高喷灌浆截渗工程生产性试验探析

胡学玉，王志滨，牛加胜

（1.山东省水利工程建设监理有限公司，山东 济南 250013；2.济南市清源水务集团有限公司，山东 济南 250014）

山东是建设平原水库最早、最多的省份，从20 世纪70 年代开始，山东省平原水库的建设基本没有间断。这些平原水库绝大多数分布在黄河冲积平原，坝基土多为新近沉积的欠固结软土地基，地基土结构松散、强度低、易液化、抗渗和抗冲刷能力差，透水性较强。初期由于对这些工程地质条件认识不足，工程措施不当造成运行中出现了一些病险隐患，甚至危及大坝运行安全，如坝体填筑过程中的不均匀沉降、建筑物墙体沉降开裂、坝基渗漏、渗透变形破坏、坝后浸没盐渍化等。对这些问题，通过40 多年来的探索研究，加上新工艺、新材料的应用，基本形成了一套对病险水库有效的除险加固处理方案。本文以济南市玉清湖水库除险加固工程高压喷射（以下简称高喷）灌浆截渗生产性工艺试验为例，对其生产性工艺试验及关键技术进行分析，为类似高喷灌浆截渗工程提供借鉴。

1 工程概况

玉清湖水库坐落于黄河冲积平原与山前冲洪积平原交互处，库下有30 多条古河道，地质条件复杂。水库围坝长9 639.5 m，最大坝高12.4 m，蓄水深10 m，总库容4 850 万m3，调节库容3 630 万m3，年供水量14 600 亿m3。水库自2001 年投入运行后，供水效益和社会效益显著，但由于坝基渗漏，存在渗流安全隐患，水库未能发挥其最大效益。在当今水资源短缺的形势下，对水库进行除险加固，消除安全隐患，最大程度地发挥其供水效益非常必要。

2 生产性试验方案

生产性试验施工前，施工单位应组织技术管理、质量管理、设备管理、安全管理等人员编制试验方案，必要时可组织专家评审，经技术负责人审核后报监理机构审批。

按照玉清湖水库除险加固工程设计要求，本次加固坝基防渗采用高喷灌浆防渗墙，防渗墙采用高喷灌浆“一旋一摆搭接”和“旋喷搭接”两种形式，第（11）层黏土层作为相对不透水层，“一旋一摆搭接”孔间距为1.0 m，“旋喷搭接”孔间距为0.85 m。高喷灌浆防渗墙轴线距坝轴线1.5 m，防渗墙深入相对不透水层不小于1 m，墙顶深入坝体不小于1.0 m，平均深度41.63 m。

按设计要求，高喷灌浆防渗墙施工前应进行现场单孔、围井两个试验，设置3 个单孔旋喷桩、3 个单孔摆喷桩进行单孔试验，在取得符合设计要求的旋喷有效直径和摆喷半幅有效喷射长度后，采用相应施工参数进行围井试验。围井试验设置“一旋一摆搭接”和“旋喷搭接”两个围井。

2.1 试验桩布置形式及布置情况

2.1.1 单桩试验桩布置形式

共设置3 个单孔旋喷桩如图1，3 个单孔摆喷桩进行单孔试验，如图2 所示。

图1 旋喷试验桩示意图 mm

图2 摆喷试验桩示意图 mm

2.1.2 围井试验布置形式

围井采用“一旋一摆搭接”和“旋喷搭接”两个围井。

对年级效应进行事后检验，结果表明：一、二年级之间差异无统计学意义［t（256）＝ －0．186，P＝0．852］；二、三年级之间差异有高度统计学意义［t（241）＝4．029，P＜0．001］；三、四年级之间差异无统计学意义［t（253）＝0．161，P＝0．872］；四、五年级之间差异有高度统计学意义［t（266）＝3．139，P＝0．002］；五、六年级之间差异无统计学意义［t（269）＝－0．087，P＝0．931］。以两个年级为单位，社会期望处于稳定的水平，而三年级和五年级时出现了社会期望水平的显著降低。

1）设计旋喷搭接孔间距0.85 m，围井孔位布置如图3 所示。

图3 旋喷搭接围井布置示意图 mm

2）设计一旋一摆搭接孔间距1.0 m，检查围井孔位布置如图4 所示。

图4 一旋一摆搭接围井布置示意图 mm

2.2 试验参数的拟定

1）旋喷单桩试验参数。根据设计拟定的参数：水灰比1∶1、水泥浆浆压36～38 MPa、气压0.8～1.0 MPa、转速10 r/min、水泥浆流量≥80 L/min、气流量1.2～1.5 m3/min，通过8 cm/min、10 cm/min、12 cm/min 三组不同的提升速度进行对比试验，对设计拟定的参数进行验证，从中选取满足设计要求的试验参数作为施工参数。

2）摆喷单桩试验参数。根据设计拟定参数：摆角60°、水灰比1∶1、水泥浆浆压36～38 MPa、气压0.8～1.0 MPa、摆速8 次/min、水泥浆流量≥80 L/min、气流量1.2～1.5 m3/min，通过8 cm/min、10 cm/min、12 cm/min 三组不同的提升速度进行对比试验，对设计拟定的参数进行验证，从中选取满足设计要求的实验参数作为施工参数，设计拟定的单桩试验参数见表1。

表1 设计拟定的单桩试验参数表

3）围井试验。在取得符合设计要求的单桩旋喷有效直径和单桩摆喷有效喷射长度后，采用相应施工参数进行围井试验，通过围井试验检查旋喷桩和摆喷桩的连接情况。

2.3 施工资源配备

1）人员配置。项目经理、技术负责人、安全员、试验员、质检员、施工员、材料员、资料员个1人；机长2 人、机械操作工6 人、技术工人4 人、普通工人3 人。

2）设备配置。施工机械设备见表2。

表2 施工机械设备表

2.4 施工工艺流程（如图5、图6 所示）

图5 摆喷和旋喷单桩试验施工工艺流程图

图6 二重管旋喷注浆示意图

3 生产性试验质量控制

3.1 钻孔前准备工作

1）要每孔准确就位调水平，垫牢机架，使立轴垂直，才能开始钻孔作业。

2）应对参加人员全面进行技术交底、安全交底；技术人员把该孔号的编号、钻孔深度、下管深度、提升速度、浆液比重、浆液流量、灌浆压力等参数以书面形式通知操作人员，悬挂现场，并报请监理工程师现场验证孔位后方可正式钻孔、喷射灌浆。

3.2 钻孔质量控制

1）开始钻进时，采用低速吊打，每钻进4～5 m，进行一次钻机塔架垂直度测量。钻孔结束后利用测斜仪对每个孔进行孔斜率测量，孔斜率不大于0.5%，满足设计要求。

2）每孔钻进结束前由质检员检测钻孔深度，合格后方可终止。

3.3 灌浆质量控制

1）灌浆过程中对附近地面的标高进行监测，及时发现异常情况。

2）高压水泥浆液压力要达到试验方案要求，钻进过程中经常检查灌浆压力、浆液流量、浆液比重、提升速度等，并及时做好现场记录。若出现压力骤然下降、上升或冒浆异常现象，应立即停钻检查，问题排除后方可开钻。

3）浆液配比符合试验方案要求。

4）严格控制提升速度、旋转速度和摆速。

5）检查摆喷角度，每次更换钻杆，要提出喷口检查喷射角度是否偏斜，若偏斜应及时进行校正。

6）高喷喷射灌浆过程中，由于灌浆压力较大，应专人检查灌浆段周围坝顶和边坡情况，同时在坝顶上下游及下游排水沟边设置坝体变形观测点，一经发现坝顶或边坡有起鼓或局部裂缝现象，应立即停止灌浆，将钻杆上下活动，反复2～3 次，待起鼓浆气排通或等起鼓部位恢复，方可按监理指示搭接恢复灌浆。

4 生产性试验成果

试验桩灌浆完成14 d 后，按设计要求对完成单桩旋喷1#、2#、3#孔和摆喷4#、5#、6#孔的单桩桩顶开挖检查，测取旋喷有效直径和摆喷有效喷射长度；28 d 后进行钻孔取芯，并通过试验测取抗压强度、进行静水头压水试验测得渗透系数，通过钻孔取芯检测和开挖检测，选择合适的提升速度。

4.1 旋喷单桩工艺试验

通过现场记录、桩头开挖、钻孔取芯对比分析，形成以下施工参数：气压力1.0 MPa，1.4 m3/min；注浆压力36 MPa；供浆量不少于80 L/min；提升速度8 cm/min；水泥采用P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，经抽样送检，原材料质量全部合格。

4.2 摆喷单桩工艺试验

通过现场记录、桩头开挖、钻孔取芯，形成以下施工参数：气压力1.0 MPa，1.4 m3/min；注浆压力36 MPa，供浆量不少于80 L/min；提升速度8 cm/min；水泥采用P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，经抽样送检，原材料质量全部合格。摆角60°。

5 结 语

分析试验成果，通过单桩桩顶开挖检查、钻孔、取芯、室内试验、现场注水试验等几方面对比得出结论：

1）单桩旋喷灌浆效果优于摆喷，但旋喷有成墙厚度大、钻孔间距小，水泥用量多，造价高，施工效率低等缺点。

2）单桩深层摆喷灌浆整体效果差，特别是孔深30 m 以下壤土夹姜石或黏土等特殊地质条件，受地下水位产生的压力损失等影响，灌浆效果较差。可适当降低提升速度，提高质量效果。

3）提升速度对灌浆质量影响较大，提升速度慢则质量好，成桩连续，均匀密实；速度快则质量相对较差。

4）旋转速度对旋喷成桩有效半径影响较大，转速快则半径小，转速慢则半径大；同理，摆速对摆喷成桩半幅有效长度影响较大，摆速快则长度小，摆速慢则长度大。

5）孔斜对桩间搭接影响很大，特别是超深（30 m 以下孔段），要严格控制孔斜率。