值模拟对土石坝渗流进行计算。李伟[10]提出聚氨酯低压注浆技术在大坝渗漏处理中的应用。

江西省南昌市湾里城区某水库高喷灌浆采用了单管法和三管法相结合施工方法，总进尺摆喷2204.5m，旋喷3373.6m，最大旋喷深度45.6m，形成了一道摆喷墙厚0.25m，旋喷墙厚0.7m的混凝土防渗连续心墙。

2 水库工程特性、地质条件及病险情况

2.1 水库工程特性

水库位于湾里城区北面高山上，水库总库容448万m3，最大坝高45m，坝顶高程192.5m。大坝为均质土坝，溢洪道为开敞式实用堰型，坝下涵管位于大坝中底部，钢筋混凝土管内套Φ0.4m铸铁钢管。工程等别为IV等，主要建筑物为4级，次要建筑物5级，水库按30年一遇洪水设计、1000年一遇洪水校核。

2.2 地质条件及病险情况

坝区出露地层有混合花岗岩和第四系松散堆积层，坝址区构造线方向主要呈NE向，岩体的片麻理构造较清晰，产状也比较稳定，主要呈NE45°～55°，倾SE倾角40°～62°。坝区断裂构造主要呈陡倾角闭合状。坝区断层不很发育，仅见5条裂隙状断层。坝址区裂隙中等发育，发育比较明显的裂隙有4条。工程区无活动性断裂及区域大构造通过，区域构造相对稳定。基岩裂隙潜水存于坝基混合花岗岩体节理裂隙中，接受大气降水和区域地下水补给，排泄于河谷低洼处。坝体土体不均一，填筑质量大部分较好，总体呈稍密-中密状，土体含粉、黏粒偏少。坝基为全-强风化混合花岗岩；右岸坝肩岩体单薄，裂隙较发育；左岸山体为强风化山梁。坝基及两岸坝肩均具中等透水性，存在坝基、坝肩渗漏及绕坝渗漏问题。坝体最大水平渗透坡降及坝体逸出坡降均大于允许渗透坡降，渗透性态不安全。

3 大坝防渗处理

3.1 防渗设计方案

高压喷射防渗心墙工程实施范围：坝轴线0+030～0+194段，墙顶高程190.5m，全长224m。采用旋喷与摆喷相结合的方式，单排布孔，两坝肩及坝身172.5m以下均采用旋喷，钻孔孔距为0.7m；坝身172.5m以上采用摆喷，孔距为1.4m。0+030～0+012.6左岸风化山梁段采用单管法施工；0+012.6～0+194采用三管法施工。钻孔入弱风化岩1m，摆喷角度60°。旋喷套接、摆喷对接方式的高喷墙结构如图1所示。

图1 高喷墙结构图

3.2 施工工艺

(1)围井试验

该工程高喷墙深度大，选择有代表性的孔位进行围井试验，确定施工参数，见表1，选定施工机具设备，见表2。

表1 施工参数

表2 机具设备

(2)分序布孔

采用三序布孔法施工：按先第一序，再第二序，最后第三序孔的施工顺序进行喷射灌浆。布孔方式为隔孔布设，三序布孔如图2所示。

图2 三序布孔图

(3)喷射施工

放样钻机就位，水平调校，使钻杆轴线垂直对准钻孔中心。膨润土护壁，钻孔达设计深度后移开钻机，移入高喷台车，安装好喷射管，对中、调平，同时确定摆喷角度。

下注浆管：将三重喷射灌浆管插入孔内预定深度，为防止泥沙堵塞喷嘴，使用低压水和少量压缩空气，边射水边插管。孔底沉渣较多时，先喷泥浆和用旋提摆装置配合扫孔，直至喷射管完全到达孔底。

旋摆提升：喷射管达到设计深度后，送空气、高压水，送水泥浆(P.O32.5普通硅酸盐水泥浆)静喷5min，待孔口回浆的比重>1.3g/cm3后开始提升喷射，控制好提升速度自下而上边喷射边转动边提升，直到设计高度。考虑到浆液凝固收缩，停浆位置提高0.5～1.0m；在发现孔口浆下降后进行回灌补浆或二次注浆。

回灌：顶部2m空桩，进行普通注浆后，在邻近孔施工前应进行回灌。

施工流程如图3所示。

3.3 质量控制

严格控制孔的间距不得大于设计间距，钻机就位后调整好喷射角度，确保成墙厚在设计误差允许范围内。下管时控制好水压和气压，既要防止堵口，又要防止压力过大导致塌孔，下管深度一定要达到孔底。控制好水泥浆用量，水泥浆用量对成桩质量有直接的影响。对回浆进行监测，控制提升速度，调整注浆量和喷射压力，回浆必须大于等于1.3g/cm3才能正常提升。若孔口回浆的比重小于1.3g/cm3时，应降低提速或停止提升。

图3 施工流程图

3.4 特殊情况控制

施工中在179、181、186号孔灌浆时静喷5分钟后孔口不返浆，处理措施为持续静喷，待返浆后按正常施工流程喷射灌浆。

4 防渗效果

抽芯取样检测：三个防渗墙抽芯取样孔，均未采集到自上而下连续分布的混凝土岩芯。钻孔注水试验：3个钻孔均采用降水头注水试验法，钻孔中所揭露到的混凝土岩芯孔段，渗透系数为4.5×10-8～4.0×10-7cm/s，具微透水性。从抽检情况看，防渗墙渗透系数符合设计要求(小于1.0×10-6cm/s)，质量合格。挖开察看：现场开挖了2处观测，摆喷成墙明显，泥结厚度31～78cm。实际观测渗流量：工程实施后，2014—2018年五年间对坝后量水堰渗水量观测，与灌浆前相比，渗水量大为减少。加固前正常蓄水位190m，渗水量为825.4m3/d，加固后实测渗水量168.7m3/d(设计渗水量152.9m3/d)，坝内最大水平渗透坡降及浸润线出逸坡降均在规范要求之内。

5 坝体运行观测

2012年3月高压喷射灌浆完毕，同年5月份工程完工，6月份初始蓄水，水库正常运行。2015年底，坝顶混凝土公路出现纵向微裂缝，随着时间推移，裂缝宽度逐渐发展。2018年开始对该裂缝进行开度监测，因监测时间短，数据少，同温度下开度数据更少。缺少数量的同条件下数据比较，裂缝开度有左右偏移情况，无足够的数据表明裂缝继续发展或已稳定，需继续进行观测。

6 结语

在中低坝防渗处理时，采用单排高喷灌浆提高坝体防渗的方案可行；针对大坝不同部位，采用不同的施工工艺进行喷射灌浆能达到整体设计防渗效果。

施工中出现一些回浆浓度不足，孔口不返浆等情况时，需严格按照施工工艺，控制施工参数，不会影响施工质量；大坝防渗墙抽芯检测时成墙不明显情况下，可开挖一定深度的防渗墙直接观测成墙情况，结合坝后量水堰渗水量，综合分析防渗设计效果可行。

大坝高喷灌浆防渗设计应进行灌浆后的坝体稳定性计算，高喷灌浆固结后，大坝内部被重新分成了前后土体和中间泥结墙三块，刚度不一，沉降不一，有不稳定的可能性，应进行坝体稳定性复核，完工后应对坝体进行稳定性观测。

防渗设计方案受限于工程自身的地质参数，不具普遍性。高喷的施工工艺、施工参数、质量控制、防渗检测方案以及工程竣工运行后发现的问题，能给予其他病险水库的高喷防渗设计、施工参考借鉴。