希尼尔水库除险加固工程坝基防渗施工工艺比选浅析

刘玉杰

(新疆维吾尔自治区塔里木河流域管理局，新疆库尔勒841000)

0 前言

目前我国常用的以提高防渗性能为目的的基础处理方式主要为灌浆工程、防渗墙工程，根据希尼尔水库所处多孔隙介质岩石地层复杂性，现选用帷幕灌浆和铣削搅拌灌浆形成水泥土搅拌墙两种坝基防渗方案进行比选，开展现场实际地层坝基防渗施工试验，研究分析两种防渗方案施工参数，根据试验数据综合分析，选择最佳防渗施工方案。

1 工程简介

希尼尔水库位于新疆巴州尉犁县境内，是一座以灌溉为主的注入式反调节平原水库，水库自下闸蓄水运行14年来，运行状态基本正常，水库坝基处在多孔隙介质岩石上，水库原坝基采用垂直铺塑、搅拌桩及塑性混凝土防渗墙进行坝基防渗，部分坝段防渗深度偏浅，主坝段坝基渗漏量较大，下游坝脚排水沟内积水严重，坝后排水沟内曾出现涌水翻沙、无纺布隆起现象，下游坝坡及压盖回填清基料曾出现踏坑，滑塌现象。经计算现状坝基渗漏量1231万m3/a，占总库容的12.6%，坝基渗水严重，影响水库兴利库容的发挥，水库建成后未蓄至正常蓄水位，严重制约着水库蓄水效益的发挥，故采取坝基防渗措施。

2 坝基防渗施工工艺方案

2.1 帷幕灌浆坝基防渗

2.1.1 帷幕灌浆试验区孔位布置

试验区布置在主坝轴线上游侧40 m处，同主坝轴线平行，桩号2+430～2+466段，轴线长36 m，分上下游两排，副帷幕(上游排)共布置帷幕灌浆孔25个，其中Ⅰ序孔7个(含先导孔3个)、Ⅱ序孔6个、Ⅲ序孔12个；主帷幕(下游排)共布置帷幕灌浆孔24个，其中Ⅰ序孔6个、Ⅱ序孔6个、Ⅲ序孔12个；沿帷幕灌浆轴线以10个灌浆孔划分为一个单元，共划分为两个单元。

2.1.2 帷幕灌浆试验内容

帷幕灌浆设计为双排(主副帷幕排)，排距、孔距均为1.5 m，孔向为铅直孔，终孔孔径不小于56 mm，帷幕灌浆孔共分三序孔施工，采用XY-2型地质钻机成孔，灌浆采用“孔口封闭，孔内循环，自上而下”的灌浆方法。待盖板混凝土强度达到70%时，开始组织实施试验区施工。帷幕灌浆孔孔深要求伸入透水率q≤5 Lu弱透水层，以设计标定的帷幕灌浆底线作为参照，最终以实际终孔段压水试验显示的透水率为判断标准。帷幕灌浆最终质量合格判断标准为检查孔压水透水率q≤5 Lu。

试验区施工项目涵盖了砼盖板浇筑、帷幕灌浆、先导孔施工，先导孔施工要求完成“单点法”压水及钻孔取芯，帷幕灌浆完成后需进行压水试验检查工作。待全部试验完成，汇总整理上报试验总结报告。

2.1.3 帷幕灌浆质量检查

帷幕灌浆质量检查采用钻孔取芯结合相应压水试验进行。检查孔施工应在单元灌浆孔完成14 d后进行；检查孔数量一般为每单元布置1个，或为总孔数的10%左右；检查孔应自上而下钻进，分段卡塞，分段压水，压水试验采用“纯压式、单点法”；检查孔位置根据本单元帷幕灌浆成果表由监理单位最终确定。

帷幕灌浆质量合格评定标准为：经检查孔压水试验检查，盖板混凝土与基岩接触段的透水率合格率为100%，其余各段的合格率不小于90%，不合格孔段的透水率不超过设计规定q≤5 Lu的150%，且不合格孔段分布不集中。

2.2 铣削搅拌灌浆坝基防渗

2.2.1 施工工艺简介

铣削搅拌灌浆工法施工设备和技术是由国外地基公司为主发明的，它是应用原有的液压铣槽机的设备结合深层搅拌技术进行创新的一种新工法，结合了液压铣槽机的设备技术特点和深层搅拌技术的应用领域，施工形成抗压强度为0.5 MPa～3.5 MPa的等厚水泥土结石体。能够适应多种复杂地层，N值(标贯)可达80，包括卵砾石层(不含漂石、孤石)和抗压强度小于 20 MPa的软岩石，施工效率高。

双轮铣水泥土搅拌墙(SMC)是将双轮铣削成槽工艺和传统的深层水泥土搅拌工艺的技术特点相结合的一种新型地下深层搅拌技术，当施工机械向下铣削搅拌土体时，两个铣轮相对相向旋转，铣削地层，同时动力系统施加驱动力，向下铣削地层；在此过程中，注浆系统注入固化液，与土在原地搅拌混合，形成水泥土地下连续墙，此水泥土墙防渗系数达到设计值形成防渗体系，故达到坝基防渗效果。

工艺流程包括：清场备料→测量放线→安装调试→开沟铺板→移机定位→铣削下沉搅拌喷浆→回转提升喷浆→成墙移机。

2.2.2 施工工艺参数

为保证工程防渗质量，依据设计要求试验段施工参数拟采用如下：

a.墙体厚度70 cm；

b.单幅墙长度为2.8 m，幅间咬合搭接20 cm；

c.采用跳槽式双浆液施工；

d.墙体深入5 Lu基岩线以下1 m；

e.水灰比1∶1，注浆压力为2.0 MPa～3.0 MPa；

f.下沉速度不大于60 cm/min，且应尽量控制匀速钻进,提升速度20 cm/min～50 cm/min。

拟采用5幅试验，1#幅段水泥掺入量为13%，2#、3#幅段水泥掺入量为15%，4#、5#幅段水泥掺入量为18%，水泥用量控制见表1。

表1 各幅水泥掺入量计算表

为确保达到水泥掺入量适宜效果，结合砂层渗漏较快的情况，在提升过程中，拟控制水灰比为1∶1，并控制提升速度以控制水泥浆量的用量。

试验结束后建议检测在14 d、28 d后进行5个墙体的施工参数分析对比，以确定铣削深搅水泥土防渗墙施工的最佳施工参数。

3 坝基防渗施工工艺方案的选择

3.1 帷幕灌浆工艺实验结果分析及结论

3.1.1 检查孔压水试验成果分析

检查孔-3压水试验成果表见表2。

表2 检查孔-3压水试验成果统计表

检查孔-4压水试验成果表见表3。

通过表2所列数据分析，检查孔-3总计压水4段，透水率最小21.23 Lu，最大94.81 Lu，平均为44 Lu，表3所列数据分析，检查孔-4总计压水4段，透水率最小25.51 Lu，最大58.98 Lu，平均为35.85 Lu。两检查孔的透水率远大于于设计5 Lu的防渗标准，说明灌浆效果差。

3.1.2 帷幕灌浆成果综合分析

帷幕灌浆试验区作为一个整体，特别是Ⅰ单元、Ⅱ单元在同一地层条件下进行不同浆液灌浆，其结果也不尽相同，在此做以综述。

通过表4所列数据分析，在相同地层下，Ⅰ单元单位注入量为77.85 kg/m而Ⅱ单元为105.47 kg/m是A区单位注入量的1.35倍。分析其主要原因为Ⅰ单元开灌水灰比为5∶1，Ⅱ

单元开灌水灰比为3∶1，而整个试验区呈现“吃水不吃浆”现象，灌浆过程中变桨困难，多以稀浆灌注结束，所以Ⅱ单元单位注灰量较Ⅰ单元稍高。

3.1.3帷幕灌浆工艺实验结论

通过帷幕灌浆试验的实施和试验数据的综合分析，可得出如下结论。

a.希尼尔水库特殊的砂岩、泥岩互层地质条件，灌浆方法不适用于此工程。

b.从灌浆孔竣工后检查孔压水试验的成果来看，每段均未达到设计要求的防渗效果。

为保证希尼尔水库防渗效果，根据试验段施工情况，建议改帷幕灌浆为其它施工工艺。

3.2 铣削搅拌灌浆工艺实验结果分析及结论

3.2.1 芯样室内抗压强度及渗透系数试验

对各墙体随机抽取上部、中部、下部芯样在室内进行抗压强度及渗透系数试验，试验结果见表5。

表5 芯样抗压强度及渗透系数试验统计表

从表5可以看出，在各水泥掺量下，渗透系数均满足要求，但水泥掺量13%的1#墙段由于水泥掺量偏少，抗压强度过低；4#墙段水泥掺量比3#墙段水泥掺量高，但渗透系数和抗压强度均稍差于3#墙段，对3#、4#墙段岩芯进行分析，发现4#墙段所处地层部位泥岩层厚度比3#墙段泥岩层厚度厚，4#墙段水泥土中泥岩含量比3#墙段多，说明泥岩对水泥土的均匀性和强度均有明显影响；3#墙段和4#墙段下部芯样抗压强度均较低，说明在铣削搅拌水泥土防渗墙下部注浆施工环节，注浆量和注浆时间还要有所加强。

3.2.2 注水试验成果及试件抗压强度

采用岩芯钻机在试验墙体中心部位钻取注水试验孔，孔径Φ75 mm，采用降水头注水试验方式进行检查，试验深度13 m，并对在现场制作的水泥土试件进行7d、14 d的抗压强度检测。具体试验结果见表6。

3.2.3 铣削搅拌灌浆工艺实验结论

综合分析表5、表6可以看出，在水泥掺量递增的情况下，墙体渗透系数递减规律明显，墙体稳定性符合设计要求，且自15%水泥参量起的铣削搅拌水泥土墙的防渗系数达到希尼尔水库坝基的防渗要求。

表6 注水试验及试件抗压强度结果统计表

4 结论

根据施工规范，通过严格的帷幕灌浆和铣削搅拌灌浆实验的实施，综合分析实验所得数据，最终结论：在希尼尔水库多孔隙砂岩坝基防渗施工中，最佳采用铣削搅拌灌浆施工工艺。