砂卵石透水地層圍堰高噴防滲施工技術

侯建宇，吳曉宇

(淅川縣水利局鴻禹水利水電工程有限公司，河南 南陽 474450)

0 引言

高壓噴射灌漿防滲技術包括單管法、二重管法、三重管法和多重管法等施工工法，其中三重管法地層適用范圍廣。工程實踐證明，三重管高壓噴射灌漿技術施工設備簡單、孔徑大，漿液噴射能量大、水泥漿液滲入效果好，施工速度快，固結體形狀易控制，對于透水砂卵石地層加固效果顯著。

1 工程背景

河南省淅川縣某水庫工程主壩為黏土心墻砂礫卵石壩，壩頂設計高程220.50 m，壩體長320 m，壩高44.50～50.50 m，水庫建筑物均為Ⅱ級設計標準。水庫河床段地質條件為第四系沖洪積卵石和粉質黏土，下伏弱風化安山玢巖，巖層上下部分別為松散～稍密粉質粘土、中粗砂、河床卵石層和中密～密實卵石層，透水性強。左岸Ⅰ級階地高17～28 m，寬25～35 m，滲透系數5.20×10-5cm/s，弱透水；右岸Ⅰ級階地高25～32 m，寬38～49 m，滲透系數4.41×10-5cm/s，弱透水。

2 施工方案及參數取值

2.1 施工方案

結合該水庫地質條件，主要采用三重管旋擺搭接高壓噴射灌漿進行其圍堰堰體和堰基部分防滲施工。三管法主要使用水、氣，漿三種介質共同作用，即借助高壓水流沖切土體，水泥漿液跟進充填，并在砂卵石層中形成密實連續的固結體。結合類似工程施工經驗和本工程地質條件，選擇地質條件復雜的樁號0+080～0+128段階地及樁號0+460～0+498段河床為試驗段進行高噴灌漿施工，并根據試驗情況確定施工參數。各試驗段設置7個施工孔，并按1.10 m間距單排設置，鉆孔過程中跟管鉆進、PVC管護壁，并按照“先導孔→Ⅰ序孔→Ⅱ序孔”的次序分兩序施工。施工過程中三重管旋擺噴設計詳見圖1。設計樁長20.50～32.00 m，樁底深入基巖至少0.50 m，旋噴樁直徑1.50 m，水灰比1∶1，水泥漿液制備使用強度等級P.O42.50的普通硅酸鹽水泥。

圖1 三重管旋擺噴設計示意圖

對于地質條件較好的施工段及高噴孔深在20 m以內的地段，按1.20 m確定孔距；圍堰中部地質條件復雜且設計孔深25～35 m的區域按1.10 m確定孔距；壩下有大塊飄石的架空強透水層地段按1.00 m確定孔距，如果無法達到理想的防滲效果，還應進行深層堵漏。

2.2 施工設備

對于孔深>25 m、20～25 m、<20 m的施工段，分別采用HD-120型潛孔鉆、CM-3000型潛孔鉆和XYZ-70型沖擊鉆施工，跟管鉆進，并在套管拔除前下入PVC管護壁。以山東泰安產高噴臺車為噴射設備，完成試噴后將噴管下至設計深度，并輸入水、氣、漿后靜噴3～5 min，并按設計速度由下至上提升、旋轉和擺噴，達到設計高度后停止水、氣、漿輸送并拔除噴射管。該水庫砂卵石透水地層圍堰高噴防滲施工使用4臺鉆孔設備，4臺噴漿設備，規格型號詳見表1，施工期50 d，日施工強度為250 m/d，設備配備符合施工強度要求。

表1 鉆孔及噴漿設備規格型號表

2.3 施工參數

水庫砂卵石透水地層圍堰高噴灌漿水泥漿液水灰比為1∶1～0.6∶1，密度1.60～1.80 g/cm3；孔斜控制在1%以內，鉆孔深入基巖至少0.80 m，并保證噴管下設深度和實際孔深對應。水壓、氣壓和注漿壓力分別按38 MPa、0.60 MPa和0.60 MPa控制；新填筑圍堰部分旋擺噴提升速度9.00 cm/min，圍堰以下原河床處Ⅰ序孔和Ⅱ序孔旋擺噴提升速度分別為6.00 cm/min和8.00 cm/min。高壓噴射灌漿前先在地面試噴，并同時進行機械管路等運行情況檢查，調整噴射方向和擺動角度。將噴頭下入至設計深度后按照設計參數先原位噴射，等漿液返至孔口且無異常情況后提升噴射；在下放和拆卸噴射管時必須避免堵塞噴嘴。為確保固結體結構的連續性，噴漿施工過程中因特殊原因中斷噴射、排除故障復噴時搭接長度應≥0.50 m。

3 施工技術要點

3.1 施工準備

在準備階段必須全面規劃施工場地，保證進出場施工便道平整密實，在戧堤上游設置排漿溝和集漿池，排漿溝與高噴防滲墻軸線平行，集漿池按60 m間隔設置。將全部注漿孔統一編號，并采用全站儀進行樁位放樣，用木樁在孔位中心標記，孔序、編號及高程均用油漆標明。

3.2 施工機械就位

待完成樁位校核后鉆機就位，并調平機身，使鉆頭和樁位中心對齊，誤差應控制在10～20 mm；按照設計要求控制鉆速和孔斜率，鉆進施工過程中還應進行孔位、孔深、地層地質條件等的詳細記錄。完成鉆孔并檢驗合格后，移走鉆機，高噴臺車就位，將水、氣、漿管連接好，并確保高噴臺車孔口和鉆孔軸心重合。

通過高速制漿機進行P.O42.5普通硅酸鹽水泥拌和制漿，并加強水泥漿比重、溫度等的檢查和控制，拌和時間60 s，漿液溫度8～40℃。制備好的漿液過濾后應在地面試噴，檢查噴漿系統運行性能及堵管情況。

3.3 噴射施工

待試噴合格后緩緩下放噴射管至孔底，為防止噴管堵塞，應在管口纏繞薄膠帶。根據設計要求及施工參數向噴射管內輸送水、氣和漿液，等水壓、氣壓、泵壓和風壓均達到設計值后向孔底原位高噴1～3 min，使回漿密度升高至1.20 g/cm3后提升噴漿管，并連續噴漿；達到設計高度后原位繼續噴射1～2 min后停噴，拔管。在噴射施工過程中，必須連續勻速提升噴射管，并經常性檢查水、氣、漿等介質的噴壓及流量，保證參數取值正常。待結束噴射施工后，應用清水將拔除的噴射管沖洗干凈，以備繼續周轉使用。

完成高壓噴射施工后水泥漿液會因固結而收縮，造成孔內漿液面下沉，為此，必須將冒漿回灌至孔內，直至孔內漿液面不再下沉，達到穩定狀態為止。

3.4 深層注漿堵漏

3.4.1 注漿方案

對于樁號0+080～0+128段階地及樁號0+460～0+498段河床通過高噴注漿即可達到堵漏效果；而對于地質條件復雜的樁號0+100～0+105段階地及樁號0+475～0+480段河床，在高噴防滲施工的基礎上還應進行深層注漿填充堵漏，保證取得最佳防滲效果。具體而言，在壩下0+102.50及0+478段圍堰防滲墻內側30 cm處基坑滲水部位增設4個回填堵漏孔，鉆孔至設計深度后先用添加速凝劑的濃水泥漿漿液回填，將架空墻透水帶的滲水通道徹底填滿后改用高噴灌漿形式封閉全孔。

3.4.2 注漿施工

施工過程開始后，分別在壩下0+100～0+120及0+470～0+495范圍內的強透水帶下放注漿管，并以靜壓方式注漿，避免漿液快速擴散，還應在初期注漿漿液中摻加水玻璃；隨后改用0.20 MPa的低壓灌注濃漿。灌漿過程中應結合圍堰內側實際滲水情況進行注漿結束時間的確定。由于1～3#孔滲水量大，且滲水時間長，應在孔內灌注摻加3%水玻璃的濃漿，靜壓灌漿3 h后改用0.50 MPa灌漿壓力逐級加壓，各級持壓30 min，待注漿壓力增大至1.00 MPa，吸漿率不超過5.00 L/min，且滲水點不再滲水時，持續灌漿30 min后便可結束灌漿。其余灌漿孔注漿壓力上升至0.50 MPa且吸漿率不大于5.00 L/min、滲水點不再滲水時，持續灌漿30 min后結束灌漿。

4 施工效果

水庫工程圍堰地層中砂卵石、漂石含量多，粒徑大且膠結程度差，滲流量大，高壓噴射灌漿施工攢在較大難度。通過應用地質鉆機鉆孔有助于探明灌漿層地質條件，為灌漿參數選取及順利施工提供了依據。待成孔后將PVC管插入豎向切縫中能有效避免塌孔，灌漿過程中借助高壓將管壁沖碎，保證了砂卵石地層高壓噴射灌漿施工的順利進行。灌漿施工時地下滲流會導致漿液損失，不利于成墻厚度控制，通過減緩灌漿管提升速度、增加水泥漿液粘稠度可有效減輕高噴灌漿施工質量受地下滲流的不利影響。

該水庫工程高壓噴射防滲灌漿施工歷時4個月，累計灌漿量0.50萬m3，共消耗水泥0.80萬t，注漿量均值685.10 kg/m，共成墻0.70萬m2，達到了預期防滲效果。

5 結論

綜上所述，高壓噴射灌漿施工技術應用于水庫圍堰開挖防滲時，應從施工方案設計、施工設備選型、施工參數確定等角度加強控制，針對不同的地質情況，應制定科學的施工方案并選擇相適應的高噴施工參數。水庫施工結束后質量檢測結果也顯示，整個圍堰高噴灌漿防滲施工效果良好，基坑開挖也未出現滲水，達到了預期施工目標。