高壓旋噴灌漿技術(shù)在陳源水庫除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

呂云英

(福建省南平市浦城縣蓮塘鎮(zhèn)人民政府水利工作站，福建 南平 353000)

0 前 言

中國(guó)大部分水庫興建于20世紀(jì)60-70年代末，多為當(dāng)?shù)夭牧咸钪耐潦瘔?，設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)不一，存在較多質(zhì)量缺陷，經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行，壩基和壩體出現(xiàn)不同程度的滲漏現(xiàn)象，直接影響水庫運(yùn)行和安全，亟需進(jìn)行除險(xiǎn)加固施工，確保水庫安全可靠運(yùn)行，發(fā)揮工程效益。高壓旋噴灌漿技術(shù)被廣泛運(yùn)用于土壩結(jié)構(gòu)類的水庫除險(xiǎn)加固工程，其最早于20世紀(jì)60年代末期由日本提出，從最開始的單管法先后開發(fā)出兩管法、三管法和多管法等，20世紀(jì)70年代末期在中國(guó)得到迅速發(fā)展。單管高壓旋噴灌漿技術(shù)是指通過旋轉(zhuǎn)噴嘴，利用一定的噴射壓力(一般≥20MPa)，將水泥漿液噴射而出沖擊破碎土層，并與土體結(jié)合，形成凝結(jié)體，一般樁徑為50-90cm。文章主要以陳源水庫除險(xiǎn)加固工程為例，對(duì)單管高壓旋噴灌漿技術(shù)展開討論[1]。

1 工程概況

陳源水庫位于浦城縣蓮塘鎮(zhèn)顏處村境內(nèi)，壩址以上集雨面積2.25km2。主河道長(zhǎng)2.1km，平均比降4.2%，水庫樞紐工程于1978年11月動(dòng)工興建，1981年12月竣工，水庫總庫容231.25萬m3?，F(xiàn)灌溉面積166.7hm2，下游涉及人口0.2萬，耕地面積100hm2，是一座以灌溉為主結(jié)合防洪的小(1)型水庫。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水隧洞、灌溉渠道等建筑組成。工程等級(jí)為lV等，大壩等主要樞紐建筑物為4級(jí)。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程254.30m(假設(shè)高程，下同)，最大壩高21.5m，壩頂寬4.0m，壩頂長(zhǎng)68m。大壩迎水坡為干砌石護(hù)坡，244.00m高程以上坡比為1∶2.0，以下坡比為1∶2.25。背水坡為草皮護(hù)坡，244.00m高程以上坡比為1∶2.0，壩腳為堆石排水棱體，棱體頂高程為244.00m，棱體頂寬1.5m，外坡比為1∶1.5。

陳源水庫從1981年建成至今已運(yùn)行30a，運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)庫水位在247.0m時(shí)，右壩肩下游壩坡就開始出現(xiàn)濕坡滲水，雖經(jīng)過加固處理，但效果不大，未能徹底根治。經(jīng)分析滲水主要原因?yàn)椋孩偈┕て谟覊渭缁A(chǔ)處理較差；②壩體上曾發(fā)現(xiàn)十幾處白螞蟻窩，最大蟻窩重達(dá)20kg，導(dǎo)致壩體填土變得松散，后雖經(jīng)挖除，根據(jù)相關(guān)資料及經(jīng)驗(yàn)，根治白螞蟻較為困難，因此不排除還有殘存蟻窩的可能；③據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，壩體土料為砂質(zhì)黏土，含砂率較大，壓實(shí)度低，透水性大。上述因素均會(huì)導(dǎo)致壩肩部位形成滲漏通道而發(fā)生漏水，對(duì)下游壩坡的穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響。根據(jù)《福建省南平市水利局關(guān)于陳源水庫大壩安全鑒定的報(bào)告書》和《福建省大壩安全管理工作中心對(duì)陳源水庫三類壩安全鑒定核查意見》，為確保水庫運(yùn)行安全，除險(xiǎn)加固勢(shì)在必行，主要內(nèi)容包括大壩整修及防滲加固、輸水系統(tǒng)及溢洪道加固等。陳源水庫除險(xiǎn)加固工程不僅可以保證下游灌溉用水，同時(shí)還可以保障下游人口、公路及部分企業(yè)等的防洪安全，具有顯著的社會(huì)效益和生態(tài)效益[2]。

2 單管高壓旋噴防滲墻設(shè)計(jì)

依據(jù)陳源水庫地質(zhì)勘察資料、大壩現(xiàn)有滲漏原因分析及考慮投資，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)大壩防滲方案進(jìn)行比選，最后確定大壩防滲加固處理方式為：在壩頂以下壩體采用單管高壓旋噴樁防滲墻防滲，壩基則進(jìn)行帷幕灌漿處理和大壩防滲加固設(shè)計(jì)。陳源水庫大壩防滲加固縱剖面圖，見圖1。

圖1 陳源水庫大壩防滲加固縱剖面圖

單管高壓旋噴樁防滲墻可截?cái)啻髩螡B漏通道，作為與壩基帷幕的搭接段，加強(qiáng)壩體及壩基接觸帶的防滲性和穩(wěn)定性，本工程全壩段長(zhǎng)及兩端長(zhǎng)85m(樁號(hào)壩0-006-壩0+071-0+079)采用單管高壓旋噴造防滲墻，單管旋噴在壩頂布置一排孔，位于壩軸線，鉆孔須深至壩基線以下1m，最深處至228.5m高程，單管旋噴頂高程54.30m，孔距為0.5m，總孔數(shù)171孔，2705m,總耗灰量605.9t,平均每米耗灰量為0.224t。成樁直徑≥0.65m，孔斜率≤0.8%。單管旋噴部分孔位與帷幕灌漿處鉆孔同心同孔，由于帷幕灌漿返漿容易使套管卡住拔不出，堵塞孔位或者出現(xiàn)塌孔，因此對(duì)此部分孔位不能直接重復(fù)利用，需要重新鉆孔或者進(jìn)行專門的清孔。

3 高壓旋噴灌漿施工參數(shù)選定

3.1 試驗(yàn)擬定施工參數(shù)

本工程根據(jù)《水利水電工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》(DT/T5200-2004)及已批復(fù)的《浦城縣陳源水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，制定高壓旋噴灌漿試驗(yàn)方案。高壓旋噴施工前，須選擇有代表壩區(qū)段進(jìn)行試驗(yàn)，本工程試驗(yàn)樁位置選定在水庫大壩壩頂右岸(以利于機(jī)械安裝和操作)，試驗(yàn)樁初步擬定為3根，每根樁長(zhǎng)為3m，樁距50cm，設(shè)計(jì)成樁直徑≥60cm。單排布置，灌漿噴嘴直徑選取2.5mm，按一序操作完成。采用重探50型高壓旋噴鉆機(jī)和GPB-90型三柱漿泵，自帶15KW柴油發(fā)電機(jī)。參考浦城縣泓興水利水電建筑工程有限公司已完成工程高壓旋噴樁及按設(shè)計(jì)取值范圍、規(guī)范要求擬定3組試驗(yàn)樁參數(shù)。高壓旋噴灌漿試驗(yàn)樁參數(shù)選用表，見表1。

表1 高壓旋噴灌漿試驗(yàn)樁參數(shù)選用表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

灌漿固結(jié)(試驗(yàn)樁完成3d)后，對(duì)試驗(yàn)部位進(jìn)行開挖，分層剝挖確定試驗(yàn)樁樁徑、樁與樁之間聯(lián)接是否緊密均勻等，縣水利局、建設(shè)單位、監(jiān)理單位、施工單位均派人員參加進(jìn)行觀察檢查。試驗(yàn)樁樁體挖開后出露樁體有效直徑均>65cm，灌漿范圍內(nèi)樁體呈現(xiàn)密實(shí)飽滿狀態(tài)，樁體成樁性較好。2011年10月29日監(jiān)理單位主持召開四方鑒定會(huì)議，經(jīng)設(shè)計(jì)單位、縣水利局、監(jiān)理單位、施工單位充分協(xié)商，考慮單管高壓旋噴技術(shù)一般適用于高度在20m以下的壩(效果好)，針對(duì)對(duì)接近或>20m高的大壩應(yīng)結(jié)合地質(zhì)勘測(cè)試驗(yàn)分析。由于土層沿垂直向上的變化，自上而下錘擊數(shù)總體有增大趨勢(shì)，為了保證確保樁的完整性并達(dá)到樁徑的設(shè)計(jì)值，本工程對(duì)高壓旋噴施工參數(shù)進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。自上而下：①第1段：深度15m以內(nèi)，漿液噴射壓力采用22MPa，漿液比重1.45g/cm3，提升速度采用14cm/min；②第2段：深度超過15m時(shí)，逐級(jí)增加到20m深處的噴射壓力24MPa，漿液比重則采用1.45g/cm3，提升速度采用13cm/min；③第3段：深度逐級(jí)增加到25.8m深處的噴射壓力26MPa，漿液比重則采用1.45g/cm3，提升速度采用12cm/min；漿液水灰比為：1.5∶1-1.0∶1。

4 高壓旋噴灌漿施工

4.1 施工工藝流程

本工程施工工藝流程成為：場(chǎng)地平整→放線定位→機(jī)具就位→鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高→旋噴開始→提升旋噴注漿→旋噴結(jié)束成樁→沖洗。

4.2 施工方法

1)場(chǎng)地清理平整作業(yè)，確保高壓旋噴樁樁位處地上地下均無障礙物，用黏性土回填夯實(shí)場(chǎng)地低洼處，結(jié)合施工設(shè)計(jì)預(yù)先開挖排漿溝槽以處理回漿。

2)放線定位。根據(jù)施工圖紙樁號(hào)采用全站儀放線定位出旋噴控制樁中心，孔位偏差≤5cm，使用鋼卷尺和麻線測(cè)量樁距定位每根旋噴樁位置，并用石灰做標(biāo)記，注意放線完成后需對(duì)所有噴灌孔位進(jìn)行檢測(cè)及校核，方可進(jìn)入下一道工序。本工程第一序孔施工孔距為0.5m，第二序孔孔距為0.5m。

3)機(jī)具就位。本工程采用一臺(tái)鉆機(jī)施工，鉆灌兩用(TXV-75A型鉆機(jī))，鉆機(jī)采用人力準(zhǔn)確安置于施工部位，通過水平尺和定位測(cè)錘校準(zhǔn)樁機(jī)，確保鉆桿垂直對(duì)準(zhǔn)引孔預(yù)埋管，且傾斜率≤0.8%，鉆機(jī)底座墊厚木板以保證鉆機(jī)平穩(wěn)。

4)鉆孔。鉆機(jī)對(duì)準(zhǔn)孔位旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，用水平尺掌握機(jī)身水平，確?？咨睢⒖紫?、孔位符合設(shè)計(jì)要求，力求孔徑上下均一、孔壁平順，對(duì)孔位傾斜及時(shí)糾正。插管作業(yè)與鉆孔作業(yè)同步，插管過程中高壓水噴嘴邊射水以避免泥砂堵塞噴嘴，水壓力≤1MPa，本工程鉆孔深度為壩基線以下1m，最深處至228.5m高程，至設(shè)計(jì)標(biāo)高后停止鉆進(jìn)。

5)漿液制備。漿液配制嚴(yán)格按前文高壓旋噴樁試驗(yàn)確定的施工參數(shù)，漿液密度為1.45g/cm3。施工前一小時(shí)制備漿液，往拌和機(jī)中加入水再加水泥，噴漿前確保持續(xù)攪拌，噴漿時(shí)漿液先經(jīng)過濾篩過濾才會(huì)從灰漿拌和機(jī)進(jìn)入集料斗，水泥漿通過膠管送到旋轉(zhuǎn)振動(dòng)鉆機(jī)的噴管內(nèi)，最后射出。

6)旋噴灌漿。噴射灌漿前檢查施工設(shè)備，核驗(yàn)高壓設(shè)備壓力、排量等，待噴射管下降到預(yù)定深度，依次送水、氣、漿，首次噴射時(shí)間一般為1-3min，待漿液冒出孔口開始以文章3.2節(jié)中試驗(yàn)結(jié)果擬定漿液比重、噴射壓力、提升速度提升噴射管，邊噴射邊反向勻速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)噴射至距樁頂1m時(shí)放慢提升速度，漿液高度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后將噴管拔出。孔口返出漿液即停止噴漿，注意若旋噴過程出現(xiàn)故障立即停止噴射，防止旋噴樁樁體中斷，排除故障后復(fù)噴且復(fù)噴孔段與前段搭接長(zhǎng)度>1m，防止固結(jié)體脫節(jié)。

7)沖洗。噴射施工結(jié)束后，注漿泵吸水口插入清水中以吸入清水頂出管內(nèi)剩余漿液，防止?jié){液在管內(nèi)凝結(jié)堵塞，泥漿泵、注漿管和軟管內(nèi)漿液均需排出，保證下一次噴射質(zhì)量[3]。

4.3 施工注意事項(xiàng)

4.3.1 漿液制備注意事項(xiàng)

漿液質(zhì)量直接決定了高壓旋噴防滲墻的質(zhì)量，必須嚴(yán)格把控。漿液制備主要材料為水泥，本工程均采用浙江紅火集團(tuán)生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為42.5 R及42.5R“虎球牌”普通硅酸鹽水泥；每批次水泥不僅要有質(zhì)量合格證，還需有國(guó)家認(rèn)可的質(zhì)檢部門檢測(cè)報(bào)告，全部水泥經(jīng)南平建通工程檢測(cè)有限公司試驗(yàn)室檢測(cè)其性能，各項(xiàng)指標(biāo)均要符合規(guī)范要求，本工程使用的水泥質(zhì)量全部合格。業(yè)主單位與水利主管部門出臺(tái)關(guān)于大壩高壓旋噴灌漿超水泥用量補(bǔ)助辦法，若超定額10%以上的水泥用量按現(xiàn)場(chǎng)簽證予以補(bǔ)助，該舉措可消除施工企業(yè)因水泥超用量影響效益的顧慮，有效防止偷工減料問題。

4.3.2 鉆孔注意事項(xiàng)

1)孔向。鉆孔位置應(yīng)嚴(yán)格放樣，鉆機(jī)水平位置反復(fù)調(diào)整且安裝牢固平穩(wěn)，鉆機(jī)立軸和孔口管的方向與設(shè)計(jì)孔向一致。持續(xù)從互相垂直的兩個(gè)方向觀測(cè)垂直度，及時(shí)調(diào)整偏差，輕壓慢鉆，確保鉆桿鉆進(jìn)方向始終垂直于平面，本工程要求孔斜控制在0.8%以內(nèi)。

2)孔序及孔徑。嚴(yán)格按照分序加密原則鉆進(jìn)，鉆孔開位位置與設(shè)計(jì)要求位置的偏差應(yīng)控制在10cm以內(nèi)。

3)孔深。鉆到壩體基巖交界面時(shí)應(yīng)測(cè)量鉆孔深度是否與設(shè)計(jì)相符，若沒達(dá)到設(shè)計(jì)值，可能是遇到小塊石，應(yīng)繼續(xù)鉆，若達(dá)到設(shè)計(jì)值，是已到基巖的頂層板，繼續(xù)鉆≥10min，確保下步對(duì)壩體與基巖的交界面的孔隙灌漿防滲效果?？咨畹脑试S偏差在25cm以內(nèi)。

4)孔壁。選用親水性好、分散性高、穩(wěn)定性、黏著性及可塑性強(qiáng)的當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)黏土和膨潤(rùn)土制作護(hù)壁泥漿，有效防止鉆孔坍塌。

4.3.3 灌漿注意事項(xiàng)

1)旋噴樁施工時(shí)，水庫應(yīng)控制水位不得高于死水位242.0m高程。

2)施工噴射時(shí)，先應(yīng)達(dá)到預(yù)定的噴射壓力，正?；貪{后再逐漸提升注漿管。

3)不返漿出現(xiàn)的原因有很多種，如孔洞、裂隙、碎石或地層松散吃漿量過大等，應(yīng)觀察大壩上下游面情況，及時(shí)采取處理措施。若是地層地質(zhì)原因，可停止提升噴桿，進(jìn)行多次原位復(fù)灌，以保持繼續(xù)灌漿；若是少量返漿，應(yīng)適當(dāng)降低提升速度、噴射壓力和流量，必要時(shí)還可增加漿液密度或在漿液中摻入速凝劑或灌灌停停，直到正常回漿方可提升，保證足夠的不透水性和較高的滲透穩(wěn)定性，能夠抵抗?jié)B透水作用的破壞。

4)串漿處理：灌漿過程中發(fā)現(xiàn)串漿時(shí)，宜采用下述方法處理：①如被串孔正在鉆進(jìn)，應(yīng)立即停鉆；②串漿量≤1L/min時(shí)，可在被串孔內(nèi)通入水流；③串漿量較大，盡可能與被串孔同時(shí)灌注，但應(yīng)注意控制灌漿壓力，防止巖體抬動(dòng)，當(dāng)無條件同時(shí)灌注時(shí)，應(yīng)封堵被串孔，對(duì)灌漿孔繼續(xù)灌注，直至灌漿結(jié)束，或直接跳過被串孔，待凝固期后再進(jìn)行灌注。

5)灌漿至壩基交界面時(shí)應(yīng)確保有正?；貪{，否則不能提升高度，且應(yīng)保證高度回到1m后返回交界面再重復(fù)提升，更換鉆桿時(shí)也應(yīng)下降0.5m重復(fù)灌漿，提高固結(jié)體整體性。

6)漿液的析水特性會(huì)使其在與水土攪拌混合后產(chǎn)生一定收縮，進(jìn)而導(dǎo)致少數(shù)樁頂部出現(xiàn)凹穴，遇到該情況時(shí)，可在旋噴樁施工完畢后鑿去一部分將固結(jié)體頂部，并用混凝土填補(bǔ)凹穴部位。

5 防滲加固效果分析

5.1 施工質(zhì)量檢查

5.1.1 開挖檢查

陳源水庫單管高壓旋噴防滲墻在成墻28d后開挖檢查成墻質(zhì)量，開挖檢查點(diǎn)沿墻軸線布設(shè)2處，每處開挖長(zhǎng)2-3m，深2-3m，主要檢查墻體的均勻性和完整性、墻段連接和墻厚、固結(jié)體垂直度、形狀的質(zhì)量。經(jīng)過開挖檢查，陳源水庫高壓旋噴防滲墻墻體連續(xù)性和完整性較好，墻體成型規(guī)則，同一深度上墻體厚度均勻，符合設(shè)計(jì)要求[4]。

5.1.2 鉆孔取芯檢查

陳源水庫單管高壓旋噴防滲墻在成墻28d后鉆孔取芯檢查，取芯檢查點(diǎn)沿墻軸線隨機(jī)抽布設(shè)3個(gè)，業(yè)主委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，利用鉆孔做注水試驗(yàn)，并取芯樣做室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)等物理力學(xué)性能指標(biāo)，本工程送檢0+029-0+029.5樁、0+011-0+011.5樁及0+053-0+053.5樁芯樣試件。高壓旋噴樁芯樣試件抗壓強(qiáng)度及滲透系數(shù)檢測(cè)結(jié)果，見表2。

表2 高壓旋噴樁芯樣試件抗壓強(qiáng)度及滲透系數(shù)檢測(cè)結(jié)果

續(xù)表2 高壓旋噴樁芯樣試件抗壓強(qiáng)度及滲透系數(shù)檢測(cè)結(jié)果

由表2可知，陳源水庫高壓旋噴防滲墻送檢樁芯樣試件的抗壓強(qiáng)度均>2.0Mpa，滿足設(shè)計(jì)要求。大壩高壓旋噴處理前，從壩體填方段鉆孔注水試驗(yàn)資料分析，其滲透系數(shù)為4.60×10-47-3.20×10-5cm/s，屬弱透水-中等透水；高壓旋噴灌漿處理后，送檢樁芯樣試件滲透系數(shù)為4.40×10-7-6.18×10-7cm/s，滿足K≤1×10-6cm/s，滲透系數(shù)極大減小，防滲效果顯著提高。2011年11月，陳源水庫大壩防滲加固工程中高壓旋噴樁經(jīng)監(jiān)理單位進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定，質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)良。

5.2 目測(cè)效果分析

陳源水庫除險(xiǎn)加固工程實(shí)施后，水庫已正常蓄水，壩體和壩基均未發(fā)現(xiàn)異常運(yùn)行情況。大壩經(jīng)單管高壓旋噴防滲墻處理后，通過現(xiàn)場(chǎng)觀察，壩坡、壩腳均無水滲出，高水位時(shí)下游壩坡也無濕坡現(xiàn)象，具有良好防滲效果，大壩安全指數(shù)較大程度提升，增加了下游居民的安全感，提高了水庫灌溉、供水、防洪效益，改善了保護(hù)區(qū)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生活環(huán)境。

6 結(jié) 語

陳源水庫大壩壩體采用單管高壓旋噴樁防滲墻進(jìn)行處理，施工簡(jiǎn)便、靈活，機(jī)具振動(dòng)小、噪音低。施工完成后質(zhì)量檢測(cè)方便，工程完工后水庫庫區(qū)整潔，壩面煥然一新，投入運(yùn)行至今，壩坡和壩腳未出現(xiàn)濕坡滲水現(xiàn)象，防滲性能良好。工程完工后一方面可以恢復(fù)水庫原有的設(shè)計(jì)功能，發(fā)揮工程的綜合效益，另一重要方面可正常發(fā)揮防洪效益，對(duì)確保下游防洪安全有著重要的作用，國(guó)民經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，社會(huì)效益顯著。工程實(shí)例證明單管高壓旋噴灌漿技術(shù)應(yīng)該在水庫除險(xiǎn)加固工程中被廣泛應(yīng)用。