利用砂卵石作戗堤截流与防渗关键技术浅析

党志超

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

湘江土谷塘航电枢纽坝址位于湖南省衡南县云集镇。本枢纽工程等级为Ⅱ等，永久性主要水工建筑物级别为3级。湘江土谷塘航电枢纽准备工程低水围堰原设计为土石围堰，高压旋喷灌浆心墙防渗，但由于受到工期短、施工条件受限、天气情况恶劣、地质条件不良等因素影响采取抛填砂卵石混合料筑堤，同时针对砂卵石混合料戗堤采取双液灌浆防渗措施。

1 戗堤结构设计

1.1 戗堤结构形式

为减少不利因素的影响，形成多个戗堤填筑工作面，水上和岸上同时施工，上、下游戗堤设计为石渣填筑，纵向戗堤采用砂卵石混合料抛填。

1.1.1 上游戗堤

上游戗堤顶宽16.1 m，顶面高程52.0 m（根据招标文件水文资料，按照10%频率12月份的流量为826 m3/s，但今年降水较多，我部实测水位最高达51.1 m，因此，确定顶部高程为52.0 m），迎水面坡度1∶1.5，背水面坡度1∶1.5。戗堤分为3个区，由背水面至迎水面分别为Ⅰ区、Ⅱ区（灌浆区）、Ⅲ区。Ⅰ区顶面宽度3.5 m，和Ⅱ区相邻的坡度为1∶1.3，背水面坡度1∶1.5；Ⅱ区和Ⅰ区相邻的坡度为1∶1.3；Ⅲ区迎水面坡度为1∶1.5。Ⅰ区和Ⅲ区填筑料为彭祠料场开采的块石料，粒径不应小于10 cm，以大于20 cm的块石料为宜；Ⅱ区即灌浆区，为保证高喷灌浆的效果，Ⅱ区填筑料为粘土或细渣料，细渣料的粒径不应大于10 cm，以粒径小于10 cm的块石料参杂细土料为宜[1]。

由于填筑料为泥岩且持续性阴雨天气多，为保证车辆通行，戗堤顶面50 cm～80 cm范围内，应选取料场开采的粒径不小于20 cm且含水量较小的块石料铺填，然后再铺填一层外购石灰岩块石料。

戗堤的轴线位于前期低水围堰轴线的背水面一侧，相距0.9m。

1.1.2 下游戗堤

下游戗堤断面形式和上游戗堤一致。

1.1.3 纵向戗堤

下游戗堤顶宽10 m，顶面高程52.0 m，迎水面坡度1∶2.0，背水面坡度1∶2.0[2]。戗堤采用砂卵石混合料。纵向围堰及戗堤断面见图1。

图1 纵向围堰及戗堤断面图

1.2 抛填料的选择

根据公式，束窄断面平均流速：

式中：Q为设计流量，根据水文资料及实测水位51.06 m，取1000 m3/s；ωc为束窄河床断面面积，ωc=hp（Bp-S·hp），m2。

根据公式，束窄河床断面面积：

式中：hp为束窄断面平均水深，取4.3 m；Bp为束窄断面水面宽，取240 m；S为戗堤轴线方向的边坡坡度，取1.5。

计算可得：ωc=1004.3 m2。

综上，可的束窄断面平均流速v=1.0 m/s。一般最大流速为平均流速的1.2～1.5倍，因此，最大流速估计为vmax=1.5 m/s。

根据公式，天然河床断面平均流速：

式中：ω0为天然河床断面面积，2153 m2。

计算可得，v0=0.46 m/s。天然河床最大流速v0max=0.69 m/s。根据公式，戗堤上下游水位落差:

式中：φ为流速系数，取0.875；g为重力加速度，取9.8 m/s2。计算可得，Z=0.05 m=5 cm。

根据伊兹巴什公式：

式中：v为计算流速，m/s；K为稳定系数，取K=0.90；d为块石化为球体的直径，m；g为重力加速度，9.81 m/s2；γ 为水的容重，1 t/m3；γs为块石容重，此处取值为2.6 t/m3。

按束窄河床平均流速1.0 m/s，计算可得4 cm；按束窄河床最大流速1.5 m/s，计算可得9 cm；按天然河床平均流速0.46 m/s，计算可得1 cm；按天然河床最大流速0.69 m/s，计算可得2 cm。

根据水力学计算[3]可知，按天然河床平均流速0.46 m/s计算，抛填卵石粒径大于1cm时即可稳定。考虑到戗堤防渗需要，若抛填卵砾石筑堤，则卵砾石会架空，导致戗堤无法闭气。因此，经过考虑，筑堤抛填料必须是砂卵石混合料，且含沙量不宜过小，不宜小于6%，以原始河床覆盖层开挖料抛填为宜。

2 双液灌浆防渗

2.1 浆液配比试验

由于浆液既要具备一定的扩散能力，同时又能快速凝结，因此，需根据现场实际情况配制浆液，经试验，当水玻璃∶水泥=0.35时，凝结时间约为30 s，适合现场管路布置及灌注段长度的需要，因此，确定水∶水泥∶水玻璃=0.8∶1∶0.35±0.05。

2.2 灌浆工艺

初选两种灌浆工艺进行试验：

①利用钻杆作为灌浆管，分段灌注。施工工艺流程：孔位放样→设备就位→一次钻孔至设计孔深→钻杆起拔10 cm→孔底段灌浆→起拔钻杆20 cm→第二段灌浆→起拔钻杆20 cm→……→终灌段灌浆→结束灌浆→封孔。

②埋设PPR水管作为灌浆管，分段灌注。施工工艺：埋设两套灌浆管路，第一套下至孔底，注浆管底部至50%孔深范围内钻花眼；第二套管路下至50%孔深+50 cm，孔底用胶封堵，以便形成灌浆搭接，第二套管路全段钻花眼。花眼规格：每20 cm段钻孔不少于4～6个，孔径10 mm。

（3）灌浆压力

灌浆压力选择Ⅰ序孔≥1.0 MPa，Ⅱ孔序≥1.2 MPa。

（4）孔径和孔间距

孔径为146 mm，孔间距初步定位1.6 m。

（5）灌浆结束标准

Ⅰ序孔单孔水泥灌入量不小于2000 kg/m。

（6）灌浆设备

灌浆设备选择螺杆式水泥灌浆泵。

（7）灌浆试验结果

经过现场挖开检查，浆液扩散半径可达0.8 m～2.0 m，经注水试验，全孔渗透系数2.3×10-5cm/s，满足合同不大于n×10-5cm/s（n=1～9）的要求。因此，双液灌浆能够满足抛填砂卵石戗堤防渗的要求。但是，经过两种施工工艺试验对比，虽都能满足施工需要，但是相对于利用钻杆作为灌浆管，分段灌注工艺而言，采取埋设PPR水管作为灌浆管，分段灌注工艺灌浆效果稳定。

3 施工效果分析

采取抛填砂卵石筑堤，大大减少了阻工及阴雨天气对施工的影响，仅用10天的时间完成6万m3砂卵石的抛填，完成筑堤522 m，减少了石渣进占的工期压力。因此，采取抛填砂卵石筑堤大大缩短了工期，为后续工程争取了时间。

戗堤完成双液灌浆防渗是施工后，用时3天即完成基坑抽水，抽水量45万m3，戗堤渗水量极小，与同类工程相比，戗堤防渗效果良好，因此，双液灌浆对于抛填砂卵石防渗是适用的。纵向围堰拆除时，经过现场观察，双液灌浆成墙厚度约为0.8 m～2.0 m，较密实，基本达到C10混凝土强度，需爆破拆除。另外，与高压旋喷灌浆相比，双液灌浆具有需要设备少、用电量少、投入人员少、操作简单等特点，具备抢工期的优势。

4 经验与建议

（1）当施工环境复杂、影响因素多、天气状况较差、地质条件不良，且需要赶工时，可考虑抛填砂卵石填筑戗堤。但是由于抛填砂卵石筑堤成本较就地取石渣料填筑戗堤成本较高，因此，在常规施工过程中不建议采用。

（2）通过本次研究，双液注浆适用于抛填砂卵石戗堤，由于国内尚未发现抛填砂卵石戗堤围堰防渗采用双液注浆工艺，因此，此次研究获得的各项参数可为同类工程提供参考，在灌浆过程中应加强过程控制，对钻孔进行标记防止漏灌，同时防止超灌。