高壓噴射灌漿在土石壩防滲加固中的應(yīng)用

涂小明，余建杰

(1.南昌市灣里區(qū)農(nóng)水局，江西 南昌 330004；2.南昌航空大學(xué)土建學(xué)院，江西 南昌 330063)

1 概述

高壓噴射灌漿法[1-2]是采用鉆孔，將裝有特制噴嘴的注漿管下到預(yù)定位置，然后用高壓水泵或高壓泥漿泵將水或漿液通過(guò)噴嘴噴射出來(lái)，沖擊破壞土體，使土粒在噴射流束的沖擊力、離心力和重力等綜合作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例和質(zhì)量大小，有規(guī)律地重新排列。待漿液凝固后，在土內(nèi)形成一定形狀的固結(jié)體(樁柱或板狀墻)，用以提高基礎(chǔ)防滲或承載能力的施工方法。高壓噴射灌漿的基本方法有單管法、二管法、三管法等。陳巧威[3]比較分析了采用綜合截水墻抗?jié)B系數(shù)的量水堰流量計(jì)算方法進(jìn)行大壩滲流量的觀測(cè)及黏土心墻測(cè)壓管水位進(jìn)行心墻滲流量的計(jì)算。單良玉、劉巖松[4]對(duì)土石壩的幾種防滲技術(shù)的特點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行闡述、歸納和總結(jié)。陳東俊[5]對(duì)主圍堰基床采用2排高壓旋噴樁、土石壩圍堰采用1排高壓旋噴樁的帷幕灌漿止水施工工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述，對(duì)施工過(guò)程質(zhì)量控制和成果，以及工程中出現(xiàn)的幾個(gè)問題進(jìn)行了分析。羅居劍[6]論述了垂直防滲技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)優(yōu)化的基本方法。徐英姿[7]介紹了摻配全強(qiáng)風(fēng)化防滲土料在土石壩中的應(yīng)用。安元、唐雷彬[8]、紀(jì)偉[9]基于數(shù)值模擬對(duì)土石壩滲流進(jìn)行計(jì)算。李偉[10]提出聚氨酯低壓注漿技術(shù)在大壩滲漏處理中的應(yīng)用。

江西省南昌市灣里城區(qū)某水庫(kù)高噴灌漿采用了單管法和三管法相結(jié)合施工方法，總進(jìn)尺擺噴2204.5m，旋噴3373.6m，最大旋噴深度45.6m，形成了一道擺噴墻厚0.25m，旋噴墻厚0.7m的混凝土防滲連續(xù)心墻。

2 水庫(kù)工程特性、地質(zhì)條件及病險(xiǎn)情況

2.1 水庫(kù)工程特性

水庫(kù)位于灣里城區(qū)北面高山上，水庫(kù)總庫(kù)容448萬(wàn)m3，最大壩高45m，壩頂高程192.5m。大壩為均質(zhì)土壩，溢洪道為開敞式實(shí)用堰型，壩下涵管位于大壩中底部，鋼筋混凝土管內(nèi)套Φ0.4m鑄鐵鋼管。工程等別為IV等，主要建筑物為4級(jí)，次要建筑物5級(jí)，水庫(kù)按30年一遇洪水設(shè)計(jì)、1000年一遇洪水校核。

2.2 地質(zhì)條件及病險(xiǎn)情況

壩區(qū)出露地層有混合花崗巖和第四系松散堆積層，壩址區(qū)構(gòu)造線方向主要呈NE向，巖體的片麻理構(gòu)造較清晰，產(chǎn)狀也比較穩(wěn)定，主要呈NE45°～55°，傾SE傾角40°～62°。壩區(qū)斷裂構(gòu)造主要呈陡傾角閉合狀。壩區(qū)斷層不很發(fā)育，僅見5條裂隙狀斷層。壩址區(qū)裂隙中等發(fā)育，發(fā)育比較明顯的裂隙有4條。工程區(qū)無(wú)活動(dòng)性斷裂及區(qū)域大構(gòu)造通過(guò)，區(qū)域構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定。基巖裂隙潛水存于壩基混合花崗巖體節(jié)理裂隙中，接受大氣降水和區(qū)域地下水補(bǔ)給，排泄于河谷低洼處。壩體土體不均一，填筑質(zhì)量大部分較好，總體呈稍密-中密狀，土體含粉、黏粒偏少。壩基為全-強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖；右岸壩肩巖體單薄，裂隙較發(fā)育；左岸山體為強(qiáng)風(fēng)化山梁。壩基及兩岸壩肩均具中等透水性，存在壩基、壩肩滲漏及繞壩滲漏問題。壩體最大水平滲透坡降及壩體逸出坡降均大于允許滲透坡降，滲透性態(tài)不安全。

3 大壩防滲處理

3.1 防滲設(shè)計(jì)方案

高壓噴射防滲心墻工程實(shí)施范圍：壩軸線0+030～0+194段，墻頂高程190.5m，全長(zhǎng)224m。采用旋噴與擺噴相結(jié)合的方式，單排布孔，兩壩肩及壩身172.5m以下均采用旋噴，鉆孔孔距為0.7m；壩身172.5m以上采用擺噴，孔距為1.4m。0+030～0+012.6左岸風(fēng)化山梁段采用單管法施工；0+012.6～0+194采用三管法施工。鉆孔入弱風(fēng)化巖1m，擺噴角度60°。旋噴套接、擺噴對(duì)接方式的高噴墻結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高噴墻結(jié)構(gòu)圖

3.2 施工工藝

(1)圍井試驗(yàn)

該工程高噴墻深度大，選擇有代表性的孔位進(jìn)行圍井試驗(yàn)，確定施工參數(shù)，見表1，選定施工機(jī)具設(shè)備，見表2。

表1 施工參數(shù)

表2 機(jī)具設(shè)備

(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順序進(jìn)行噴射灌漿。布孔方式為隔孔布設(shè)，三序布孔如圖2所示。

圖2 三序布孔圖

(3)噴射施工

放樣鉆機(jī)就位，水平調(diào)校，使鉆桿軸線垂直對(duì)準(zhǔn)鉆孔中心。膨潤(rùn)土護(hù)壁，鉆孔達(dá)設(shè)計(jì)深度后移開鉆機(jī)，移入高噴臺(tái)車，安裝好噴射管，對(duì)中、調(diào)平，同時(shí)確定擺噴角度。

下注漿管：將三重噴射灌漿管插入孔內(nèi)預(yù)定深度，為防止泥沙堵塞噴嘴，使用低壓水和少量壓縮空氣，邊射水邊插管。孔底沉渣較多時(shí)，先噴泥漿和用旋提擺裝置配合掃孔，直至噴射管完全到達(dá)孔底。

旋擺提升：噴射管達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，送空氣、高壓水，送水泥漿(P.O32.5普通硅酸鹽水泥漿)靜噴5min，待孔口回漿的比重>1.3g/cm3后開始提升噴射，控制好提升速度自下而上邊噴射邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊提升，直到設(shè)計(jì)高度。考慮到漿液凝固收縮，停漿位置提高0.5～1.0m；在發(fā)現(xiàn)孔口漿下降后進(jìn)行回灌補(bǔ)漿或二次注漿。

回灌：頂部2m空樁，進(jìn)行普通注漿后，在鄰近孔施工前應(yīng)進(jìn)行回灌。

施工流程如圖3所示。

3.3 質(zhì)量控制

嚴(yán)格控制孔的間距不得大于設(shè)計(jì)間距，鉆機(jī)就位后調(diào)整好噴射角度，確保成墻厚在設(shè)計(jì)誤差允許范圍內(nèi)。下管時(shí)控制好水壓和氣壓，既要防止堵口，又要防止壓力過(guò)大導(dǎo)致塌孔，下管深度一定要達(dá)到孔底。控制好水泥漿用量，水泥漿用量對(duì)成樁質(zhì)量有直接的影響。對(duì)回漿進(jìn)行監(jiān)測(cè)，控制提升速度，調(diào)整注漿量和噴射壓力，回漿必須大于等于1.3g/cm3才能正常提升。若孔口回漿的比重小于1.3g/cm3時(shí)，應(yīng)降低提速或停止提升。

圖3 施工流程圖

3.4 特殊情況控制

施工中在179、181、186號(hào)孔灌漿時(shí)靜噴5分鐘后孔口不返漿，處理措施為持續(xù)靜噴，待返漿后按正常施工流程噴射灌漿。

4 防滲效果

抽芯取樣檢測(cè)：三個(gè)防滲墻抽芯取樣孔，均未采集到自上而下連續(xù)分布的混凝土巖芯。鉆孔注水試驗(yàn)：3個(gè)鉆孔均采用降水頭注水試驗(yàn)法，鉆孔中所揭露到的混凝土巖芯孔段，滲透系數(shù)為4.5×10-8～4.0×10-7cm/s，具微透水性。從抽檢情況看，防滲墻滲透系數(shù)符合設(shè)計(jì)要求(小于1.0×10-6cm/s)，質(zhì)量合格。挖開察看：現(xiàn)場(chǎng)開挖了2處觀測(cè)，擺噴成墻明顯，泥結(jié)厚度31～78cm。實(shí)際觀測(cè)滲流量：工程實(shí)施后，2014—2018年五年間對(duì)壩后量水堰滲水量觀測(cè)，與灌漿前相比，滲水量大為減少。加固前正常蓄水位190m，滲水量為825.4m3/d，加固后實(shí)測(cè)滲水量168.7m3/d(設(shè)計(jì)滲水量152.9m3/d)，壩內(nèi)最大水平滲透坡降及浸潤(rùn)線出逸坡降均在規(guī)范要求之內(nèi)。

5 壩體運(yùn)行觀測(cè)

2012年3月高壓噴射灌漿完畢，同年5月份工程完工，6月份初始蓄水，水庫(kù)正常運(yùn)行。2015年底，壩頂混凝土公路出現(xiàn)縱向微裂縫，隨著時(shí)間推移，裂縫寬度逐漸發(fā)展。2018年開始對(duì)該裂縫進(jìn)行開度監(jiān)測(cè)，因監(jiān)測(cè)時(shí)間短，數(shù)據(jù)少，同溫度下開度數(shù)據(jù)更少。缺少數(shù)量的同條件下數(shù)據(jù)比較，裂縫開度有左右偏移情況，無(wú)足夠的數(shù)據(jù)表明裂縫繼續(xù)發(fā)展或已穩(wěn)定，需繼續(xù)進(jìn)行觀測(cè)。

6 結(jié)語(yǔ)

在中低壩防滲處理時(shí)，采用單排高噴灌漿提高壩體防滲的方案可行；針對(duì)大壩不同部位，采用不同的施工工藝進(jìn)行噴射灌漿能達(dá)到整體設(shè)計(jì)防滲效果。

施工中出現(xiàn)一些回漿濃度不足，孔口不返漿等情況時(shí)，需嚴(yán)格按照施工工藝，控制施工參數(shù)，不會(huì)影響施工質(zhì)量；大壩防滲墻抽芯檢測(cè)時(shí)成墻不明顯情況下，可開挖一定深度的防滲墻直接觀測(cè)成墻情況，結(jié)合壩后量水堰滲水量，綜合分析防滲設(shè)計(jì)效果可行。

大壩高噴灌漿防滲設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行灌漿后的壩體穩(wěn)定性計(jì)算，高噴灌漿固結(jié)后，大壩內(nèi)部被重新分成了前后土體和中間泥結(jié)墻三塊，剛度不一，沉降不一，有不穩(wěn)定的可能性，應(yīng)進(jìn)行壩體穩(wěn)定性復(fù)核，完工后應(yīng)對(duì)壩體進(jìn)行穩(wěn)定性觀測(cè)。

防滲設(shè)計(jì)方案受限于工程自身的地質(zhì)參數(shù)，不具普遍性。高噴的施工工藝、施工參數(shù)、質(zhì)量控制、防滲檢測(cè)方案以及工程竣工運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)的問題，能給予其他病險(xiǎn)水庫(kù)的高噴防滲設(shè)計(jì)、施工參考借鑒。