高壓噴射灌漿技術在加音塔拉水庫加固工程中的應用

葛文輝

（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局頂山管理處二站 新疆 福海 836403）

高壓噴射灌漿是利用鉆機鑿孔，然后把帶有噴頭的灌漿管下至預定位置，以高壓設備把漿液或水成30MPa左右的高壓液流，從噴嘴射出來，射流沖擊破壞地層土體，當能量大、高速、呈脈動狀態的射流的動壓超過土體強度時，土粒便從土體剝落下來，一部分細小土粒隨著漿液冒出地面，其余土粒（或礫石）在噴射流的沖擊力、離心力和重力等作用下，與灌入漿液摻攪混合，并按一定的漿土比例和質量大小有規律的重新排列。漿液凝固后，便在土體中形成一個凝結體，其形狀和噴嘴移動方向及持續時間有密切關系。按噴射形式一般分為旋轉噴射、擺動噴射、定向噴射。旋轉噴射即噴射時一邊提升一邊旋轉，使凝結體形成柱狀；擺動噴射即一邊提升一邊擺動（根據板墻厚度需要以22°～35°之間擺動），使凝固體形成似啞鈴體；定向噴射即噴嘴一邊提升一邊噴射，其方向始終不變，使凝固體形成板狀體。由于噴射形式各有特點，可根據工程要求和土質條件選用。

高壓噴射灌漿技術以其設備簡單、適用廣、工效高、工期短、造價低、效果好等特點，愈來愈得到廣泛應用。高壓噴射灌漿技術在加音塔拉水庫加固工程中的應用，解決了副壩嚴重漏水問題，改善了壩體穩定狀況，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

1 加音塔拉水庫工程概況

加音塔拉水庫位于和布克賽爾縣和什托洛蓋鎮西北16km處，為和布克河中游攔河水庫，年調節水量3600m3，灌溉面積0.33萬hm2，兼有城鎮防洪和供水任務。水庫設計庫容1850萬m3，興利庫容1650萬m3，死庫容47萬m3。水庫有主壩、副壩、輸水隧洞、溢洪道四大部分，壩型為粘土斜墻堆石壩，最大壩高22m，閘門泄水能力為17m3/s，溢洪道最大泄水量38m3/s。

2 水庫工程存在的問題

水庫工程是在1959年5月開工建設，1962年3月竣工。由于受當時條件限制，建庫前沒有做過任何工程地質勘察，在施工過程中，壩體直接座落在覆蓋層上，施工質量很差。副壩土斜墻上料混雜，某些部位斜墻土含砂量達43%，并有腐殖質、黑土、樹枝、草根、礫石等，干容重為1.44g/cm3～1.6g/cm3，滲透系數為1.42×10-4cm/s～1.36×10-3cm/s，未能達到設計要求。堆石體壩腳的反濾層只有30cm厚而且未分級配，起不到反濾作用，極易發生滲透破壞。斜墻與壩基、壩肩接觸面的滲透穩定問題很嚴重。水庫運行過程中多次出現裂縫、沉陷、管涌、漏水、斜墻穿洞等問題。曾多次對發生問題的斜墻部位進行開挖、翻修，采取了一些防滲堵漏的措施，如壩前做粘土鋪蓋，兩岸山坡做混凝土護面與斜墻連接等，這些措施對延長滲徑、減少漏水量有一定效果，但未從根本上解決水庫險情。特別是副壩漏水嚴重，當庫水位在503m（即蓄水量在170萬m3）時，壩后產生明流3L/s，庫水位在509m（即蓄水量達1170萬m3）以上時，漏水量達186L/s，漏水量隨水位的升高而增加。據資料記載，副壩發生過多次漏渾水，斜墻裂縫、坍塌、穿孔較嚴重的涌水事故。尤其是庫水位升至509.98m（蓄水量1458萬m3）時，副壩南頭漏渾水由186L/s劇增到1760L/s，斜墻穿孔。壩體局部遭到破壞，漏水坑面積達48m2，右壩肩與斜墻結合部位出現漏水通道。當年7月～8月對發生問題部位的斜墻進行了開挖翻新處理，2006年又進行了帷幕灌漿處理，但均未收到效果。2006年4月25日，當庫水位升至509.55m（即蓄水量達1260m3）時，壩后間歇漏渾水8次。經測算帶走土量7.5m3，水變清后壩面未見異常。據2005年、2007年兩次地質勘察資料和管理單位記載證實，副壩所發生的問題都與斜墻質量、斜墻與壩基及岸坡結合部位存在強透水的覆蓋層，基巖裂隙漏水、岸坡與斜墻接觸沖刷有關。綜上所述，副壩問題比較嚴重，到了非處理不可的地步。

3 工程加固處理

3.1 方案論證

為了選擇除險加固的最佳方案，根據兩次對副壩工程地質勘探資料，經多方論證，提出了水庫除險加固處理方案，確定采用高噴帷幕防滲心墻方案。

3.2 副壩高噴灌漿加固設計及要求

副壩頂寬4.5m，長72m，高噴帷幕防滲體心墻軸線擬定在堤頂中心線。防滲板墻為復式結構，高噴孔沿軸線分二排：下游排孔在軸線以下0.7m，孔距1.2m；上游排孔在軸線以上0.7m，孔距1.4m。沿軸線布置一排靜壓帷幕灌漿孔，分三序施工，Ⅰ序孔9個、孔距8m，Ⅱ序孔9個、孔距4m，Ⅲ序孔18個、孔距2m。靜壓帷幕灌漿孔其終孔深度視基巖裂隙透水情況要求在風化層以下5m～8m。高壓噴射灌漿要求板墻深入基巖風化層介面以下1m。設計要求：

（1）在堆石體內形成的防滲心墻體厚度不小于2m，高壓噴射板墻的滲透系數K應小于10-5cm/s，靜壓灌漿的W應小于0.03L/（min·m·n）；

（2）覆蓋層的防滲體主要靠二道高壓噴射板墻，每道厚度不小于18cm；

（3）在壩基巖面用旋噴法，形成一個連續的垂直壩軸線長約3.8m、厚約1m～2m的水泥凝固體，其作用是作為基巖帷幕灌漿的頂蓋，并可加長防滲體與巖面間的滲徑和提高抗沖蝕的強度；

（4）板墻之間靜水壓回填灌漿要求水泥粘土漿，使防滲體心墻有柔性，減少彈性模數；

（5）工程完工后壩腳后不見明流；

（6）高壓噴射灌漿水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，質量達不到要求不能用；

（7）根據壩上已有的參數，考慮防滲體可達到的參數，經過有限元分析，壩體應安全穩定。

3.3 施工分階段進行

根據地層結構特點，施工過程分充填灌漿、高壓噴射灌漿、靜壓帷幕灌漿、板墻前填充四個施工階段。

（1）充填灌漿階段

通過鉆孔試驗，發現堆石體中不僅孔隙率達到43%，而且孔隙直徑大，灌通性強，漏漿嚴重。為了做好高壓噴射灌漿前的準備工作，在壩軸線布置13個充填孔進行充填灌漿。但是，在充填過程中發現充填量太大，難以保證高壓噴射灌漿工作正常進行，故在上排高壓噴射孔之間補加充填孔22個。因此，整個鉆孔過程就是充填過程。這階段歷時40d，共鑿孔35個，進尺639m，材料用量：粘土526m3、砂子282m3、水泥100t。

（2）高壓噴射灌漿階段

高壓噴射灌漿構筑防滲板墻是施工主體內容。為了驗證設計提出的各項參數是否符合工程實際需要，先選定48號孔作為試驗孔進行高壓噴射灌漿，3d后進行開挖檢查（挖深1.7m），顯露出的板墻所經過的塊石層、碎石層、砂礫層三種地層，其形成的凝結體基本符合設計的要求和采用的工藝參數。根據高壓噴射灌漿凝結體在堆石體內厚度情況，設計的孔排距1.4m可以滿足防滲體心墻厚度達到2m以上。但是，為了彌補凝結體在堆石體中的長度不足和施工中各種不利因素影響，把下游排孔距縮小到1.2m，擺噴角度增到35°，底部為2m的旋噴體，提升速度減慢等滿足了設計中提出的要求。高壓噴射灌漿歷時90d，完成高壓噴射灌漿孔100個，噴射延至1834m，形成板墻面積2287m2。共用水泥2063t，砂子585m3，粘土878m3，水玻璃35.5t。

（3）靜壓灌漿階段

在堆石體中兩道板墻之間進行靜壓灌漿工藝不能完全依照各類地層靜壓帷幕灌漿方法。鉆孔采用粘土漿固壁自上而下分段循環式壓力灌漿，灌段長度5m為一段。施工工序：埋設孔口管、待凝、鉆孔口段、沖孔、灌漿、鉆下段、沖孔、灌漿、鉆下段、結束封孔。鉆孔壓水試驗根據情況進行，灌漿壓力控制在1.6kg/cm2，分四個階段，即0.4kg/cm2、0.8kg/cm2、1.2kg/cm2、1.6kg/cm2。單位吸漿量上、下限規定為60L/min、10L/min。漿液稠度采用限量法，級配從6∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1，先稀后濃。在規定的壓力下，灌段單位吸漿量達到0.4L/min延續0.5h結束灌漿。封孔用0.5∶1水泥漿填充密實。靜壓灌漿歷時36d，灌漿孔37個，進尺720m，用粘土245m3、砂46m3、水泥272t。

（4）板墻前充填灌漿階段

靜壓灌漿結束后，考慮到副壩右端曾多次出現險情，壩內可能遭到嚴重掏空，防滲墻壁前未被充填的三角區堆石體內，當水位下降時，滯留于板墻前的壩體內的水量不能同步下降，可能造成上斜墻滑塌，給壩體穩定帶來威脅，為此防滲墻前設充填孔6個，總進尺97m，灌粘土45m3。

3.4 施工中存在的幾個問題及解決辦法

（1）在大孔隙堆石體和極強透水地層進行高壓噴射灌漿遇到最大問題就是漏漿嚴重，開始堵漏采用常規方法效果不好。另外水庫處于運行狀態，噴射位置承壓水頭8m情況下對高壓噴射成墻不利，有壓水頭可擊穿未固結的漿體從壩后漏出，給板墻造成“天窗”、“砂眼”等集中漏水通道。通過現場實踐，采取了以下措施：向孔內拋填砂礫粗料灌注砂漿；減少高壓水及氣量以減小對地層擾動范圍；加大漿液比重（摻砂30%）輸入速凝劑（水玻璃）使水泥漿在孔底瞬時變稠，制止漿液擴散；停止提升，待返漿正常恢復各工作參數后再繼續提升噴射，增加泵量，不斷復噴等。這些措施收到了很好的效果，但耗用材料增加數倍。

（2）靜壓灌漿冒漿處理方法是將冒漿處開挖，回填速凝劑砂漿，待2h后再繼續灌漿。

（3）隱患部位處理，針對吃漿量大，灌漿結束后無法達到設計標準的地段采取附加靜壓灌漿孔續灌。

（4）由于堆石體孔隙大，壩基淘涮空洞大，對較深地層了解不夠，設計用料量偏小及高水頭運行時進行高壓噴射灌漿等原因，導致耗料量增大數倍，附加設備多，工期延長，投資超預算。如原設計用水泥1500t，砂、粘土500m3，實際用水泥2384.5t，砂粘土2531m3，計劃外增加水玻璃35.5t。計劃施工期60d，實際施工期143d。工程超支材料費用42.4萬元。

2010年8 月根據工程驗收要求，對右岸進行了補充帷幕灌漿處理，施工歷時3個月。

4 工程加固后的效果分析

（1）板墻質量檢查成果

高壓噴射初期進行了開挖檢查，有效長度可達1.7m，密實度好，板墻厚度超過0.2m，穩定性好，經檢驗試件均達到設計工藝參數。

從四個檢查孔的檢查成果看：經注水試驗滲透系數K小于10-5cm/s，滲漏量W小于0.03L/（min·m·n），證明檢查部位板墻的連續性及防滲性符合要求。從試樣抗壓強度分析，板墻部位不同，水泥成分含量不均，是由于地層復雜變化所致。

（2）從壩后滲漏情況分析，與往日相同蓄水位相比明顯減少。上下游板墻形成后，壩后涌水減少76%，靜壓帷幕灌漿結束后壩后漏水量減少85%。2010年春洪蓄水量最高達到1720m3，比原計劃蓄水量增蓄220m3，這是建庫運行以來所沒有的。而且漏水量由原來的186L/s減少到27.3L/s。蓄水位最高時，壩腳測壓管水位上升73cm，在右壩肩覆蓋層有散浸現象，主要是壩體內阻水作用的不斷增強，引起壩體水位升高。嚴重的漏漿，造成板墻下游大面積的漏漿覆蓋，部分空隙被充填固結，原來堆石體內大孔隙排水變成部分空隙的有阻排水。壩后剩余滲漏是由多方面造成的，包括壩體正常滲漏、兩壩肩滲漏、基層裂隙及壩體內不正常滲漏等。這些現象通過2010年右壩肩帷幕補充灌漿后，各部位漏水有了明顯的改善。

（3）高壓噴射帷幕灌入的材料量大，堆石體得到了沖填密實，特別是前壩殼沖填較好，壩體沉陷得到控制，在灌漿部位，構造裂隙、風化巖層、繞壩滲漏都得到控制，抗沖蝕得到了加強。

（4）該水庫未加固前是自治區著名的“病險”水庫，限制蓄水1400萬m3，超蓄常出現病變形態，副壩加固后，2010年春洪蓄水1720萬m3，增蓄水量320萬m3。除水庫主壩發生有病變態外，加固的副壩運行條件有了很大改善，原斜墻體的接觸沖刷和壩基管涌根源得到了徹底處理。

5 結語

加音塔拉水庫堆石壩體內采用高壓噴射及靜壓灌漿處理措施，形成復合狀、板墻狀的防滲體，解決了水庫存在的嚴重漏水問題，改善了壩體穩定狀況。實踐證明，高壓噴射灌漿技術以及結合的靜壓帷幕灌漿技術降滲效果好，可以在水庫蓄水情況下施工，同時施工期短，速度快，施工費用低。通過該水庫的成功實踐，說明高壓噴射灌漿技術，可以在大孔隙的堆石體和極強透水地層中能夠構筑成具有一定厚度和抗滲、抗壓、抗折性能的高壓噴射凝結體，該技術可以應用到較大顆粒地層、強透水地層和堵漏工程中，并在施工技術和施工工藝上取得較好的經驗，為今后病險水庫的加固除險提供借鑒。※