高壓噴射灌漿在中小型病險水庫除險加固工程中的應用研究

謝淑芳

（桃源縣水電工程建設有限責任公司 常德市 415700）

1 桃源縣小型病險水庫除險加固壩體防滲基本情況

桃源縣共有小型水庫310座，其中有小(Ⅰ)型水庫63座，小(Ⅱ)型水庫247座，主要分布在桃源縣西、北山區(qū)和丘陵區(qū)。

桃源縣小型水庫大多建于20世紀50～70年代，受當時技術、經(jīng)濟條件的限制，大壩壩體普遍存在壩體填筑施工質(zhì)量差的問題。主要表現(xiàn)在：一是水庫壩體填筑土層松疏，密實度不夠；二是填筑料差，含砂量大，加之水庫大壩運行時間長，又因遭鼠、蟻毀壞，滲漏現(xiàn)象嚴重，導致水庫蓄水量少，水庫灌區(qū)遇旱水庫無水，容易造成農(nóng)田失收，雨季易滲漏，極易給庫區(qū)下游的人民造成生命財產(chǎn)威脅。為了確保水庫下游人民生命財產(chǎn)安全，使灌區(qū)糧田的灌溉得到保障，對桃源縣現(xiàn)有水庫壩體進行加固改造處理勢在必行。

水庫壩體滲漏問題，主要通過壩體高壓噴射灌漿防滲（包括高壓擺噴和高壓旋噴）、壩體沖抓套井回填、壩體土工膜敷設防滲等技術與方法來解決。桃源縣于2004年開始引進這些技術，至今已有10年。到目前為止，全縣已完成124座小型病險水庫的除險加固工程任務，其中對大壩進行防滲處理的水庫就118座。

幾種防滲措施各有優(yōu)缺點：

土工膜防滲的優(yōu)點是防滲技術可靠，防滲效果明顯，造價低；缺點是施工技術要求高，土工膜連接處理困難，質(zhì)量標準控制難度大。

沖抓套井是一項比較成熟的工程措施，優(yōu)點是費用較低，施工設備簡單，缺點是對回填土料的質(zhì)量要求高，施工回填土的壓實度不易控制，特別是對于壩高較大的壩體沖抓困難。

高壓噴射灌漿防滲是目前應用廣泛的一種防滲技術，技術已相當成熟，防滲效果好，缺點是費用較大。

桃源縣小型水庫除險加固工程大壩防滲主要應用的是壩體高壓噴射灌漿防滲（包括高壓擺噴和高壓旋噴）技術。據(jù)統(tǒng)計，桃源縣采取高噴灌漿防滲的水庫有109座，占到水庫總體防滲的92.4%。如表1。

2 高噴灌漿防滲板墻施工設備及施工工藝

2.1 施工設備

主要施工設備為：造孔系統(tǒng)、高壓水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、制漿供漿系統(tǒng)、提升噴射系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。

表1 桃源縣小型水庫除險加固工程壩體防滲工程措施統(tǒng)計表

2.2 施工工藝

根據(jù)設計防滲板墻施工軸線和孔距確定孔位，并作好地面樁標記。鉆頭Φ150mm，泥漿護壁，泥漿材料為鈣質(zhì)膨潤土、黏土、黃土、細砂等。攪拌漿液采用聯(lián)合攪漿機制漿，泥漿泵供漿，要求漿液拌合均勻，比重穩(wěn)定。漿液材料為純水泥漿，水泥為普通硅酸鹽水泥。

噴射灌漿，將高噴管下入到孔內(nèi)，按造孔記錄及設計板墻底線控制下入深度，然后啟動高壓水泵、空氣壓縮機，攪漿機供漿，同時全面檢查各管路是否封閉，水、漿、氣壓力及流量是否符合設計參數(shù)要求，噴射管的噴射方向是否對正。啟動設備3min后，待水泥漿從孔口返漿，再按設計提升速度開始提升。噴射灌漿結(jié)束后，進行靜壓回填灌漿，至液面不析水、不下沉為止。

2.3 特殊情況處理

（1）漏漿處理。在桃源縣丘陵區(qū)水庫大壩高噴灌漿防滲板墻的施工中，有很多孔發(fā)生了漏漿現(xiàn)象，說明大壩基礎存在嚴重的集中滲流區(qū)及流沙區(qū)，對水庫大壩的穩(wěn)定十分不利。因此發(fā)生漏漿時，視嚴重程度采取了停止提升或放慢提升速度的辦法，讓漏漿地層充分灌滿水泥漿，從而達到灌漿的目的。在二序孔的鉆孔中，取出了固結(jié)良好的類似混凝土的水泥芯，說明用此方法處理漏漿切實可行。

（2）孤石處理。水庫大壩存在有個別大的孤石。高噴過程中，根據(jù)鉆孔記錄，在噴至孤石深度時，采取上、下50 cm加大擺角、放慢提升速度的辦法，充分將孤石用水泥漿包住，從而達到板墻充分連接的目的。

（3）事故停噴。如在高噴過程中發(fā)生停電等停噴事故，再次開噴時則采取復噴的辦法，解決因停噴造成的板墻連續(xù)性問題。

3 項目應用研究的主要內(nèi)容

3.1 高壓噴射灌漿方法的選定

高壓噴射灌漿方法常用的有單管、二管和三管三種。

單管法是用高壓泥漿泵以（20～25）MPa的壓力，從噴嘴中噴射出水泥漿液射流，沖擊破壞土體，同時提升或旋轉(zhuǎn)噴射管，使?jié){液與被剝落下來的土石顆粒摻攪混合，經(jīng)一定時間凝固，在土中形成凝結(jié)體。這種方法形成凝結(jié)體的范圍（樁徑或延伸長度）較小。一般樁徑為（0.5～0.9）m。

二管法是用高壓泥漿泵以（20～25）MPa的壓力，用壓縮空氣機產(chǎn)生（0.7～0.8）MPa壓力的壓縮空氣，漿液和壓縮空氣通過具有兩個通道的噴射管，噴射管底部側(cè)面的同軸雙重噴嘴中同時噴射出高壓漿液和空氣兩種射流，沖擊破壞土體，在高壓漿液射流和它外圍環(huán)繞氣流的共同作用下，破壞土體的能量比單管法顯著增大，噴嘴一邊噴射一邊旋轉(zhuǎn)和提升，最后在土體中形成直徑明顯增加的柱狀固結(jié)體，其直徑達（0.8～1.5）m。

三管法是使用能輸送水、氣、漿的3個通道的噴射管，從內(nèi)噴嘴中噴射出壓力為（30～40）MPa的超高壓水流，水流周圍環(huán)繞著從外噴嘴中噴射出的圓管狀氣流，同軸噴射的水流與氣流沖擊破壞土體。由泥漿泵灌注較低壓力的水泥漿液進行充填置換。這種方法的水壓力一般較高，在高壓水射流和壓縮空氣的共同作用下，噴射流破壞土體的有效射程顯著增大。噴嘴邊旋轉(zhuǎn)噴射邊提升，在地基中形成較大的負壓區(qū)，攜帶同時壓入的漿液進入被破壞的地層進行混合、充填，在地基中形成直徑較大、強度較高的旋噴狀凝結(jié)體，起到防滲或加固地基的作用。 其直徑一般有（1.0～2.0）m。

通過我們多次比對試驗，單管法施工速度較快，成本較低，但形成凝結(jié)體的范圍（樁徑或延伸長度）較??；二管法加固質(zhì)量好，但施工速度較慢，且成本較高，施工難度較大；三管法加固質(zhì)量好且形成凝結(jié)體的范圍較二管法大，較單管法要大1～2倍。所以在桃源縣小型病險水庫除險加固工程中均采用三管法高壓噴射灌漿的方法。

3.2 孔口間距的確定

高壓噴射灌漿孔口間距應保證高壓噴射灌漿防滲墻厚度滿足防滲要求，依據(jù)《水利水電工程高壓噴射灌漿技術規(guī)范》，防滲墻厚度以下式計算：δ=H/L，式中：δ為防滲墻厚度；H為大壩壓力水頭（即上、下游水位差)；L為灌漿防滲墻允許水力坡降。

防滲墻允許水力坡降一般取值為100，桃源縣小型水庫上下游水位差一般不超過20.0m，所以設計防滲墻厚度一般為20 cm。

依據(jù)桃源縣小水庫高壓噴射灌漿試驗結(jié)果，高壓噴射防滲板墻一般采用人字形連接，偏角15°。當孔距為2.0m時，防滲墻成墻厚度為19.0 cm。而當孔距為1.50m時，防滲墻成墻厚度可達28.0 cm，防滲效果大大加強。所以桃源縣小型水庫除險加固工程高壓噴射灌漿防滲孔口間距一般確定為1.50m。

3.3 灌漿參數(shù)的確定

灌漿工藝參數(shù)：高噴前，在地質(zhì)條件具有代表性的區(qū)段進行試噴，然后進行注水試驗確定漿液性能、噴射流量、壓力和提升速度等工藝參數(shù)，桃源縣小型水庫除險加固工程的高噴參數(shù)如表2所示。

表2 高噴灌漿施工參數(shù)

由于實施高噴灌漿各壩體的堤型、土質(zhì)和密實度不同，灌漿壓力和灌漿速度各不相同，為達到最佳防滲效果，我們在施工前，根據(jù)壩體的壩型、土質(zhì)和密實度進行工程試噴，根據(jù)相關施工灌漿規(guī)定參數(shù)范圍確定最佳灌漿技術參數(shù)。

如漳江鎮(zhèn)鎮(zhèn)江村的龍王沖水庫為均質(zhì)壩，在試噴中，我們就采用高壓水35 MPa、提升速度8 cm/min和采用高壓水30MPa、提升速度9 cm/min兩種參數(shù)進行試噴。通過注水試驗，我們發(fā)現(xiàn)采用高壓水35MPa、提升速度8 cm/min的防滲墻的滲透系數(shù)為5.62×10-6cm/s，優(yōu)于采用高壓水30MPa、提升速度9 cm/min的防滲墻的滲透系數(shù)10.62×10-6cm/s，滿足設計要求；因此我們在龍王沖水庫壩體高噴灌漿確定采用了高壓水35MPa、提升速度8 cm/min的系數(shù)。

盤塘鎮(zhèn)蓮蓬崗村的車家坪水庫為粘土心墻壩，在試噴中采用高壓水35MPa、提升速度8 cm/min和采用高壓水30MPa、提升速度9 cm/min兩種參數(shù)進行試噴。通過注水試驗，采用高壓水35MPa、提升速度8 cm/min的防滲墻的滲透系數(shù)為4.38×10-6cm/s，滿足設計要求；采用高壓水30MPa、提升速度9 cm/min的防滲墻的滲透系數(shù)為8.95×10-6cm/s，雖然滿足設計要求，但防滲效果不理想。所以車家坪水庫壩體高噴灌漿采用高壓水35MPa、提升速度8cm/min的系數(shù)。

懷化市溆浦縣的曹家沖水庫為粘土均質(zhì)壩，填筑料含砂量較大，在試噴中采用高壓水35MPa、提升速度8 cm/min進行試噴，壩體開裂，采用高壓水34MPa、提升速度8 cm/min進行試噴，壩體不開裂，通過注水試驗，采用高壓水34MPa、提升速度8 cm/min的防滲墻的滲透系數(shù)為4.76×10-6cm/s，滿足設計要求；采用高壓水30MPa、提升速度9 cm/min的防滲墻的滲透系數(shù)為9.23×10-6cm/s，雖然滿足設計要求，但防滲效果不理想。所以在曹家沖水庫壩體高噴灌漿采用高壓水34MPa、提升速度8 cm/min的系數(shù)。

通過圍井試驗檢測灌漿防滲效果，總結(jié)出適合中小型病險水庫除險加固工程的高噴參數(shù)：粘土均質(zhì)壩宜采用高壓水35MPa、提升速度8 cm/min；含砂量較大的粘土均質(zhì)壩宜采用高壓水34MPa、提升速度8 cm/min；粘土心墻壩宜采用高壓水35 MPa、提升速度8 cm/min；含砂量較大的粘土心墻壩宜采用高壓水33MPa、提升速度8 cm/min。

4 項目的技術水平與創(chuàng)新點

4.1 項目的技術水平

結(jié)合桃源縣各水庫地質(zhì)條件和壩體滲漏的原因等實際情況，在推廣應用壩體高壓噴射灌漿防滲技術的基礎上，制定出了一套適用于桃源的水庫壩體防滲漏的實用技術。經(jīng)過實際檢驗，水庫壩體防滲漏效果良好。采用該實用技術高噴灌漿的109座水庫，通過注水試驗，防滲效果非常理想。

4.2 項目的創(chuàng)新點

（1）適應桃源縣水庫地質(zhì)條件高噴灌漿方法的選取。

（2）適應桃源縣水庫條件防滲灌漿孔距的確定。

（3）桃源縣水庫防滲處理的灌漿技術參數(shù)的確定。

5 成果推廣前景分析

大壩壩體高壓噴射灌漿是一種有效的大壩防滲工程措施，具有機械施工操作方便，施工進度快，防滲效果明顯的特點，具有較大的社會效益和經(jīng)濟效益：全縣共有310座小型水庫，通過灌漿防滲，可新增有效庫容2 850萬m3，改善和新增灌溉面積0.8萬hm2（12.0萬畝），增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)值達2.12億元。在江西省贛州市寧都縣的坡坑、湖南省懷化市溆浦縣的曹家沖等水庫通過高噴灌漿，效果明顯，得到了業(yè)主的好評。高噴灌漿在中小型病險水庫除險加固大壩防滲工程中值得大力推廣。

6 效益分析

6.1 經(jīng)濟效益

（1）桃源縣共有小型水庫310座，全縣已完成124座小型病險水庫的除險加固任務，其中采取高噴灌漿防滲的水庫有109座，這些水庫擔負桃源縣0.58萬hm2（8.7萬畝）農(nóng)田的灌溉和當?shù)鼐用竦纳钣盟?，項目完成后，每年增加水庫有效庫? 150萬m3，改善和新增灌溉面積0.52萬hm2（7.8萬畝），增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)值達1.23億元。

（2）給社會帶來較大經(jīng)濟效益的同時，也給公司帶來較大的經(jīng)濟效益，2013年年產(chǎn)值達到1.23億元。

6.2 社會效益

水庫大壩高噴灌漿防滲后能大大提高水庫大壩的安全運行能力，確保大壩安全，減輕水庫下游的防洪壓力，提升地區(qū)防洪保障能力，為地方經(jīng)濟發(fā)展提供安全保障，為庫區(qū)人民的生命財產(chǎn)提供了安全保障，具有較大的防洪保安效益。