高壓旋噴灌漿在新屯水庫除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

楊光志

云南省宣威市水務(wù)局 云南宣威 655400

摘要：新屯水庫壩址區(qū)地處炎方、新屯山間溶蝕盆地的過度地帶，砂頁巖地層小褶皺發(fā)育，為壓扭性斷層，斜穿右壩肩。原壩土填筑料大多為砂巖風(fēng)化料，且碾壓質(zhì)量差，形成外壩大量滲漏，下游壩腳滲漏量為0.025m3/s，年滲漏量78.84萬m3，并在壩坡上發(fā)生滲透破壞，該工程除險(xiǎn)加固能否成功，關(guān)鍵在于防滲處理能否成功。常規(guī)帷幕灌漿很難滿足要求，粘土斜墻防滲也難滿足要求，塑性砼防滲墻難予成槽，經(jīng)多方比較，選用高壓旋噴灌漿作為防滲處理措施，實(shí)施結(jié)束經(jīng)鉆孔取芯壓水試驗(yàn)檢查，試驗(yàn)指標(biāo)透水率q﹤5lu，達(dá)到了設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：土壩；高壓旋噴；防滲處理

1 工程概況

新屯水庫位于沾益縣炎方鄉(xiāng)西河村，水庫控制徑流面積46.0 km2，大壩為均質(zhì)土壩，壩高18.0m，壩頂長(zhǎng)170.0m，壩頂寬4.0m?？値烊?300萬m3，工程規(guī)模為中型，工程等別為三等。攔河壩為3級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，500年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇。該水庫1958年10開工，1959年10月竣工，由于受當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件限制，大壩碾壓均采用人工石碾，壩體碾壓質(zhì)量較差，經(jīng)擊實(shí)試驗(yàn)檢查，壩土壓實(shí)度僅為0.63～0.88，不符合設(shè)計(jì)要求，且壩體填筑材料質(zhì)量差異較大，特別是壩頂以下7米的壩土填筑料大多為砂頁巖風(fēng)化料。形成壩體、壩基大量滲漏，經(jīng)實(shí)測(cè)下游壩腳滲漏量為0.025m3/s，下游壩坡出現(xiàn)大面積浸潤(rùn)現(xiàn)象，并在壩坡上發(fā)生滲透破壞。經(jīng)安全鑒定，滲流安全性為C級(jí)；鑒于新屯水庫存在的病險(xiǎn)狀況及該水庫每年可向下游提供1681萬m3的用水量，對(duì)宣威市國(guó)發(fā)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展起著重要作用。該工程于2003年12月以云水規(guī)計(jì)[2003]117號(hào)文批準(zhǔn)除險(xiǎn)加固。

2 工程地質(zhì)概況

壩址區(qū)地處炎方、新屯山間溶蝕盆地的過度地帶，屬溶蝕—侵蝕中低山地貌。山體多呈北西、南東走向，自然坡度100～360，壩址河床寬50米，河床坡降平緩為2.86‰，河床兩岸見有不對(duì)稱的一級(jí)階地，壩址上游河谷逐漸開闊、下游河谷平順。

壩址區(qū)C3m、P3L地層總體呈單斜產(chǎn)出，走向北東，傾向北西，傾角150～360，砂頁巖地層內(nèi)小褶皺發(fā)育，壩址區(qū)發(fā)育F1、F2、F3、F4斷層，走向北東，傾向北西，傾角590，為壓扭性斷層，斜穿右壩肩。與壩軸線呈400角相交，破碎帶寬2～3m，由角礫巖和碎裂巖組成，鈣、鐵泥質(zhì)膠結(jié)。

3 技術(shù)處理方案

針對(duì)壩體的防滲加固處理，本次設(shè)計(jì)主要進(jìn)行了三種：1、高壓旋噴灌漿；2、塑性混凝土防滲薄墻；3、劈裂灌漿結(jié)合高壓旋噴；從施工難度、投資等方面對(duì)三種方案進(jìn)行比較，具有處理深度大，對(duì)地層適應(yīng)性較強(qiáng)，可灌性、可控制性好，板墻強(qiáng)度高、墻體較厚、墻體耐久性好、使用年限長(zhǎng)等特點(diǎn)。最后確定高壓旋噴灌漿方案作為壩體加固防滲處理的措施，壩基采用常規(guī)帷幕灌漿。實(shí)施過程中，原設(shè)計(jì)二疊系梁山組強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)頁巖層段采用帷幕灌漿施工，在高噴生產(chǎn)性試驗(yàn)中，該層段鉆孔時(shí)，出現(xiàn)孔口不返水、地層滲水嚴(yán)重，注漿難、芯難取易碎、固體顆粒小等現(xiàn)象，若采用帷幕灌漿施工效果不理想，故將該地層段改為高噴施工。通過施工該層置換出大量砂土，置換率高，切割范圍達(dá)到預(yù)期效果，并將高噴底界深入灰?guī)r0.5m，用高噴解決了全強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)頁巖層及砂土層注漿難的問題，又能使樁體底部支撐體的承載力得予大大提高。并降低該里程內(nèi)原帷幕灌漿起灌高程，與相對(duì)應(yīng)高噴底界搭接2.5m。從而保證帷幕灌漿防滲墻與高噴防滲墻有效地連接成一體。高壓旋噴適用于砂類土、粘性土、黃土和淤泥地基。

高噴墻在壩軸線上單排布置。設(shè)計(jì)旋噴孔距為0.8 m，樁徑1.0m，經(jīng)計(jì)算其搭接最小厚度為0.663m，高壓旋噴孔深入基巖0.5m。

高壓旋噴板墻的控制指標(biāo)如下：凝結(jié)體的滲透系數(shù)不大于1.0×10-5cm/s，彈性模量不大于1.0×103Mpa，抗壓強(qiáng)度不低于10.0Mpa。

4 高壓旋噴灌漿施工

4.1高壓旋噴孔的布置

高壓旋噴布置于壩軸線上，處理范圍：壩0+025～壩0+111.4m，共布置Ⅰ序孔55個(gè)，Ⅱ序孔54個(gè)，孔距為0.8m，樁頂高程為2096.0m，高壓旋噴孔進(jìn)入基巖0.5m。

4.2施工程序

按兩個(gè)次序加密施工，即先施灌Ⅰ序孔，在施灌Ⅱ序孔加密。施工流程：旋噴孔定位→鉆機(jī)就位→鉆孔→洗孔撈渣→鉆機(jī)離開→高噴臺(tái)車就位→旋噴施工→回灌→結(jié)束。

鉆孔用經(jīng)緯儀測(cè)設(shè)定位，孔位偏差不大于3cm。灌漿采用回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，使用硬質(zhì)合金鉆頭或金剛石鉆頭鉆進(jìn)，鉆機(jī)型號(hào)：XY-2PC150型。鉆孔孔徑為Ф133mm，土層采用無泵鉆進(jìn)；壩基巖石采用清水鉆進(jìn)。鉆孔均為垂直鉆孔，要求孔斜率不大于1.5%，用JJX-3A型鉆孔測(cè)斜儀進(jìn)行鉆孔質(zhì)量檢查。

4.3高壓旋噴施工

4.3.1灌漿方法

本次高壓旋噴灌漿采用三重管法（使用輸送水、氣、漿三種介質(zhì)的三重注漿管，以35～40Mpa進(jìn)行高壓水和氣流噴射土體及強(qiáng)風(fēng)化砂頁巖體，形成較大空隙，再以灌漿泵壓入0.5～1.0Mpa的漿液填充，使土中凝固為直徑較大的圓柱體固結(jié)體。），該技術(shù)主要適用于軟弱土層、第四紀(jì)的沖、洪、殘積層、人工填土及全強(qiáng)風(fēng)化地層、砂巖風(fēng)化地層等。

4.3.2施工技術(shù)參數(shù)

高壓旋噴施工主要技術(shù)參數(shù)見表一。

表一 高壓旋噴施工主要技術(shù)參數(shù)表

水系統(tǒng) 氣系統(tǒng) 漿系統(tǒng) 提升速度（cm/min） 旋轉(zhuǎn)速度

（轉(zhuǎn)/min） 漿液密度（g/cm3） 噴嘴直徑（mm）

水壓（MPa） 水量（L/min） 氣壓（MPa） 氣量（m3/min） 漿壓（MPa） 漿量（L/min）

35～40 70～80 0.6～0.8 1 0.5～1.0 50～60 7～10 7～10 1.6～1.7 1.8～2.5

4.3.3灌漿材料

灌漿材料均采用的強(qiáng)度等級(jí)32.5KPa普通硅酸鹽水泥，每批水泥進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)均有廠方提供的檢驗(yàn)報(bào)告。

4.3.4高噴施工應(yīng)把握的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)

①鉆孔驗(yàn)收合格后，高噴臺(tái)車就位，先進(jìn)行地面試噴，調(diào)整各施工參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

②噴頭下至孔底，首先進(jìn)行原位噴射，待水泥漿液返出孔口，方可進(jìn)行提升噴射，并控制好提升速度和噴射壓力。

③高噴換管時(shí)，換管后再放下0.5m進(jìn)行復(fù)噴，復(fù)噴搭接長(zhǎng)度不低于0.5m。

④每孔終噴后及時(shí)回灌，直到孔口漿液面不再下降為止。

5 質(zhì)量檢查

根據(jù)設(shè)計(jì)和《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5200-2004）要求，該次灌漿質(zhì)量檢查用鉆孔取芯靜水頭壓（注）水實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行，還針對(duì)不同地段位置采取開挖檢查。按工程項(xiàng)目劃分，高壓旋噴灌漿6個(gè)單元。檢查孔按生產(chǎn)孔的10%確定，共11個(gè)檢查孔子，其中有5個(gè)單元分別布置2個(gè)檢查孔，有1個(gè)單元布置1個(gè)檢查孔。壓（注）水試驗(yàn)成果見表二。

表二 檢查孔壓（注）水試驗(yàn)成果表

檢查孔

編號(hào) 所在

單元 孔深 高噴

段數(shù) 高噴段長(zhǎng) 靜壓

段數(shù) 靜壓段長(zhǎng) 透水

率 實(shí)驗(yàn)日期

XJ1

XJ2 2-1-1 12.1

12.2 1 11.8～12.6 2 5.3-6.0

5.6-6.0 0.4

0.7 2006-8-4

2006-8-1

2

XJ3

XJ4 2-1-2 12.8

13.1 1 11.6～14.0 2 5.7-6.0

5.9-6.0 0.4

0.3 2006-7-27

2006-8-6

2

XJ5

XJ6 2-1-3 14.8

15.7 1 13.6～16.0 3 4.0-5.0

4.5-5.0 0.5

0.5 2007-8-8

2007-8-8

3

XJ7

XJ8 2-1-4 21.1

14.3 1 12.5～23.0 4 4.8-5.0

3.8-5.0 0.5

1.3 2007-8-11

2007-8-7

3

XJ9

XJ10 2-1-5 17.4

14.9 1 11.4～20.3 3 5.0-5.2

3.6-5.0 0.8

0.4 2007-8-10

2007-8-11

3

XJ11 2-1-6 16.3 1 14.2～15.9 3 3.7-5.0 0.7 2007-8-8

3#檢查坑 2-1-4 坑深5米，K=3.78×10-5cm/s 2.9 2006-12.31

6 高噴灌漿防滲效果

水庫壩體防滲處理，通過檢查孔取芯、壓（注）水試驗(yàn)質(zhì)量檢查，巖芯呈短柱狀，灰色。為灰黃色壩土置換剩余固體顆粒與水泥漿混合膠結(jié)體，以及強(qiáng)風(fēng)化紫紅色砂巖與水泥膠結(jié)的凝結(jié)體，膠結(jié)良好。11個(gè)檢查孔壓（注）水試驗(yàn)30段，透水率0.1～1.5Lu，平均透水率0.6Lu。通過開挖3個(gè)檢查坑檢查，滲透系數(shù)為K=3.78×10-5cm/s（q=2.9Lu），均達(dá)到設(shè)計(jì)（q≤5Lu）要求。無論是在壩土填筑地層內(nèi)還是在強(qiáng)風(fēng)化砂頁巖層內(nèi)，井內(nèi)連續(xù)防滲體搭接厚度均超過設(shè)計(jì)搭接厚度，噴射效果佳，成墻效果明顯。

質(zhì)量評(píng)定109個(gè)高壓旋噴灌漿孔全部?jī)?yōu)良，優(yōu)良率100%，6個(gè)單元全部?jī)?yōu)良，優(yōu)良率100%。

7 結(jié)論

由于高壓旋噴注漿使用的壓力大，當(dāng)它連續(xù)和集中地作用在土體上時(shí)，它對(duì)粒徑很小的細(xì)粒土和粒徑大的卵石、碎石土均有巨大的沖擊破碎和攪動(dòng)作用，使注入漿液和壩土均勻拌合凝固為新的固結(jié)體而形成防滲墻體。高噴防滲墻具有1、直徑大，2、重量輕，3、防滲性強(qiáng)，4、強(qiáng)度高，5、使用年限長(zhǎng)等特點(diǎn)。

水庫壩體高壓旋噴灌漿施工的優(yōu)點(diǎn)：施工需要的場(chǎng)地小，施工工序少、不需開挖，減少基坑滲水量，降低施工難度、簡(jiǎn)便。缺點(diǎn)：投資偏高。

經(jīng)高壓旋噴防滲墻實(shí)施結(jié)束，新屯水庫大壩防滲墻無論是檢查孔的各項(xiàng)防滲批標(biāo)還是實(shí)際防滲觀測(cè)結(jié)果，都說明了防滲墻具有很好的防滲效果。

高壓旋噴防滲墻在軟弱土層、第四紀(jì)沖、洪、殘積層、人工填土及全強(qiáng)風(fēng)化層、砂巖風(fēng)化地層等多種地層中具有較好的防滲作用。