高水头下抛石棱体围堰的帷幕止水处理技术

甘富华+张时宾

摘要：针对围堰大空隙抛石地层段止水施工，本文介绍了防渗施工方案比选，论证了采用膏状浆液可控性灌浆施工的可行性。通过分析施工中获取的各种技术参数以及对该段围堰帷幕灌浆防渗效果进行综合评定，得出结论：该技术处理类似地层是行之有效的。为以后类似海边高水头下抛石棱体围堰进行防渗施工提供一种有效经济的施工技术。

关键词：大空隙围堰膏状浆液可控性灌浆

工程概述

斯里兰卡汉班托塔港发展项目二期工程采用围堰止水围闭港池，之后抽干水进行基坑干地土石方开挖和水工结构施工。新建南围堰与一期港池（海水）相接，抛石棱体段位于新建南围堰西侧沉箱后方，轴线长40.35m，该段围堰地质条件复杂，其表面有约1m厚杂填土，下部为1-300kg的人工回填块石，地层级配差、结构松散，架空现象严重、孔隙率超过30%，且经过地下流动水的反复冲刷，其中基本无细粒充填物，存在明显的渗漏通道。地质钻孔揭示，原始地层下部存在砂层，厚度约为1～3m。港池平均水位为+0.5m，二期港池基坑开挖设计底标高为-17.0m，因此，二期基坑开挖期间，新建南围堰及沉箱西侧抛石棱体段止水结构两侧水位差约17.5m左右，需要承受很大的水压力。根据防渗止水施工规范技术要求，设计入强风化基岩不少于1m，设计技术规格书明确此段可根据现场情况选用防渗墙止水方案或者灌浆止水方案。

防渗方案的选择

1、塑性混凝土防渗墙方案

在架空现象严重的地层中进行防渗墙成槽施工，存在着护壁泥浆大量漏失的问题。不但直接增加了护壁泥浆用量，而且伴随着护壁泥浆的集中漏失，容易出现塌孔等现象。同时大粒径块石强度较高，给液压抓斗成槽施工造成难以克服的困难。一旦出现此类问题，处理时间相对较长，甚至可能无法处理，将直接对整个围堰止水工程的施工工期产生巨大影响。

2、高压喷射灌浆方案

高压喷射灌浆是利用土体在10～30Mpa压力下能被切割、破坏的原理，采用高压喷射流的冲击力，对土体产生穿射、切割、搅拌、挤压作用，破坏地基土而后被浆液置换、充填、混合，形成浆液与土粒混凝的防渗板墙结构。一般不适用于粒径在50mm以上的砾石、卵石地基以及堆积松散、含有块石、存在大裂隙的基础。在架空结构严重的抛石围堰地层中进行高喷灌浆，对堰体很难产生切割破坏作用，因此实际上就是进行常规水泥注浆。

3、常规水泥灌浆方案

在架空现象严重且有流动水的地层中进行常规水泥灌浆，灌浆过程可控性较差，尤其是不能按照返浆或有压的标准结束，而采用定量的结束标准时，灌浆效果的评价、可靠性等难以确定。且水泥浆液在流动水条件下难以快速凝固，将随着水流流失，造成浆液材料的浪费。

4、膏状浆液可控性灌浆方案

膏状浆液灌浆是近年来发展的一项新技术，通过在水泥浆液中加入膨润土来调节浆液的粘稠度，构成水泥膏状浆液，水泥膏状浆液具有很大的屈服强度和塑性黏度，并具有一定的抗水流冲释性能和自堆积性能。使浆液扩散范围可控，从而控制浆液的注入量和扩散度，这样不仅可达到最佳的灌浆效果，也可减少浆液不必要的损耗，从而提高灌浆施工的有效性和经济性。这种灌浆方法特别适合在大空隙并有地下流动水的地层中进行帷幕灌浆。

经过几种方案比选，决定采用水泥膏浆可控帷幕灌浆施工方案，与前三种防渗方案相比，膏状浆液可控性灌浆方案更适合本段围堰地层特点。对松散堆积体、强透水且有地下流动水存在的条件下，采用膏状浆液进行灌浆较为合适。膏状浆液具有一定的抗冲刷性能，使浆液扩散范围可控，避免了浆液的大量流失，技术先进、质量可靠、经济效益明显。

灌浆方案设计

本段围堰设计要求进入强风化岩层≥1m，进入沉箱碎石垫层基础≥1m，最大灌浆深度约为21m。帷幕灌浆设计形成帷幕厚度δ≥3.3m，渗透系数K≤i×cm/s（i=1～5）。

正式施工前，为了获得最佳的施工参数，根据前期地质施工资料，在该帷幕灌浆区域附近选取和灌浆段地质情况相近的区域，进行了水泥膏浆可控帷幕灌浆模拟试验。根据施工方施工经验，以及各方专家意见，决定在试验区采用较大的孔排距，孔口封闭、自上而下、分段孔内循环、较高压力灌浆等技术进行灌浆。本工程灌浆试验区长6m、宽5m，排距1m，孔距1.2m，分三排错位布置共计17个灌浆孔。

试验完成后，通过注水试验来验证灌浆效果的同时，对灌浆段开挖进行直观观察灌浆效果。通过注水试验结果及开挖直观观察显示，帷幕灌浆不仅可以达到良好的岩石缝隙充填效果，形成有效止水结构，而且对加快施工进度，降低施工造价具有较大优势。同时通过试验段施工，发现孔与孔之间部分浆石胶结有待加强，设计减小了孔距、排距，增加了排数；总设计灌浆深度129m，胶凝材料总计用量135575Kg，单位注浆量1050.96Kg/m，结果偏大，设计增加了浆液配比类型，部分配比中加大了膨润土含量，增加了浆液粘稠度。通过本次灌浆试验，确定了施工段防渗轴线上孔位布置、灌浆浆液配比、灌浆压力等相应施工参数，为后续可控帷幕灌浆施工打下了坚实的基础。

在灌浆试验基础上，根据设计要求，箱后灌浆孔设计排数为4排，外侧两排排距0.95m，中间排距为0.9m，边排孔孔距0.5m，中间两排孔孔距0.8m。沉箱内布置三排，孔距和排距以灌满沉箱为原则。同时，在沉箱与防渗墙、沉箱与帷幕灌浆段接缝处，单独布置注浆孔。

膏状浆液灌浆施工

1、施工程序

施工时，按照先下游排，再上游排，最后中间两排的顺序进行施工，每排灌浆孔分两序进行加密灌浆施工，每排孔逐序编号，则奇数号为一序，偶数号为一序。灌浆施工工艺流程为：浇筑混凝土盖板→钻第一段→灌注第一段→钻第二段→灌注第二段→……→钻最后一段→灌注最后一段→封孔→移机至下一钻孔。

具体施工顺序为：施工平台及临建施工→下游排Ⅰ序灌浆孔施工→下游排Ⅱ序灌浆孔施工→上游排Ⅰ序灌浆孔施工→上游第Ⅱ序灌浆孔施工→中间排Ⅰ序灌浆孔施工→中间排Ⅱ序灌浆孔施工→检查孔施工。

2、灌浆工艺

采用孔口封闭、自上而下分段、循环结合纯压式灌浆方法。钻孔设备采用XY-2型地质钻机，采用金刚石钻头，使用清水冷却钻头和携带钻渣，通过回转式方式钻进成孔。由于地层复杂，钻进时注意根据地层情况随时调整钻压、转速等技术参数，提高钻孔效率并保证钻孔质量。钻进过程中随时注意地层情况，防止烧钻、塌孔事故的发生。钻孔分段与灌浆分段相一致，根据设计深度进行划分，原则上以不超过5m为准，部分特殊孔段可大于5m。钻孔深度严格按照设计深度要求执行，保证终孔深入强风化基岩不小于1.0m。对返水正常的孔段，进行钻孔冲洗，至回水变清为止。

采用分排分序加密的方式进行，每排采用两序加密，先一序后二序的顺序进行。灌浆采用孔口封闭的灌浆工艺。开始时，射浆管距孔底50cm。采用孔口封闭灌浆工艺可以对上层灌浆段进行反复的灌浆，从而取得良好的灌浆效果，由于是在覆盖层灌浆，无法分段卡塞，采用孔口封闭灌浆工艺，可以解决在该类地层卡塞的问题，且孔口封闭利于提高灌浆压力，提高灌浆效果。

3、灌浆压力

灌浆压力控制以压力表平均值为准。结合规范要求和本工程实际（技术规格书），灌浆施工压力如表1所示：

4、浆液配合比

灌浆采用五级水固比的浆液材料，分别为2：1、1：1、0.8：1、0.5：1的纯水泥浆液和0.7：1的膏状浆液。浆液配合比情况见表2：

5、浆液使用原则

上下游边排灌浆孔抛石层采用膏状浆液为主进行灌注，主要针对块石架空地层。原地层和中间排孔主要采用纯水泥浆液进行灌注，纯水泥浆主要对细小裂隙进行有效充填挤密，根据灌前简易压水情况采用由稀变浓的变浆原则。

6、结束标准

对于膏状浆液，结束标准为在设计压力下基本不吸浆（储浆桶浆液液面无明显下降），可结束本段灌浆。对于纯水泥浆液，结束标准为在设计压力下注入率小于1L/min后，持续灌注30min即可结束。

相关要求严格按照规范执行，部分规范中含糊或者选择较大的地方，主要参考灌浆施工前模拟试验参数。

灌浆施工效果

灌浆施工质量检查以检查孔注水试验成果为主，在施工结束后14天后进行。根据施工中灌浆记录，结合规范要求原则，选取最不利位置进行钻孔注水试验。本工程共布置灌浆检查孔17个，包括沉箱检查孔2个，沉箱接缝检查孔1个，新建南围堰箱后灌浆检查孔14个。检查孔施工采用分段钻进、取芯、注水试验、水泥灌浆，再钻进下一段，如此循环，直至终孔。

工程注水试验结果中，沉箱内最大渗透系数为3.70×cm/s，轴线上最大渗透系数为4.59×cm/s，轴线外最大渗透系数为4.28×cm/s，合格率100%，均满足设计防渗要求，说明灌浆质量良好。

南围堰内侧围闭区正在降水，目前水位-13.5m，和外侧海水水位高差大于14米，巡视和监测过程中，没有发现任何渗水、漏水情况，防渗墙状态良好，进一步证明了灌浆质量与此灌浆技术的可行性。

同时，根据灌浆记录，可以计算每个孔、每一层、每一排、每一序的灌浆量，得出如下结论：

1、单位注浆量（水泥和膨润土）

灌浆下游排Ⅰ序孔胶凝材料单位注入量为1899.01kg/m，Ⅱ序孔为788.23kg/m；上游排Ⅰ序孔胶凝材料单位注入量为595.48kg/m，Ⅱ序孔为370.24kg/m；中间两排序孔胶凝材料单位注入量为195.60kg/m，Ⅱ序孔为122.95kg/m。由此可以看出随着灌浆排序的增进，单位注入量呈递减趋势，符合正常的灌浆施工规律，说明灌浆效果较好，所采用的工艺技术、灌注材料、浆液配合比具有合理性。

2、地层透水率

下游排Ⅰ序孔由于裂隙、缝隙和空隙异常发育，在帷幕灌浆钻孔施工过程中出现不返水情况，漏失较为严重，可见地层中渗漏通道较多；Ⅱ序孔钻进时，大多数孔段已出现返水，孔段返水较小，极个别孔段存在不返水情况，说明通过Ⅰ序孔灌注后，大的裂隙、空隙基本被膏状浆液充填，中小裂隙仍大量存在，并成为主要渗水通道，透水率随着灌浆次序的增加逐渐减小。中游排施工时返水基本正常，说明经过边排孔灌注后，幕体范围内的大渗漏通道已被封堵，中小孔隙存在较多，中等以上孔隙已被充填。

以上情况表明，随着帷幕排间和孔序间的加密施工，渗漏通道不断被浆液充填和封堵，并逐步密实，防渗帷幕逐渐形成。

总之，以上灌浆成果资料分析表明，膏状浆液可控性灌浆防渗施工质量和灌浆效果达到了设计的目的。同时，目前南围堰内侧泄湖抽水已经降至-15.0m以下，灌浆段未发现任何渗水点，止水效果良好，有力地验证了可控帷幕灌浆施工的有效性。因此，高水头下抛石棱体围堰的止水施工采用可控性帷幕灌浆施工工艺是可行的，为类似工程提供了一种有效经济的施工技术。

结语

斯里兰卡汉班托塔港二期新建南围堰高水头下抛石棱体段膏状浆液可控性灌浆是成功的，为类似工程提供一定的施工经验。

1、灌浆浆液选择

由于抛石段围堰地层情况十分复杂，上部回填层结构松散，架空现象严重，适合灌注流动性小、扩散度小的浆液，而小裂隙的充填挤密则适合纯水泥浆液。本工程采用的膏状浆液具有粘度大、扩散度小的特点，具有良好的可控性，能有效的封堵较大的渗漏通道。膏状浆液对于有地下流动水的大空隙地层具有明显的堵漏作用，是值得推广应用的一种灌浆材料。

2、灌浆工艺

斯里兰卡汉班托塔港发展项目二期新建南围堰可控性灌浆采用多排分序逐渐加密的方法。经实践证明，通过上下游排膏状浆液可控灌浆进行封闭，可以有效的确保中间排灌浆施工达到灌浆效果，形成止水帷幕。

3、灌浆方法

采用孔口封闭、自上而下分段灌浆的施工方法，上部回填强透水段采用纯压式灌浆，一般漏失带采用孔内循环式灌浆工艺，工效较高，且孔段可得到多次重复灌注，有利于提高灌浆质量。

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