高壓擺噴疊加膏狀灌漿施工技術在富含卵石河床圍堰防滲中的應用

陳志闊（上海建工一建集團有限公司，上海 200120）

0 引 言

岷江干流都江堰城區河段徑流年內分配不均，平、枯水期（ 10 月～次年 6 月） 9 個月中河道干涸見底，特別在上游紫坪鋪水庫修建后，河流枯水期斷流時間增長，對岷江干流都江堰城區河段生態環境的影響更加嚴重。每年汛期上游來水夾帶大量的卵石沖刷河床，導致河床砂石層堆積變厚，對圍堰成型后的防滲效果帶來影響。

高壓擺噴墻作為水利工程縱向圍堰較為常見的防滲措施，由于其高效性、施工便捷性，被廣泛應用于圍堰堰基防滲處理中，但在卵石層較厚的河床內，單純采用高壓擺噴工藝很容易導致滲水情況的發生，因此采用高壓擺噴疊加膏狀灌漿的施工工藝更為高效。

1 工程概況

根據本工程樞紐布置情況及地形、水系特點，可充分利用左、右岸為主河槽、中部為河漫灘的地形條件，按先左后右的順序分二期施工。一期圍堰為 10～5 月枯水期土石圍堰，按 10～5 月 10 年一遇最大瞬時流量為 354.9 m3/s計算，相應一期圍堰下游水位為 689.9 m；根據《水利水電工程施工導流設計規范》（SL 623-2013）中束窄河床泄流能力計算公式計算得施工期河床束窄后上游水位為 691.2 m。圍堰堰頂高程按設計靜水位加波浪高及堰頂安全超高，確定上、下游橫向圍堰頂高程分別為 693.2 m、 691.8 m，軸線總長約 601 m，圍堰最大高度 4.7 m，圍堰頂寬為 5 m，迎、背水側邊坡均為 1:2.0，堰體填料為砂卵石料。上游、下游橫向圍堰采用水平鋪設土工布作為防滲措施，縱向圍堰、下游橫向圍堰采用膏狀灌漿＋高壓擺噴的方式作為防滲措施，詳見下圖 1。

圖1 圍堰防滲體系平面圖

2 圍堰防滲體系

縱向圍堰、下游橫向圍堰的堰體及堰基均采用灌漿方式形成防滲墻進行防滲，如圖 2 所示，垂直防滲灌漿深度按深入含礫粉質粘土層（弱透水層）以下 0.5 m 計，孔距 1 m，分兩序施工，Ⅰ序孔采用膏狀漿液灌漿，Ⅱ序孔采用高壓擺噴灌漿，如圖 3 所示，膏狀漿液灌漿總進尺為 6 860 m，高壓擺噴灌漿總進尺為 5 900 m。

圖2 垂直防滲體系剖面圖

圖3 孔序排列示意圖

在堰體上游坡及堰前河道鋪設復合土工膜，復合土工膜水平延伸 10 m，土工膜上下各鋪填 20 cm厚砂墊層，最后在頂面鋪填 50 cm厚鉛絲籠卵石保護，見下圖 4。

圖4 水平防滲體系剖面圖

3 膏狀灌漿施工技術

3.1 灌漿材料及漿液要求

膏狀漿液主要由水泥、粉煤灰、膨潤土、水和外加劑等材料組成。

(1) 水泥

灌漿均采用 42.5 級普通硅酸鹽水泥拌制，其質量必須符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007 ）規范的有關質量標準。

(2) 灌漿用水應符合拌制水工混凝土用水要求。

(3) 粉煤灰采用 Ⅱ 級粉煤灰，其品質指標應符合《水工混凝土摻用粉煤灰技術規范》（DL/T 5055-2007 ）的要求,并按照規定要求進行檢測。

(4) 膨潤土采用二級膨潤土，品質指標應符合《鉆井液材料規范》（GB/T 5005-2010 ）的規定，并按照規定要求進行檢測。

(5) 各種外加劑的質量須符合《水工建筑物水泥灌漿施工技術規 范》（SL62-2014 ）的有關規定。使用時，應按照《水工混凝土外加劑技術規程》（DL/T 5100-2014 ）的有關規定執行，并按相應要求進行檢測。

(6) 灌漿漿液

① 膏狀漿液流變參數要求為：抗剪屈服強度 τ0 宜為15～35 Pa，塑性粘度 η 宜為 0.1～0.3（Pa·s），漿液密度大于 1.58 g/cm3。

② 膏狀漿液結石抗壓強度 R 28≥7.5 MPa；。

③ 膏狀漿液流動性、膠凝時間等參數、各種摻和料和外加劑摻量均通過前期的生產性試驗確定。

④ 膏狀漿液配比經現場試驗后確定，見下表 1。

表1 膏狀灌漿漿液配合比表

3.2 制 漿

(1) 制漿材料應按漿材試驗確定的漿液配比計量，制漿材料必須稱 量。水泥等固相材料應采用重量稱量法稱量，稱量誤差不應大于 5%。

(2) 配制漿液時，水泥和粉煤灰宜采用干拌法混合，加水攪拌均勻后再加入乳化膨潤土漿，最后加入外加劑。

(3) 所用外加劑凡能溶于水者，均應以水溶液狀態摻入。膨潤土加入前應進行水化溶脹 24 h以上。

(4) 漿液必須攪拌均勻，并測定漿液密度。并對漿液密度等性能進行定期檢查，保證漿液性能符合要求。

(5)膏狀漿液采用高速攪拌機進行拌制，攪拌速度≥ 1 200 r/min，攪拌時間≥ 2 min。漿液制備后，在儲漿桶待用期間，采用低速攪拌。

(6) 膏狀漿液自制備至用完的時間小 2 h。漿液溫度應低于 40℃，超過規定時間、溫度者應予舍棄。

3.3 鉆 孔

(1) 鉆孔采用 MD- 70 液壓潛孔鉆機偏心跟管鉆進成孔，達到設計深度要求。鉆孔護壁采用 PE 管，有能承受5～10 Mpa 的壓力，能起臨時護壁作用和灌漿管的作用。鉆頭采用 φ 110～φ 130 合金球齒偏心鉆頭，跟進套管采用Φ 110 無縫鋼管，絲扣連接。在造孔過程中須隨時記錄地層情況的變化，為下步膏狀漿液灌漿的配制和灌漿施工提供地層依據。造孔時鉆機必須，用水平尺找平機臺，以防孔斜，孔深為深入含礫粉質粘土層 0.5 m。

(2) 鉆孔的有效深度應達到或超過設計墻底深度，鉆孔驗收合格后，方可進行灌漿施工。

3.4 灌 漿

(1) 灌漿方法

① 漿液灌漿孔灌漿采用“套管法”，即直接利用套管作為注漿管，在注漿管管口安裝蓋頭連接進漿管和壓力表，采用自下而上分段、純壓式灌漿工藝，灌漿分段長度為1.5～3.0 m。

② 套管法灌漿時，首先進行孔底膏狀漿液注漿，達到設計壓力后，邊拔管邊灌漿。孔底段灌漿結束后，在繼續灌漿的同時緩慢拔套管，當拔管長度超過 1 根套管長度或出現壓力驟然下降或消失時停止拔管，進行灌漿。

(2) 灌漿漿液變換標準

① 膏狀漿液灌注時應根據注漿率調整膏狀漿液稠度，混合漿液固定水泥、粉煤灰、膨潤土、減水劑比例，調節水與固體材料比例（水固比），由稀到濃分為 2:1、1:1、0.8:1、0.5:1 四個級別，以稀漿開灌。

② 在某級壓力下灌漿耗漿量大于 0.5 m3/m，壓力仍沒有變化，可變濃一級漿液。

③ 在某級漿液灌注達 0.5 m3/m 且流量大于 50 L/min、壓力無明顯變化時，可越級變濃。

④ 在灌漿過程中若壓力在變化，在變化期間不得變換漿液濃度。

⑤ 根據現場實際情況（如塊石架空嚴重、漏量較大的孔段）可以考慮摻加促凝劑或采用速凝膏漿，以加速膏漿的凝固。

(3) 灌漿壓力

① 灌漿壓力（進漿壓力）為 0.2～0.5 MPa，并根據灌漿試驗情況及吸漿量大小進行調整。

② 如果灌注時灌漿壓力長時間保持在一定范圍，即使壓力已達到以 上標準，也不提升套管，而是繼續灌注，直到壓力繼續持續上升（上升至壓力差達到 0.2 MPa）為止。

(4) 結束標準

① 灌漿壓力達到了規定的 0.2～0.5 MPa 壓力（初始灌漿無壓時）且 基本不吸漿（吸漿率小于 10 L/min）、或達到 0.2～0.5 MPa 的壓力差時即可結束；

② 孔口返漿，進行封堵加壓灌注一定量后，可結束本段灌漿；

③ 如灌注速凝膏漿，如吸漿率小于 50 L/min，則改用普通膏漿繼續灌注，直到達到第一條結束標準。

④ 本段灌漿結束后，即提升套管，直到壓力驟然下降為止。

(5) 特殊情況處理

① 施工過程中，遇大塊石和孤石，做好詳細記錄，灌漿時，兼顧空 隙大小，及時調整漿液配比，灌漿過程中采用間歇灌漿、添加速凝劑等， 以控制漿液擴散范圍。

② 為防止套管上拔困難，在灌漿過程中每隔 10～30 min稍上拔管。尤其在間歇灌漿期間必須活動套管，當灌漿沒有達到結束標準時，提動幅 度宜小（不超過 10 cm）。在灌漿過程中如果孔口已經起壓，則緩慢提升套管，且保證在提升過程中孔口有壓，嚴禁在無壓的狀況下起拔套管。

③ 在卵石集中層，由于漏漿嚴重，此時調整膏漿漿液的流動性能指標，采用較濃膏漿進行快速封堵，確保架空部位封堵密實。

④ 灌注膏漿時，灌漿管路的長度一般不得超過 40 m，如果因孔位布置，需要超過 40 m 的，則進行接力灌注。

⑤ 灌漿過程中，遇細砂和級配好的地層，吸漿量過小，根據實際情況調整漿液配比，采用純水泥漿液灌注。

⑥ 在被動采用了間歇灌漿（如供漿不及時）或套管被堵時，用地質鉆機在套管內掃孔至灌段段底以下 1.0 m，再適當上拔套管后繼續灌注。

⑦ 施工過程中由于串孔導致套管不能拔起時，在原孔位旁重新鉆孔進行灌漿施工。

4 高壓擺噴灌漿施工技術

4.1 噴漿主要技術指標要求

高壓擺噴灌漿漿液主要材料為水泥，水泥在使用前應作質量鑒定，攪拌漿液所用的水應符合混凝土拌合用水的標準。

(1) 采用強度等級不低于 42.5 MPa 的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，噴入漿液的水灰比為 0.8:1.0～1.0:1.0。當需要減緩水泥漿液沉淀速度及保持良好的可噴性和改善高噴墻變形適應能力時，可在其內加入適量的膨潤土和碳酸鈉，膨潤土的細度應為 200 目。

(2) 膨潤土和碳酸鈉添加料應先在容器內稀釋攪拌均勻，然后倒入水泥漿液內混合攪拌均勻。稀釋膨潤土和碳酸鈉用的水量應計入總水量，膨潤土和碳酸鈉重量應計入總灰重。

(3) 高噴灌漿穿過卵石層并深入含礫粉質粘土層 0.5 m ，孔距取 2.0 m，墻體的有效厚度不小于 20 cm。高噴墻需滿足以下指標要求：

① 抗壓強度：R 28≥3.0 MPa；

② 抗折強度：T 28≥0.8 MPa；

③ 墻體滲透系數：k≤ 5×10-5cm/s；

④ 墻體允許滲透比降：J≥ 50 。

(4) 高噴墻形成后，其與截滲槽的搭接長度按不小于 1.5 m控制。

4.2 噴漿作業

(1) 泥漿的定性標準：以膨潤土、燒堿等材料組成的高固相護壁泥漿就稠度而言，一般泥漿均可送出；泥漿在孔內不硬化固結， 7～10 a 內高噴桿能順利插入孔底；泥漿在孔隙內基本不流動，不凝聚；PH 值為 8～10，比重 1.1 左右。

(2) 鉆孔中發現大漂石影響高壓擺噴半徑時，擺噴角加大至 60 度， 并在該孔附近補一個高噴孔。

(3) 下噴射管前，應進行地面試噴并調準噴射方向和擺動角度。當 擺噴管插入預定深度時，應及時按設計配合比制備好水泥漿液，并按以下 步驟進行操作：

① 按規定參數進行原位噴射。

② 按設計擺噴方法，輸入水泥漿液、水和壓縮空氣，待泵壓和風壓 升至設計規定值并孔口返漿且返漿比重不小于設計規定值，提升擺噴管。

③ 按設計的提升速度提升擺噴管，進行由下而上的擺噴注漿作業。

(4) 在擺噴作業過程中，應經常測試水泥漿液的進漿和回漿比重。 當漿液比重與規定水灰比的漿液比重值誤差超過 0.1 時，應立即停止擺噴 作業，并應重新調整漿液水灰比。

(5) 水泥漿液應隨配隨用，并應在擺噴作業過程中連續不停地攪拌。一次攪拌量為 1.0 m3/s。

(6) 擺噴注漿過程中，冒液量小于注漿量的 20 %時為正常現象。超過 20 %或完全不冒漿時，應采取下列措施：

① 當地層中有較大空隙引起不冒漿時，可在空隙地段增大注漿量， 填滿空隙后再繼續擺噴。

② 當冒漿量過大時，可通過提高噴射壓力或適當縮小噴嘴孔徑，或加快擺動和提升速度，減少冒漿量。實施上述措施前應事先得到監理人批準。

(7) 供漿、供氣、供水必須連續。一旦中斷，應將擺噴管下沉至停供點以下 0.5 m，待恢復供應時再擺噴提升。當因故停機超過 3 h 時，應對 泵體和輸漿管路妥善清洗。

(8) 當擺噴管提升接近樁頂時，應從樁頂以下 1.0 m 開始，慢速提升擺噴至樁頂，并在樁頂停止提升擺噴數秒。

(9) 擺噴作業完成后，應不間斷地將冒出地面的漿液回灌到噴漿孔內，直到孔內的漿液不再下沉為止。

(10) 特殊情況處理

① 噴射中斷。在噴射過程中，因故中斷，中斷時間超過 30 min，準確記錄中斷位置，復噴時，將噴管下入中斷處以下 50 cm 復噴搭接；如噴管下不到位，則掃孔直至搭接部位以下至少 50 cm 開始復噴。

② 若地層中空隙較大，孔口返漿濃度偏低，則減慢提升速度或進行靜噴，直至正常為止。孔口沒有返漿，則采用從孔口注入水泥膏漿等措施，以減少漿液流失。

③ 冒漿過大時，經現場監理人批準，采取提高噴射壓力，加快提升速度，同時對冒出地面的漿液對已灌孔進行回填利用。

④ 高噴灌漿過程中當發生串漿時，則填堵串漿孔，等灌漿孔高噴灌漿結束后，盡快對串漿孔進行掃孔，進行高噴灌漿或繼續鉆進。

5 處理效果

根據現場觀察，施工過程中基坑內部滲水點滲水量逐漸降低，充分印證了防滲系統的防滲效果明顯。施工完成后，整個垂直防滲體系的墻體滲透系數 k＜ 5×10-5cm/s，基坑內側多處滲水點已無明顯滲水，整個基坑滲漏量從 11 000 m3/d驟降至 3 000 m3/d，遠遠低于設計計算值 7 200 m3/d，遠遠超過預期水平，為接下來基坑內施工提供了干地條件。

6 結 語

水利工程滲漏處理都是因地制宜的，不同的情況需要根據現實條件選擇合理的方法進行處理，從可行性、經濟性、安全性及高效穩定性等方面進行考慮，綜合空間、時間等因素的影響，從而做出最佳選擇。

本工程地處岷江干流都江堰城區河段，如果圍堰基底滲水處理選用單一的高噴墻等方式進行處理，由于河床表面卵石層較厚，單純的高壓擺噴難以完全堵住透水層縫隙，并且經濟性也大打折扣。相反，在高壓擺噴的基礎上，疊加膏狀灌漿技術，彌補了高壓擺噴的不足，使垂直防滲體系優化成一個密室的整體墻。

堰基防滲處理措施是水利工程施工過程中極為重要的一項措施，它不僅保證了整個工程的施工安全，還關系到工程質量的穩定。本文針對岷江干流都江堰城區河段河床上圍堰高壓擺噴和膏狀灌漿疊加施工技術的研究，充分考量其獨特的地質條件，通過對設置位置、材料、結構及施工的研究分析優化，為以后同類工程提供了寶貴的經驗。