砂卵石透水地层围堰高喷防渗施工技术

侯建宇，吴晓宇

(淅川县水利局鸿禹水利水电工程有限公司，河南 南阳 474450)

0 引言

高压喷射灌浆防渗技术包括单管法、二重管法、三重管法和多重管法等施工工法，其中三重管法地层适用范围广。工程实践证明，三重管高压喷射灌浆技术施工设备简单、孔径大，浆液喷射能量大、水泥浆液渗入效果好，施工速度快，固结体形状易控制，对于透水砂卵石地层加固效果显著。

1 工程背景

河南省淅川县某水库工程主坝为黏土心墙砂砾卵石坝，坝顶设计高程220.50 m，坝体长320 m，坝高44.50～50.50 m，水库建筑物均为Ⅱ级设计标准。水库河床段地质条件为第四系冲洪积卵石和粉质黏土，下伏弱风化安山玢岩，岩层上下部分别为松散～稍密粉质粘土、中粗砂、河床卵石层和中密～密实卵石层，透水性强。左岸Ⅰ级阶地高17～28 m，宽25～35 m，渗透系数5.20×10-5cm/s，弱透水；右岸Ⅰ级阶地高25～32 m，宽38～49 m，渗透系数4.41×10-5cm/s，弱透水。

2 施工方案及参数取值

2.1 施工方案

结合该水库地质条件，主要采用三重管旋摆搭接高压喷射灌浆进行其围堰堰体和堰基部分防渗施工。三管法主要使用水、气，浆三种介质共同作用，即借助高压水流冲切土体，水泥浆液跟进充填，并在砂卵石层中形成密实连续的固结体。结合类似工程施工经验和本工程地质条件，选择地质条件复杂的桩号0+080～0+128段阶地及桩号0+460～0+498段河床为试验段进行高喷灌浆施工，并根据试验情况确定施工参数。各试验段设置7个施工孔，并按1.10 m间距单排设置，钻孔过程中跟管钻进、PVC管护壁，并按照“先导孔→Ⅰ序孔→Ⅱ序孔”的次序分两序施工。施工过程中三重管旋摆喷设计详见图1。设计桩长20.50～32.00 m，桩底深入基岩至少0.50 m，旋喷桩直径1.50 m，水灰比1∶1，水泥浆液制备使用强度等级P.O42.50的普通硅酸盐水泥。

图1 三重管旋摆喷设计示意图

对于地质条件较好的施工段及高喷孔深在20 m以内的地段，按1.20 m确定孔距；围堰中部地质条件复杂且设计孔深25～35 m的区域按1.10 m确定孔距；坝下有大块飘石的架空强透水层地段按1.00 m确定孔距，如果无法达到理想的防渗效果，还应进行深层堵漏。

2.2 施工设备

对于孔深>25 m、20～25 m、<20 m的施工段，分别采用HD-120型潜孔钻、CM-3000型潜孔钻和XYZ-70型冲击钻施工，跟管钻进，并在套管拔除前下入PVC管护壁。以山东泰安产高喷台车为喷射设备，完成试喷后将喷管下至设计深度，并输入水、气、浆后静喷3～5 min，并按设计速度由下至上提升、旋转和摆喷，达到设计高度后停止水、气、浆输送并拔除喷射管。该水库砂卵石透水地层围堰高喷防渗施工使用4台钻孔设备，4台喷浆设备，规格型号详见表1，施工期50 d，日施工强度为250 m/d，设备配备符合施工强度要求。

表1 钻孔及喷浆设备规格型号表

2.3 施工参数

水库砂卵石透水地层围堰高喷灌浆水泥浆液水灰比为1∶1～0.6∶1，密度1.60～1.80 g/cm3；孔斜控制在1%以内，钻孔深入基岩至少0.80 m，并保证喷管下设深度和实际孔深对应。水压、气压和注浆压力分别按38 MPa、0.60 MPa和0.60 MPa控制；新填筑围堰部分旋摆喷提升速度9.00 cm/min，围堰以下原河床处Ⅰ序孔和Ⅱ序孔旋摆喷提升速度分别为6.00 cm/min和8.00 cm/min。高压喷射灌浆前先在地面试喷，并同时进行机械管路等运行情况检查，调整喷射方向和摆动角度。将喷头下入至设计深度后按照设计参数先原位喷射，等浆液返至孔口且无异常情况后提升喷射；在下放和拆卸喷射管时必须避免堵塞喷嘴。为确保固结体结构的连续性，喷浆施工过程中因特殊原因中断喷射、排除故障复喷时搭接长度应≥0.50 m。

3 施工技术要点

3.1 施工准备

在准备阶段必须全面规划施工场地，保证进出场施工便道平整密实，在戗堤上游设置排浆沟和集浆池，排浆沟与高喷防渗墙轴线平行，集浆池按60 m间隔设置。将全部注浆孔统一编号，并采用全站仪进行桩位放样，用木桩在孔位中心标记，孔序、编号及高程均用油漆标明。

3.2 施工机械就位

待完成桩位校核后钻机就位，并调平机身，使钻头和桩位中心对齐，误差应控制在10～20 mm；按照设计要求控制钻速和孔斜率，钻进施工过程中还应进行孔位、孔深、地层地质条件等的详细记录。完成钻孔并检验合格后，移走钻机，高喷台车就位，将水、气、浆管连接好，并确保高喷台车孔口和钻孔轴心重合。

通过高速制浆机进行P.O42.5普通硅酸盐水泥拌和制浆，并加强水泥浆比重、温度等的检查和控制，拌和时间60 s，浆液温度8～40℃。制备好的浆液过滤后应在地面试喷，检查喷浆系统运行性能及堵管情况。

3.3 喷射施工

待试喷合格后缓缓下放喷射管至孔底，为防止喷管堵塞，应在管口缠绕薄胶带。根据设计要求及施工参数向喷射管内输送水、气和浆液，等水压、气压、泵压和风压均达到设计值后向孔底原位高喷1～3 min，使回浆密度升高至1.20 g/cm3后提升喷浆管，并连续喷浆；达到设计高度后原位继续喷射1～2 min后停喷，拔管。在喷射施工过程中，必须连续匀速提升喷射管，并经常性检查水、气、浆等介质的喷压及流量，保证参数取值正常。待结束喷射施工后，应用清水将拔除的喷射管冲洗干净，以备继续周转使用。

完成高压喷射施工后水泥浆液会因固结而收缩，造成孔内浆液面下沉，为此，必须将冒浆回灌至孔内，直至孔内浆液面不再下沉，达到稳定状态为止。

3.4 深层注浆堵漏

3.4.1 注浆方案

对于桩号0+080～0+128段阶地及桩号0+460～0+498段河床通过高喷注浆即可达到堵漏效果；而对于地质条件复杂的桩号0+100～0+105段阶地及桩号0+475～0+480段河床，在高喷防渗施工的基础上还应进行深层注浆填充堵漏，保证取得最佳防渗效果。具体而言，在坝下0+102.50及0+478段围堰防渗墙内侧30 cm处基坑渗水部位增设4个回填堵漏孔，钻孔至设计深度后先用添加速凝剂的浓水泥浆浆液回填，将架空墙透水带的渗水通道彻底填满后改用高喷灌浆形式封闭全孔。

3.4.2 注浆施工

施工过程开始后，分别在坝下0+100～0+120及0+470～0+495范围内的强透水带下放注浆管，并以静压方式注浆，避免浆液快速扩散，还应在初期注浆浆液中掺加水玻璃；随后改用0.20 MPa的低压灌注浓浆。灌浆过程中应结合围堰内侧实际渗水情况进行注浆结束时间的确定。由于1～3#孔渗水量大，且渗水时间长，应在孔内灌注掺加3%水玻璃的浓浆，静压灌浆3 h后改用0.50 MPa灌浆压力逐级加压，各级持压30 min，待注浆压力增大至1.00 MPa，吸浆率不超过5.00 L/min，且渗水点不再渗水时，持续灌浆30 min后便可结束灌浆。其余灌浆孔注浆压力上升至0.50 MPa且吸浆率不大于5.00 L/min、渗水点不再渗水时，持续灌浆30 min后结束灌浆。

4 施工效果

水库工程围堰地层中砂卵石、漂石含量多，粒径大且胶结程度差，渗流量大，高压喷射灌浆施工攒在较大难度。通过应用地质钻机钻孔有助于探明灌浆层地质条件，为灌浆参数选取及顺利施工提供了依据。待成孔后将PVC管插入竖向切缝中能有效避免塌孔，灌浆过程中借助高压将管壁冲碎，保证了砂卵石地层高压喷射灌浆施工的顺利进行。灌浆施工时地下渗流会导致浆液损失，不利于成墙厚度控制，通过减缓灌浆管提升速度、增加水泥浆液粘稠度可有效减轻高喷灌浆施工质量受地下渗流的不利影响。

该水库工程高压喷射防渗灌浆施工历时4个月，累计灌浆量0.50万m3，共消耗水泥0.80万t，注浆量均值685.10 kg/m，共成墙0.70万m2，达到了预期防渗效果。

5 结论

综上所述，高压喷射灌浆施工技术应用于水库围堰开挖防渗时，应从施工方案设计、施工设备选型、施工参数确定等角度加强控制，针对不同的地质情况，应制定科学的施工方案并选择相适应的高喷施工参数。水库施工结束后质量检测结果也显示，整个围堰高喷灌浆防渗施工效果良好，基坑开挖也未出现渗水，达到了预期施工目标。