高压喷射防渗墙在千年水库坝基防渗中的应用

杜彩霞

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 千年水库坝基高压喷射防渗墙施工情况概述

千年水库位于吕梁市离石区境内，包括水库枢纽和供水工程两部分。水库枢纽由大坝、导流泄洪洞、溢洪道、供水工程取水口等组成。大坝为碾压式均质土坝。大坝最高坝高38 m，坝顶总长344.2 m，总库容608万m3。根据设计图纸提供的坝基地层以混合土卵石或卵石混合土为主，其顶部土层覆盖层较厚，所以对该段土层不进行高喷灌浆，只对土层以下的混合土卵石或卵石混合土进行高喷灌浆，形成防渗体。

根据千年水库大坝主体工程的合同文件和施工规范的要求，在主体工程开工前，先进行高压旋喷防渗墙试验施工，施工结果验证了拟定的高压旋喷灌浆技术参数能够保证本工程的施工质量，能够达到设计所要求的高喷灌浆墙体渗透系数不大于1×10-6cm/s、墙体结石强度5～15 MPa，故采用了高压旋喷防渗墙施工方案。

2 高压喷射灌浆试验方案的实施及结果分析

2.1 高压旋喷防渗墙试验区域和施工方法的选定

主体工程高压旋喷防渗墙位于大坝防渗轴线桩号起止为FS0＋307～FS0＋432段，本段根据设计图纸提供的地层情况，其顶部土层不进行高喷灌浆，只对土层以下混合土卵石或卵石混合土进行高喷灌浆，形成防渗体。试验区域选择与主体工程地层类似的地段进行此次高压旋喷灌浆试验，选择在坝体下游排水棱型体的右侧，其地质条件与高喷防渗墙轴线的地层（卵石层）相似，开挖上部土体后进行高喷试验。

本次高压旋喷防渗墙试验采用设计提供的二管法，以浆液作为喷射流的方法进行，施工中采用了分序加密的原则分两序进行了钻喷，及先钻喷Ⅰ序孔，最后钻喷Ⅱ序孔，板墙墙体凝结7 d后进行了检查孔静水头压水试验，14 d后在围井下游侧开挖查看并凿取墙体获取墙体凝结强度等方法进行了检查。

2.2 高压旋喷防渗墙试验施工工艺

1）钻孔定位

本次高喷灌浆试验共分两排，总计21个孔，其中试验高喷灌浆孔16个，封底封顶孔4个，压水试验检查孔1个。高喷防渗墙体按照设计要求设7个孔与其余9个孔形成围井墙体。另外，为形成一个完整封闭的围井，还需要检查孔周围钻4个孔。试验孔按照设计提供的孔距1.5 m及排距0.8 m布置，按照分序加密呈梅花型布置的原则在试验区域内进行了孔位定位。高压旋喷防渗墙试验孔孔位布置见图1。

2）钻孔

图1 高压旋喷防渗墙试验孔孔位布置图

高喷灌浆试验孔采用了300型地质钻机，并严格按照分序的原则进行了钻进，及先钻Ⅰ序孔，最后钻Ⅱ序孔。

钻孔工作在高喷灌浆施工中占有极其重要的作用，因此从孔向、孔序、孔径、孔深以及制浆护壁等方面都将进行了严格的控制，保证了钻孔质量。

（1）孔向：钻机安装牢固平稳，并用水平仪找平；钻机立轴和孔口管的方向与设计孔向一致；开孔时轻压慢钻，当钻至一定深度后改用较长的粗径钻具钻进。

（2）孔序：严格按照了分序加密的原则进行了钻进。

（3）孔径：为保证Φ50 mm的高压喷射管顺利下放到设计孔底，选用了大口径的Φ108 mm合金钻头进行了钻进。

（4）孔深：开挖平台以下12 m。

（5）制浆护壁：由于钻孔地层以混合土卵石层为主，为了防止钻孔坍塌，在钻孔过程中使用了亲水性好、分散性高、稳定性、黏着性及可塑性强的黏土和膨润土进行了制浆护壁。

3）台车就位

保证高喷台车的孔口装置和钻孔同一轴心，用水平仪找平。当台车就位后检查气、浆管路，然后试喷，各项指标均达到设计要求后，开始准备下喷射管。

4）下喷射管

下管过程中，为防止泥砂堵塞浆、气喷嘴，对其缠上胶布进行了保护，然后缓慢下放喷射管直到孔底。

5）高喷灌浆

本工程高喷灌浆设计为360°旋喷，成墙后墙体成柱状体。

（1）参数设定

水泥浆液按照水灰比1∶1进行搅拌制浆；浆液流量及喷射流压力通过高压灌浆泵无级调速电机调节转速进行控制；气压力及流量通过空压机调压阀进行控制；旋转速度及提升速度通过调整高喷台车上无级调速电机分别进行控制；浆液密度分为进浆比重和冒浆比重，均用人工采用比重计进行测量。

（2）喷射提升及成墙

当喷射管下至孔底后，开始静喷。静喷系将高压灌浆泵、空压机、高喷台车等全部灌浆机械全部运转，通过喷射管向孔内注入纯水泥浆液以及压缩气，当灌浆压力、气压力、旋转速度、浆流量、进浆密度等各项技术参数指标达到设计要求后，且孔口冒浆比重不小于1.2 g/cm3时，按设计拟定的提速喷嘴一面提升，一面进行旋喷。旋喷时，浆液喷射流沿着自下而上和旋转的复合作用切削地层，在切削搅拌、升扬置换、充填挤压、渗透凝结以及旋转离心力和重力的作用下，形成柱状凝结体墙体。

当喷嘴喷至离孔口1.0 m处时停喷，提出喷射管。灌浆结束后利用后一个孔的冒浆对前一个孔进行静压回灌，回灌结束标准为孔口液面不再下降。

在检查孔周围钻4个孔，孔深12 m，对其下部2 m和上部2 m进行高喷，封闭围井底部和顶部。

（3）高喷灌浆质量控制

高喷灌浆属于隐蔽工程，为了保证工程质量，施工中对各个施工环节都进行了严格的控制。首先保证进入施工现场的水泥均有厂家提供的水泥出厂合格证和化验单，并对所进水泥进行了抽样检测，其质量符合国家现行有关技术规范的要求；其次对喷射提升环节进行了严格的控制，进浆比重通过灰浆搅拌桶上的水位刻度以及重量法称出水泥进行配比，回浆比重每隔10 min用比重计测量一次，始终保持了进浆比重不小于1.5 g/cm3，回浆比重不小于1.2 g/cm3，高压灌浆泵、空压机以及高喷台车设有专职技术员进行操作，各个技术参数均满足高喷试验方案的要求。

由于施工中对施工质量进行了严格控制，所以高喷灌浆试验孔无一例质量事故的发生。高压旋喷防渗墙试验孔设计及施工技术参数对比见表1。

2.3 高压旋喷防渗墙试验孔检查验收

表1 高压旋喷防渗墙试验孔设计及施工技术参数对比表

高喷灌浆试验孔完成后，通过检查孔静水头压水试验、墙体两侧开挖以及墙体凝结强度三种方法对墙进行了检查。

1）检查孔静水头压水试验

高喷灌浆试验孔完成7 d后，在墙体中心位置进行了检查孔钻孔，检查孔深度10.00 m，墙体顶部至自然地面之间有1.0 m土层，然后下入10 m长的花管。花管与封顶层凝结体用水泥密封。

花管与凝结体完成密封后，施工技术人员利用1 d时间向检查孔内不计量地注水，让墙体内水流处于一个稳定的流量状态，并于次日进行了静水头压水试验。

实验开始前，先用量杯将套管内注满清水，然后开始压水试验。在试验过程中，随时向套管内注入清水，使水面与套管口始处于同一水平面上，并每5 min测读一次注入量。当测读数据符合施工规范要求后，结束压水试验。本次压水试验共测读数据4组，详见检查孔压水试验注入量数据成果一览表（表2）。

根据水工建筑物水泥灌浆施工技术规范（DL/T 5148-2001），取最小流量0.155 L/min为计算用稳定流量。

高压旋喷防渗墙防渗性能检查是通过《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》（DL/T5200—2004）附录B渗透系数公式来验证的。公式如下：

表2 检查孔压水试验注入量数据成果一览表

式中：K——渗透系数，m/d；

Q——稳定流量，L/min；

t——高喷墙平均厚度，m；

L——围井周边高喷墙轴线长度，m；

H——围井内试验水位至井底的深度，m；

h0——地下水位至井底的深度，m。

开挖后墙体平均厚度t为0.86 m，L为12.1 m，H为10 m，h0为5.7 m，结合渗透系数公式，求得渗透系数 k=0.000 47 m/d，即 k=0.5×10-6cm/s。

2）墙体两侧开挖

检查孔压水试验完成后，一周以后进行了对高喷墙体下游侧深度3.0 m的开挖。

从墙体现场开挖来看，下游侧SY2-5、SY2-6、SY2-7喷柱桩径平均为1.25 m，未搭接。开挖测量数据详见板墙墙体下游侧开挖测量数据成果一览表（表3）。

3）墙体凝结强度

表3 板墙墙体下游侧开挖测量数据成果一览表

开挖检查完成后，分别在墙体不同的位置不同深度采取试块，并送往试验室作抗压试验，试验结果为7.8 MPa，满足设计要求的5～15 MPa。

2.4 试验结果分析

1）检查孔压水试验渗透系数k=0.5×10-6cm/s，符合设计要求的小于1×10-6cm/s。

2）从防渗墙现场开挖以及结合测量数据可以明显看到：（1）同一排上喷柱之间未能搭接上，排之间梅花型布置能够搭接。（2）卵石层由于漂石粒径过大，浆液喷射流在喷射过程中根本就不能将其切割，使卵石与卵石缝隙之间以及卵石的背流面，水泥浆液难以充填，造成墙体没有搭接上，达不到设计所要求墙体最小厚度要求的标准。

土层和过渡层墙体厚度能满足设计要求，卵石层中墙体搭接不上的原因有四种：第一、设计提供的孔距过大，已超出浆液喷射流有效的喷射范围之外。第二、从墙体开挖的现场来看，地层中含漂石过多过大，浆液喷射流很难将其切割。第三、喷射提速在卵石地层中提升相对过快，造成喷射流在同一地段喷射切割地层次数减少。第四、浆液喷射压力相对较小，导致有效的喷射范围缩短。

以上所述四种原因，都是导致此次高喷防渗墙墙体在卵石地层中搭接不上的直接因素。根据以往类似工程丰富的施工经验，原因分析中第三条喷射提速以及第四条喷射压力通过改进应该能够保证该工程在卵石层中高喷灌浆的质量，所以导致卵石层中墙体搭接不上的最主要因素是该地层中含有较多较大的漂石以及设计提供的孔距过大。

3）分别在墙体不同的位置不同深度采取试块，并送往试验室作抗压试验，试验结果为7.8 MPa，满足设计要求的5～15 MPa。

4）根据本报告表3中提供的单孔有效喷射直径最小1.21 m以及上述内容的分析，为了保证本工程高喷防渗墙的质量，调整孔距为1.0 m，其余技术参数采用设计参数。

3 大坝坝基高喷灌浆的施工

大坝坝址右岸黄土台地下古河道沉积物为卵石混合土属强透水带，采用高压旋喷灌浆进行防渗处理，处理范围为FS0+307～FS0+432段。共设两排灌浆孔，按分序加密呈梅花形布置，孔距1.0 m，排距0.8 m，高压旋喷底部伸入到基岩强风化线以下3 m，顶部伸入到坝体内3 m。

3.1 施工准备

1）施工道路。主要利用施工期间大坝下游通往右岸黄土台地部位的施工道路。另在灌浆平台下游侧平行灌浆轴线修筑一条纵向施工运输道路满足场内材料、机械设备的运输。

2）施工用水。施工用水从河道中接管路抽取，集中制浆站配备一个15 m3水箱，两套灌浆机组各配置一个10 m3水箱，利用水泵将水抽至水箱，水箱内时刻保持满水以保证机组内部灌浆使用。

3）施工用电。施工用电从大坝下游施工营地安设的变压器接取。

4）施工用风。共配备两台6 m3/min空压机，每台灌浆机组配备一台，再由高压风管接至控制台，保证灌浆用风。

5）施工平台。施工平台为高喷作业的场地，沿高喷防渗墙设计轴线布置。平台宽8 m，跟灌浆轴线同长，基础用推土机推平，碾实。

6）水泥制浆站及弃浆池。本工程拟采用集中制浆，制浆站配置一个50 t散装水泥罐和一套水泥搅拌系统，将制备好的浆液供应到两台机组。弃浆池沿灌浆平台下游侧间隔80 m挖设两个，单池容量20 m3。施工中用排污泵及时将弃浆池中的废浆排至下游截水槽中或监理指定的位置，然后集中清理。

7）泥浆搅拌系统。泥浆搅拌系统采用分散制浆。每个机组设一个制浆站，供应本机组钻孔使用。制浆站布设在灌浆平台下游侧，每站配置2 m3卧式搅拌机1台、250型泥浆泵2台、6 m3泥浆池1个，制好的泥浆放入泥浆池，然后由泥浆泵送至各钻机，泥浆从孔内冒出以后再回收到泥浆池里，经过滤、沉淀，调整浓度后再进行重复利用。

3.2 高喷灌浆原材料

高喷灌浆的浆液为纯水泥浆液，其材料主要是水泥和水。

1）水泥。高喷灌浆所用水泥一般采用普通硅酸盐水泥，标号不小于42.5。本工程采用标号42.5散装普通硅酸盐水泥。

2）水。施工用水采用河水，施工时从大坝下游蓄水池内接管路抽取。

3）掺合料。为减缓水泥浆液沉淀速度，在硅酸盐水泥中添加3%水泥重量的膨润土和3%的膨润土重量的碳酸钠。

4 结语

高喷灌浆技术是一种新型的防渗技术，不仅能有效地解决渗漏问题，还能提高地基结构的稳定性，适于在大坝防渗工程中广泛推广和应用。千年水库竣工验收后，在管理单位正常维护下，目前运行良好，满足设计的防渗要求，施工质量得到业主的好评。