高噴灌漿與振動沉模聯(lián)合防滲技術(shù)應(yīng)用

車向群

(遼寧省本溪市水庫移民管理局，遼寧 本溪 117100)

混凝土防滲墻技術(shù)從20世紀50年代末期被引入我國后，在水庫大壩、防洪堤等防滲工程中發(fā)揮較好加固修復(fù)作用。但在實際工程應(yīng)用中仍存在一些問題，如：槽孔間接縫處理難度大、施工工效偏低、投資經(jīng)濟性差等問題。水利防滲工程中防滲墻施工技術(shù)方法較多，各有適應(yīng)性和缺陷，對于水庫大壩較深和較薄防滲墻施工，單一施工技術(shù)很難在防滲墻深度、厚度及地質(zhì)適應(yīng)性等方面均滿足工程需求，如：高噴灌漿技術(shù)，其利用高壓射流切攪被灌土體，使?jié){液與土粒摻合凝結(jié)形成防滲體，無需采用設(shè)備進行地基開挖，具有可灌性好、防滲質(zhì)量可控性好等優(yōu)點，應(yīng)用效果較好。但由于高噴灌漿噴射工藝限制，其在薄防滲墻(墻體厚度小于400mm)施工中，雖然其地質(zhì)適應(yīng)性和施工深度均較優(yōu)，但由于填筑量偏小，相應(yīng)施工綜合單價較高，經(jīng)濟性較差[1- 2]。而振動沉模技術(shù)，在薄(超薄)防滲墻施工中，具有無接縫、施工工效高、質(zhì)量和成本控制優(yōu)等特點。但該技術(shù)受沉模成墻系統(tǒng)設(shè)備性能制約，其成墻深度在20m左右，厚度在8～15cm為宜，最厚不超過20cm，很難達到壩基基巖相對不透水層。對于壩高超過20m的中小型土石壩防滲工程，如果采用單一高噴灌漿，則綜合造價較高，經(jīng)濟性偏低；如果采用單一振動沉模技術(shù)，則防滲墻深度很難貫穿整個壩體[3]。為了確保防滲工程具有較高技術(shù)可行性和經(jīng)濟性，在薄(超薄)防滲墻施工時，探索聯(lián)合高噴灌漿和振動沉模兩種防滲技術(shù)施工組合防滲結(jié)構(gòu)，融合兩種技術(shù)優(yōu)點實現(xiàn)優(yōu)勢互補，在確保防滲效果的基礎(chǔ)上，降低投資，提高工程經(jīng)濟效益。

1 聯(lián)合防滲施工技術(shù)

對于薄(超薄)防滲墻施工，振動沉模雙模板交叉施工可實現(xiàn)薄(超薄)防滲墻無接縫成墻，且施工工效相對高噴灌漿要提高1倍以上，而對于超出振動沉模施工深度(20m)部分采用高噴灌漿進行聯(lián)合防滲，其整體施工工效較單一高噴灌漿要提高50%以上。兩種施工技術(shù)相聯(lián)合，不僅可以發(fā)揮振動沉模施工工效高、高噴灌漿深度大，可深達基巖不透水層以下等優(yōu)點，同時其綜合造價較單一高噴灌漿方案要節(jié)省30%左右，經(jīng)濟效益較高。

1.1 振動沉模施工技術(shù)

振動沉模施工主要利用高頻大功率偏心力振動錘，帶動矩形空腹模板，通過高頻振動產(chǎn)生垂直激振力將模板沉入到設(shè)計深度地層，形成一定深度和厚度槽體。邊振動提升邊注入砂漿，冷凝后形成單個連續(xù)完整的防滲墻體[4]?？涨荒０宄似鸬借彶圩饔猛?，還具有護壁、振搗和接縫處理等功能。采用AB雙模板交叉循環(huán)漸進施工，可一次連續(xù)注漿冷凝形成無縫連接防滲墻，其施工工藝為：A模板就位→B模板就位，A模板下沉→B模板下沉，A模板提升灌注漿液→A模板再下沉，B模板提升灌注漿液→B模板再下沉，A模板提升灌注漿液→…，通過重復(fù)A模板和B模板的下沉和灌注漿液循環(huán)輪流施工，最終形成一道豎直連續(xù)密實防滲墻，其施工工藝流程如圖1所示。

圖1 振動沉模施工工藝流程

1.2 高噴灌漿施工技術(shù)

高壓噴射灌漿是水利防滲工程應(yīng)用成熟的一種施工技術(shù)，通過鉆機鉆孔后將帶有噴嘴的注漿管插至設(shè)計深度地層預(yù)定位置，利用高壓設(shè)備將能量較大的水氣混合漿液以脈動狀噴射沖擊切割土體和強烈擾動將土體和漿液攪拌混合，按一定漿土比進行重新排列后凝固后形成凝結(jié)體，從而達到提高大壩壩基抗?jié)B性能和承載力[5]。高噴灌漿施工工藝為：灌漿試驗→放樣及鉆機就位→鉆孔及下注漿管→灌漿噴射→回灌封孔等[6]，具體施工流程如圖2所示。

圖2 高噴灌漿施工流程

2 大壩加固聯(lián)合防滲施工應(yīng)用

2.1 工程概況

工程屬于小(Ⅰ)型已建水庫，壩址控制流域面積29.16km2，總庫容433萬m3，興利庫容360萬m3。工程于1972年開始修建，1975年竣工投運。水庫以灌溉為主，兼顧?quán)l(xiāng)鎮(zhèn)防洪、城鎮(zhèn)供水和引水發(fā)電等功能。大壩為均質(zhì)土壩，壩基高程148.00m，壩頂高程176.50m，最大壩高28.50m，正常蓄水位172.90m，設(shè)計洪水位173.70m，校核洪水位174.35m。

2.2 大壩病險現(xiàn)狀

建成初次蓄水時，水庫即存在局部滲漏問題，隨降低蓄水水位至168.50m，低水位帶病運行。雖歷經(jīng)1985年和1996年兩次培厚加固處理，但僅對嚴重病險進行局部處理，未進行全面安全復(fù)核和分析。2010年以后巡視人員在壩體下游壩坡中下部發(fā)現(xiàn)大面積濕坡，壩體局部存在管涌、射流等滲漏問題。2013年，水庫列入《全國重點小型病險水庫除險加固項目》，經(jīng)現(xiàn)場踏勘和鉆芯取樣試驗，大壩壩體和壩基存在嚴重滲漏，同時左岸壩肩還存在繞壩滲漏問題。壩基和壩體滲透系數(shù)為7.22×10-5～4.68×10-4cm/s，屬中等透水性。施工時壩基清理不徹底、裂隙基巖未進行灌漿充填處理、壩肩山坡接合槽挖填深度不夠、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差等是導(dǎo)致大壩壩體和壩基滲漏的主要原因。經(jīng)安全鑒定，大壩為“三類壩”，滲漏點多、面廣、總滲漏量大且逐年加劇，存在嚴重安全隱患直接危及到水庫功能的正常穩(wěn)定發(fā)揮，急需進行全面除險加固處理。

2.3 大壩防滲加固方案

壩基接觸帶為強風(fēng)化晶洞鉀長花崗巖，深3m左右，小斷層及節(jié)理裂隙發(fā)育且?guī)r體完整性較差。鑒于壩體土質(zhì)密實度不均一、填筑土滲透性差異較大、壩體滲漏和壩基(肩)繞壩滲漏等問題，大壩需要進行整體防滲加固處理。根據(jù)大壩最大壩高僅有28.50m，防滲板墻厚度較薄僅15cm，填筑量較小等特點。同時，考慮到上游面采用土工膜防滲其與兩岸結(jié)合可靠性較難保證、高壓旋噴樁施工難度大，成墻造價高、劈裂灌漿對壩體結(jié)構(gòu)擾動較大等問題。結(jié)合壩址區(qū)水文地質(zhì)勘察結(jié)果，決定壩體中上部(20m)采用振動沉模板墻，厚15cm；壩基與壩肩間采用高壓噴射防滲墻，厚5～30cm；板墻與防滲墻間采用1m深高噴灌漿進行搭接，以形成連續(xù)完整大壩垂直防滲幕墻，如圖3所示。

圖3 振動沉模與高噴灌漿組合防滲結(jié)構(gòu)

(1)壩基高噴防滲墻施工

壩身157.50m以下9.5m均采用高壓旋噴灌漿，鉆孔孔距1.5m，防滲墻厚度5～30cm，嵌入基巖深度不小于3m，達基巖不透水層。高壓噴射管達到設(shè)計地層深度后，通過送空氣和水將水泥漿(漿液水灰比為1.5∶1～0.6∶1，水泥強度為42.5級普通硅酸鹽水泥)以高壓射流形式靜噴5min，待灌漿孔口回漿比重>1.3g/cm3后開始提升噴射管進行旋轉(zhuǎn)噴射。旋噴轉(zhuǎn)速10r/min，提升速度控制在15cm/min左右。施工樁距控制在1.5m，雙排均布。高噴灌漿全程中，嚴格控制施工質(zhì)量，出現(xiàn)灌漿壓力突降或驟增、回漿比重低等異常情況時，應(yīng)及時停止灌漿，待查明原因后方可繼續(xù)施工[7]。

(2)壩體振動沉模防滲板墻施工

防滲板墻布置在壩體中上部，兩岸深入壩肩10m，深入壩體20m。采用頻率為1050次/min，激振力為230kN的高頻液壓振動錘施工。放樣測量誤差控制在2cm以內(nèi)，并沿防滲板墻軸線開挖樁機導(dǎo)向槽，槽尺寸為0.4m(寬)×0.6m(深)，導(dǎo)向槽中心線與防滲墻中心線偏差控制在3cm以內(nèi)。采用42.5R級普通硅酸鹽水泥，水料比控制在0.5以內(nèi)，漿液密度1.9～2.0g/cm3。模板提升速度宜控制在1～2m/min，并嚴格控制模板提升速度與注漿量間的匹配性，同時嚴格控制槽板間開叉和槽板間接縫問題，確保振動沉模防滲板墻具有良好施工質(zhì)量。

3 聯(lián)合防滲加固修復(fù)效果分析

(1)壩基防滲加固修復(fù)效果

大壩壩體下部及壩基采用高噴灌漿深入基巖不透水層，共計完成鉆孔512孔，鉆孔總進尺6701m。工程竣工后，現(xiàn)場開完5處進行觀測，高壓旋噴防滲墻成墻明顯，巖芯連續(xù)密實均勻，樁間搭接良好，泥結(jié)厚度19～28cm?？孜黄睢⒖咨钌疃群颓度牖鶐r深度均滿足設(shè)計要求。根據(jù)高噴灌漿鉆孔布置，選擇5個鉆孔采用降水頭注水試驗和室內(nèi)抗壓檢測，抽檢結(jié)果見表1。

表1 高噴灌漿鉆孔抽檢結(jié)果

抽檢結(jié)果表明，防滲墻滲透系數(shù)最大為5.7×10-7，滿足設(shè)計≤1×10-6指標(biāo)要求；芯樣抗壓強度在3.68MPa以上，大于設(shè)計2.5MPa指標(biāo)要求。通過高噴灌漿在大壩下部及壩基形成一道連續(xù)、完整和密實的防滲墻帷幕，阻斷了大壩壩基繞壩滲漏通道，防滲質(zhì)量好[8]。

(2)壩體防滲加固修復(fù)效果

大壩高噴防滲墻施工結(jié)束后即進入振動沉模超薄防滲板墻施工，總歷時52d，總完成板墻面積3128.50m2，充分發(fā)揮了振動沉模超薄防滲板墻施工工效快、經(jīng)濟效益高等優(yōu)勢。同時，采用高壓噴射與振動沉模相結(jié)合的組合防滲結(jié)構(gòu)，有效解決了大壩防滲墻與基巖的結(jié)合問題。由于振動沉模防滲板墻厚僅有15cm，根據(jù)設(shè)計要求采取探坑開挖與墻體取樣室內(nèi)檢測來共同分析振動沉模防滲板墻施工質(zhì)量。探坑開挖和墻體取樣直觀觀測，在壩體上半部形成一道連續(xù)完整的防滲板墻帷幕，周圍土體被振動擠壓范圍為模板厚度的2～3倍。防滲墻板一方面通過灌漿充填壩體中的裂隙、空洞和滲漏通道，另一方面通過擠壓周圍土體，利用土體后期回彈作用可以加強土與防滲板墻間的結(jié)合度。通過防滲墻體取樣7d室內(nèi)檢測，其試驗結(jié)果見表2。

表2 振動沉模墻體取樣室內(nèi)檢測結(jié)果

墻體取樣試驗表明，振動沉模防滲板墻抗壓強度大于4.95MPa，滲透系數(shù)小于8.1×10-7，均超過設(shè)計指標(biāo)要求。防滲板墻整體連續(xù)完整且密實度高，有效阻斷了大壩上半部分壩體的滲漏通道，且振動沉模施工對周圍土體進行壓縮，大壩滲透穩(wěn)定和變形穩(wěn)定得到有效提高。

4 結(jié)論

中小型水庫大壩薄(超薄)防滲墻施工中，采用高噴灌漿與振動沉模聯(lián)合形成組合防滲結(jié)構(gòu)，既有效阻斷了壩基和壩體滲漏通道，同時也解決了防滲墻和基巖的結(jié)合問題。

(1)高噴灌漿地質(zhì)適應(yīng)性，可灌性好，但綜合造價較高；振動沉模施工工效高，造價便宜，但其深度局限性較大，只能達20m，25m為極限。將高噴灌漿與振動沉模聯(lián)合，壩體中上部采用振動沉模，下部及壩基采用高噴灌漿，形成組合防滲結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)兩種防滲技術(shù)優(yōu)勢互補，確保施工具有技術(shù)可實施性和經(jīng)濟優(yōu)越性。

(2)大壩上半部20m采用振動沉模，下部及壩基9.5m采用高噴灌漿，并嵌入基巖3m以上深達不透水層。水頭注水試驗和室內(nèi)抗壓檢測結(jié)果表明：高噴灌漿和振動沉模聯(lián)合施工形成的組合防滲結(jié)構(gòu)，抗壓強度和滲透系數(shù)均滿足設(shè)計指標(biāo)要求，施工質(zhì)量較好。

(3)防滲板墻投入運行后，大壩防滲性能得到全面提升，壩體滲漏點消失，壩肩繞壩滲漏量明顯降低，確保了水庫灌溉、城鎮(zhèn)供水和引水發(fā)電等功能正常穩(wěn)定發(fā)揮。