動水條件下砂卵石層高噴方法探討

劉玉成 李華偉 張青松

(1.中水淮河規劃設計研究有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽水安建設集團股份有限公司，安徽 合肥 230601)

高壓噴射灌漿是借助中高壓噴射流沖切土體，混合漿液在射流作用區域擴散充填，形成新的固結體，以達到截滲目的的灌漿方式。高壓噴射灌漿具有沖切攪拌、置換、充填、滲透等作用，適用于砂類土、黏性土、黃土和淤泥等地層的加固和截滲，對于地下水活躍、砂礫石較多的土體需慎重選用。本文基于工程實例，對動水條件下砂卵石層進行高噴灌漿試驗，確定工藝參數，達到設計指標。

1 工程概況

杭埠河治理工程是安徽省2016年災后水利薄弱環節建設治理重要支流2017—2019年實施項目，采取工程總承包管理模式。主要工程任務為豐樂河與杭埠河舒城段治理、提升雙河鎮防洪標準，其中杭埠河城南大圩與十二圩共2.55km段堤防采用高噴方式截滲。

杭埠河舒城段治理具體內容包括：?千人橋圩堤防加固，加固總長7.71km；?新建堤頂道路29.175km，含千人橋圩7.71km、城南大圩7.85km、十二圩9.42km、周公渡圩4.195km；?險工險段處理2.55km，其中城南大圩2.2km、十二圩0.35km；?新建、拆除重建及加固穿堤建筑物45座，其中新建1座，重建35座，加固接長8座，拆除復堤1座，計劃工期22個月。

針對杭埠河十二圩管涌滲漏段(總長350m，位于5+650～6+000段)和城南大圩滲漏段(總長約2200m，分別位于18+350～18+700及19+500～21+350段，主要表現為堤內灌溉水系通過堤基向堤外/河內滲漏)，設計上采用高噴方式截滲，并給出各控制參數的參考值，詳細參數組合方案以承包人經驗和現場試驗結果確定。

2 地質情況

杭埠河堤基在勘察深度范圍內所揭露的地層從上到下按其土性特征可分為四個大層，現將鉆孔揭露的堤基地層情況敘述如下：

④-3層砂卵石層：黃、雜色，密實，飽和，自上而下顆粒漸粗，場地區內連續狀分布，該層僅部分鉆孔揭穿，厚度一般在6～12m，上游范圍一般厚度不大于10m，中下游則多未鉆穿，已揭露最大厚度14.3m，最低層底高程-11.73m。為低壓縮性土層，滲透性參數建議值為5.0×10-2cm/s。

⑥-1層全風化凝灰質粗面巖：棕紅、紫紅等色，主要呈黏性土夾碎石顆粒狀，滲透性參數建議值為5.0×10-4cm/s。

⑥-2層強風化凝灰質粗面巖：紫紅、灰紅色，巖芯為短柱狀及柱狀。

⑥-3層中等風化凝灰質粗面巖：灰紅、灰色，巖芯為柱狀。

堤防內側存在多處水塘，細中砂、砂卵石層含一定的孔隙承壓水且流動，平均水頭為6m。

3 設計思路和首次圍井試驗

3.1 設計思路

截滲墻采用三管法擺噴方式，滲透系數及強度要求見表1，材料為P·O42.5水泥，孔距1.2m，折接式相接，折角20°～30°，擺噴角度30°～40°，墻體深約15.0～20.0m，墻底伸入相對不透水層1.0m，墻頂高程不低于設計洪水位+0.5m，墻頂以上鉆孔采用黏土球封堵。高噴墻墻體指標見表1，防滲處理剖面見圖1。

圖1 防滲處理剖面

表1 高噴墻墻體指標

3.2 首次圍井試驗

由于防滲墻施工難度大且極其重要，在正式施工前，需進行高噴防滲墻現場試驗。通過現場圍井試驗確定安全可靠的各項施工參數，如噴射形式、孔距、噴射壓力、流量、漿液濃度、提升和轉動速度等，并通過試驗熟練掌握高噴工藝、控制孔斜的措施等，以指導后期施工。同時，正式施工前應進行地質復勘，以確定正式防滲加固施工范圍。

首次圍井試驗中布置一個圍井，孔位成八邊形布置。高壓噴射灌漿防滲墻頂高程33.0m，底高程14.5m，累計鉆孔進尺18.5m，累計鉆孔并高壓擺噴148.0m。試驗均采用鉆孔高噴施工工藝，分兩序進行施工，單號孔均為Ⅰ序孔，雙號孔均為Ⅱ序孔。灌漿材料均采用P·O42.5水泥。圍井試驗平面布置見圖2，高壓噴射灌漿施工工藝參數參考值見表2。

圖2 圍井試驗孔位

表2 高壓噴射灌漿施工工藝參數

圍井1號孔噴灌開始正常，噴至離孔口6.8m位置(高程25.2m)處孔口開始不返漿，此時停止提升繼續噴漿，并在孔口人工往孔內灌砂，持續5min仍無返漿，繼續采用降低水壓、降低氣壓原位注漿，并同時人工往孔內灌砂，持續5min仍無返漿，由于連續停止10min并連續注漿仍不返漿，此時采用低速擺噴提升(提升速度6cm/min)1.5m后繼續采用降低水壓、降低氣壓原位注漿及人工孔內灌砂法，持續5min仍無返漿，然后基本采用低速提升1.5～2m再原位注漿5min，一直提升至孔口(至孔口無回漿)。當時考慮可能為個例，繼續對5號孔噴灌，發現5號孔與1號孔情況基本一致。

4 探討解決方案

從首次圍井試驗1號孔灌漿結果可以看出，針對此種砂卵石層較厚且存在地下動水的地基處理，三管法高噴采取降低提升速度、加大漿液密度、灌砂、復噴等方式仍無法成墻，需首先解決砂卵石層空隙封堵問題，然后再灌漿加固，否則只能放棄灌漿加固工藝。

4.1 原孔回填灌漿封堵+高噴

首次圍井試驗施工3號孔時，在噴漿前先利用清水將孔清洗干凈，后采用原孔回填灌漿(黏土泥漿加入約10%水泥進行灌漿)，但由于孔口砂層較為松軟，當加壓至0.03MPa時孔口旁邊開始漏漿；將孔四周1m區域利用水泥漿封堵(同時將孔進行掃孔并清洗干凈)，18h后繼續回填灌漿，當加壓僅0.05MPa時封堵被破壞，周邊漏漿且吃漿量很小。原位回填灌漿后進行高噴作業時跟前面1、5號孔施工情況基本一樣。后續施工7號孔，按照3號孔施工順序，基本與前述一樣在離孔口6～7m處不返漿。

由上可知，采用黏土+水泥摻拌漿液回填能起到一定的封堵效果，但封堵范圍和強度均較小，后續高噴無法開展。

4.2 添加速凝劑高噴

首次圍井試驗施工5號孔時，在水泥漿液中添加速凝劑進行試驗，結果不太理想。原因是速凝劑對添加劑量和時間要求太苛刻，而且速凝劑形成的固結體無法及時堵塞砂卵石層孔隙。另外，此種方式造價也偏高，經試驗失敗后放棄。

4.3 黏土水泥漿高噴+二次水泥漿高噴

在前述試驗結果的基礎上，考慮提升黏土水泥漿的封堵范圍和封堵強度，做第二次圍井試驗。

在Ⅰ序孔采用黏土水泥漿高噴，從孔底噴至離孔口6.0m位置(高程約26m)噴灌正常，但離孔口6.0m位置(高程約26m)開始不返漿，此時停止提升并降低水壓、降低氣壓，采用原位注漿持續5min仍無返漿，采用低速擺噴提升(提升速度7cm/min)，每次提升2m，然后注漿5min，直至地面高程。擺噴完成后，從6m處復噴黏土水泥漿，返漿正常。掃孔后，Ⅰ序孔高噴作業正常，均正常返漿。2號圍井Ⅱ序孔高噴作業正常，均正常返漿，無特殊情況發生。

4.4 圍井試驗檢查

按照《水電水利工程高壓噴射灌漿技術規范》提供的滲透系數計算公式開展兩次圍井試驗結果驗證，首次和第二次圍井試驗的滲透系數分別為1.40×10-5cm/s和1.66×10-6cm/s。通過開挖檢查，發現首次圍井試驗上層成墻效果較好，但砂卵石層不連續，第二次試驗墻體搭接良好，經強度檢驗滿足設計要求，其開挖效果見圖3。

圖3 第二次圍井試驗開挖檢查

5 工藝完善

針對已選擇的工藝，現場開展多組對比實驗確定各類控制參數，并梳理工藝流程，最終成果如下。

首先采用地質鉆機鉆孔，泥漿固壁并同步拌制黏土水泥漿，漿液密度不小于1.2g/cm3，隨時測量泥漿的比重以保證達到堵漏效果，插管至灌漿孔孔底，先靜噴至孔口回漿正常再開始提升，隨后開始噴射作業。泥漿噴灌完成后再次進行掃孔(采用MDL-C200鉆機二次鉆孔，采用特制PVC管護壁)，再按試驗方案批準的水灰比拌制水泥漿，漿液密度1.6～1.70g/cm3，采用P·O42.5水泥制漿，隨時測量水泥漿的比重以保證水灰比符合要求，插管至灌漿孔孔底，先靜噴至孔口回漿正常再開始提升，即可按設計參數開始噴射作業。噴灌時，同時做好各施工工藝參數記錄，孔口返漿每20～30min測一次比重并記錄，返漿通過排漿溝排放至適當位置。噴射注漿，當孔口回漿量超過噴漿量的20%時，提高噴射壓力或加快提升速度。噴灌結束后，可利用部分回漿或攪拌機拌制的漿液向噴射孔補充漿液以消除因析水產生的凹穴。具體工藝流程見圖4，新工藝參數見表3。

圖4 新工藝流程

表3 高壓噴射灌漿施工工藝參數(黏土水泥漿)

經專家論證后，選擇第二次圍井試驗工藝作為施工方法。

6 結 語

針對含動水的砂卵石層，其空隙較大，水泥漿難以快速固結成體，采取常規措施未見改善，直接高噴水泥漿無法成墻，達不到截滲效果；采用外加劑，該工藝對劑量和時間要求苛刻，不利于實施；采用回填黏土漿堵漏，其擴散范圍偏窄且強度較低，下一步高噴工序無法開展；采用黏土水泥漿高噴堵漏，可擴大堵漏范圍且形成較高強度固結體，待一定強度后開展二次鉆孔高噴，此時外圍黏土水泥漿固結體可給予水泥高噴墻良好的外殼保護，二次水泥漿高壓擺噴順利成墻。

本工程中截滲墻地質條件在江淮地區屬普遍現象，通過改進三管法高噴工藝，采用黏土水泥漿高噴封堵再二次高噴工藝開展施工，截滲效果明顯，可有效克服動水壓力，擴展高噴工藝適用范圍，具有一定的推廣意義。