水利工程施工中防滲漏技術研究

◎孫祥志 王義坤 諸衛衛 南京市長江河道管理處

隨著我國社會經濟的高速增長，水利工程建設規模不斷擴大。作為基礎水利設施的水庫，在提供水資源、防治洪澇災害方面發揮著重要作用，截至今日，我國水庫建設數量已經超8萬座。其中土石壩是水庫建壩的常見壩型，具有施工簡單、價格便宜等優勢。然而土石壩在使用過程中，因滲漏失穩狀況所造成的安全事故時有發生，如果水庫大壩出現滲漏問題，不僅威脅著壩體自身結構的穩定性，而且會影響大壩的功能性，造成水資源浪費，從而為我國國民帶來無法挽回的經濟損失。因此，在水利工程發展時期，加強水庫大壩防滲漏技術已經成為必然趨勢。對于水庫大壩而言，降低水量流失、避免壩體失穩最有效的手段就是防滲漏施工，并在防滲漏施工過程中做好質量控制，實現防患于未然的目標。

1.工程概況

某中型水庫工程建設等級為Ⅱ等，用于防洪抗澇和附近農田灌溉。該水庫大壩長度約為520m，壩頂的寬度約為5.8m、高程約為365.0m。在水利工程安全管理中心對該大壩進行安全鑒定核查時發現，在河床與壩體相連部位，已經出現多處裂縫，導致現有大壩發生嚴重滲漏現象。由于該水庫下游為村莊，如果發生潰壩，將會危害村莊人民的生命安全，所以急需對該水庫大壩進行防滲漏施工。

2.大壩防滲漏施工

綜合考慮該水庫大壩防滲加固工程的施工條件、施工工期等因素，本文選取高壓噴射灌漿技術來達到防滲漏目的，通過該技術所形成的防滲墻，具有優越的截滲性與耐久性。當下，我國高壓噴射灌漿施工技術中所使用的灌漿管，主要包括：單管、二管及三管這三種，不同類型的灌漿管所形成的防滲墻抗壓強度之間存在一定差異，參考該土壩的土質特性，本文決定選取三管的灌漿管進行施工，下面將對高壓噴射灌漿防滲漏技術的施工方法進行詳細介紹。

2.1 布設灌漿孔

高壓噴射灌漿施工的第一步就是根據防滲墻的布置形式來布設灌漿孔[1]，當下高壓噴射防滲墻主要包括折線型、交叉型、微擺型以及直擺型，綜合考慮防滲墻厚度以及施工技術等因素，本工程的防滲墻最終設計為交叉型，如圖1所示。

圖1 防滲墻布置形式圖

該防滲墻板面平整、堅硬，具有較好的防滲漏效果。然后本文根據防滲墻的布置形式，確定鉆取灌漿孔的孔距與孔深[2]，灌漿孔之間的距離對高壓噴射灌漿防滲墻結構的穩定性有著重要影響，計算公式如下所示：

式中，D 表示灌漿孔之間的距離；r 表示高壓噴射灌漿擴散的半徑；w表示防滲墻的厚度。本文結合現場試驗以及防滲墻指標要求，最終決定最佳孔距為1.5m。關于灌漿孔的深度，主要由防滲墻的厚度決定，確定為0.4m。按照上述內容，本次大壩防滲加固施工共布設了245個灌漿孔，為避免相鄰兩個灌漿孔在高壓噴射灌漿過程中發生串漿現象，采用三序布孔法進行鉆孔施工。鉆孔流程如下：首先結合本次工程的實際特點，選用立軸式液壓回旋鉆機進行鉆孔，該設備具有較為準確的定位系統，可以鉆取出孔斜率滿足設計要求的灌漿孔；在鉆機就位之后，通過水平調校操作讓鉆桿軸線與灌漿孔中心保持在同一直線上，并使用水平尺控制鉆機機身處于平穩狀態；然后開啟鉆機開始鉆取灌漿孔，在此過程中，孔徑偏差不可以超過2cm，并將鉆孔數據完整記錄下來，當鉆進深度達到灌漿孔深度的設計要求時，經過施工現場監理人員確認后方可終孔，控制鉆機反旋，將鉆頭拔出，用測斜儀檢查灌漿孔的孔斜率是否符合設計要求，如果與設計不符需要及時糾正；最后將孔內泥渣、碎石等雜物清理干凈，并使用清水沖洗灌漿孔。在鉆取灌漿孔過程中，如果鉆頭遇到堅硬石塊無法鉆進，需要及時調整鉆進方式，確保鉆孔順利[3]，全部灌漿孔鉆進完畢之后，即可進入下一道工序。

2.2 配制漿液

高壓噴射灌漿技術的特點就是通過加壓為高速噴射流來灌漿，所以灌漿材料對于防滲墻的質量[4]來說非常關鍵。一般情況下，高壓噴射灌漿施工中主要使用水泥漿液作業灌漿材料，水泥漿液具有穩定性高、成本低、可噴性強等特點，適用于高壓噴射灌漿施工中，為提升水泥漿液的凝結效果，可以根據工程特點，于漿液中添加一定的氯化鈣、黏土等添加劑。在進行高壓噴射灌漿施工過程中，噴射的水泥漿液會與大壩土體發生置換，由于水泥漿液與土體所置換的體積并不一致，所以置換后水泥漿液發生凝結現象，從而形成防滲墻，在二者置換過程中，為使防滲墻的強度以及防滲性達到施工設計要求，需要噴射的水泥漿液具有良好的穩定性以及可噴性，且其凝結時間也需滿足施工工期的設計要求。在進行水泥漿液的配制[5]時，需要結合施工現場土體性質進行，不同土質類型的土體，其漿液配比也各不相同，如果土體表現為黏性性質，那么高壓噴射灌漿所擴散范圍較小，這時采用純水泥漿液作為灌漿材料即可；如果土體表現為砂性性質，那么與黏性土體相對應，該土體中的灌漿材料擴散范圍較大，這時需要在水泥漿液中添加一定的黏土漿，增加漿液的粘稠度，確保防滲墻成墻質量。綜上所述，結合該大壩防滲加固工程的實際特點，本文選用高強型水泥漿液作為灌漿材料，在配制這種類型的漿液時，以實現高強度的防滲墻為設計基礎，選用P.C32.5復合水泥，并添加一定的擴散劑以及石英粉，按照水泥：水：擴散劑：石英粉=1:2.4:0.3:0.1的比例來配制漿液。為防止漿液出現離析現象，從而影響成墻質量，本次工程中使用的漿液均在施工現場配制，在漿液配制過程中，嚴格控制各原材料的質量，如果水泥出現結塊將會對成墻效果產生影響，不可以使用。將各原材料加入水中后，攪拌15min即可得到高壓噴射灌漿所需的漿液，為避免漿液凝結，盡快投入施工中。

2.3 高壓噴射灌漿

高壓噴射裝置主要包括噴射漿管、噴嘴、進漿管等，首先需要將三重噴射管放入灌漿孔，為避免放入過程中噴射管內進入泥沙等雜物，影響噴射效果，可以向噴射管內注入清水，將管內雜物排出。在下放噴射管時，由于灌漿孔底部的沉渣較多，可以配合旋提擺裝置控制噴射管一邊旋擺一邊下放，直至噴射管到達設計深度[6]。在正式灌漿之前，需要選擇一塊空地進行試噴，確保各項設備可以正常運行。然后在噴射管插入灌漿孔后，調節噴射方向，控制噴嘴對準噴射方向，開始于灌漿孔內送入水、氣、漿，具體工藝參數[7]如表1所示。

表1 高壓噴射灌漿施工工藝參數

按照表1中參數噴射水與氣，在4min之后開始灌注漿液，在噴射灌漿過程中，當灌漿孔口回漿的比重達到1.5g/cm3以上時，由下而上一邊轉動、一邊提升噴射管，控制轉動速度為12r/min、提升速度為10cm/min，直到噴射管提升至設計高度。本文考慮到水泥漿液自身的凝固收縮現象，所以在實際施工過程中，將停止噴漿的位置照設計位置提高了0.8m。那么噴射灌漿工序的原理如圖2所示。

圖2 高壓噴射灌漿成墻效果示意圖

在高壓噴射灌漿過程中，經常會出現一些施工問題，需要作業人員密切關注高壓噴射灌漿流程，結合施工現場實際情況，發現并解決問題。如果灌漿孔出現冒漿現象，首先判斷冒漿量，在灌漿量的10%以下為正常現象，無需特意處理，如果冒漿量超過灌漿量的10%，需要合理調節漿液的噴射壓力或噴射管的旋轉速度，來處理冒漿現象。

在一個灌漿孔的漿液噴射結束之后，需要及時將噴射管清理干凈，不可以有水泥漿液殘渣遺留，避免堵塞噴射管，影響下一個灌漿孔的噴射效果。一般情況下，灌漿孔噴射技術一段時間內，漿液頂部會因為離析現象而出現凹陷，所以需要在噴射相鄰灌漿孔時對該灌漿孔進行回灌操作，直到該灌漿孔的漿液面穩定為止。水孔，然后于該孔內開始注水，一段時間后根據各試驗孔測得滲透系數來判斷防滲墻的防滲透效果。滲透系數的計算公式如下所示：

3.防滲漏效果檢測

在大壩防滲漏施工結束后，需要進行為期2個月的養護作業，然后采用圍井注水試驗來檢測防滲墻的防滲漏效果，從而判斷出本次施工質量。首先結合施工現場的實際環境，于大壩上游布設8個試驗孔，形成封閉的圍井，如圖3所示。

圖3 圍井試驗鉆孔布設圖

同時，在圍井的中心鉆取一個注

式中，λ表示滲透系數；L表示試驗孔滲水流量；S 表示圍井滲水面積；ΔP表示圍井滲水坡降。根據《水工建筑物防滲工程高壓噴射灌漿技術規范》可知，只有滲透系數在1.0×10-5cm/s以下時，防滲漏施工質量合格。那么本次圍井注水試驗所得各試驗孔的滲透系數如表2所示。

表2 試驗孔滲水檢測結果表

由表可知，本次圍井試驗中所鉆取的8個試驗孔的滲透系數均遠遠小于設計要求，平均滲透系數僅有1.92×10-6cm/s，說明高壓噴射灌漿形成的防滲墻具有良好的防滲效果。與此同時，經過檢測可知，各灌漿孔交接處膠結牢固，沒有明顯的交接痕跡。進一步驗證了本次高壓噴射灌漿施工質量較好，大壩防滲漏施工技術達到了理想的效果。

4.結束語

本文以某水庫大壩防滲加固工程為研究對象，針對該項目的具體特點，通過高壓噴射灌漿施工來實現大壩的防滲透。該技術可以克服傳統防滲墻接觸不良、穩定性較差等問題，不僅對原水庫大壩壩體結構影響較小，而且施工技術簡單、工程造價較低，具有良好的經濟效益。高壓噴射灌漿技術對于水庫大壩的防滲漏施工，具有顯著的優越性，如果可以得到廣泛應用，將會進一步推動我國水利工程發展。