高壓噴射灌漿施工關(guān)鍵參數(shù)選定與研究

楊 燕，鐘喬平，趙光禮，趙學(xué)勇

(云南省紅河州水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，云南 蒙自 661199)

1 工程概況

建水縣大田水庫(kù)位于曲江鎮(zhèn)境內(nèi)的沙河中游，屬南盤江流域曲江河右岸的一級(jí)支流。大田水庫(kù)來(lái)水由本區(qū)和引水區(qū)組成，其中本區(qū)壩址以上徑流面積為2.03km2，多年平均徑流量31.5萬(wàn)m3；壩(址)以上徑流面積為108.0km2，多年平均徑流量2140萬(wàn)m3。水庫(kù)總庫(kù)容1028萬(wàn)m3，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，是一座以農(nóng)田灌溉和鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水為主的水利工程。水庫(kù)灌溉面積1.79萬(wàn)畝，年供水量937萬(wàn)m3。水庫(kù)壩址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.3g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值均為0.45s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。

水庫(kù)大壩為粘土心墻風(fēng)化料壩，壩頂高程1380.50m，壩頂寬8m，長(zhǎng)362.5m，最大壩高44.1m。壩基及兩壩肩均存在第四系松散土體和上第三系(N)砂性土孔隙性滲漏，庫(kù)區(qū)左岸中段和東部段一定深度以上存在透水層，其透水體基本由粉土、粘土質(zhì)砂，粉土和卵礫石土、礫質(zhì)土組成，庫(kù)區(qū)蓄水后會(huì)沿其向曲江壩的方向產(chǎn)生滲漏。為了減少壩基、繞壩和庫(kù)岸滲漏，防止壩基產(chǎn)生滲透破壞變形，對(duì)壩基及兩壩肩滲漏帶進(jìn)行防滲處理，由于壩基和兩壩肩均為松軟粘性土和砂性土孔隙式滲漏，采用高壓灌漿方法進(jìn)行防滲處理。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1)通過(guò)高噴灌漿試驗(yàn)確定合理的孔排距、施工參數(shù)及搭接形式，為后期施工提供依據(jù)和保證。

(2)采用不同的提升速度進(jìn)行高壓噴射試驗(yàn)，找到適合本工程的灌漿壓力、提升速度，確定適合的高壓灌漿施工參數(shù)；

(3)確定有關(guān)高壓噴射灌漿施工質(zhì)量控制的方法和參數(shù)，即壩基防滲體達(dá)到設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)k≤9.0×10-6cm/s、防滲體抗壓強(qiáng)度R28=0.7～5.0MPa，有效厚度不得小于600mm；庫(kù)區(qū)左岸滲透系數(shù)達(dá)到k≤1.0×10-5cm/s、防滲體抗壓強(qiáng)度R28=0.5～5.0MPa。

2.2 初擬灌漿參數(shù)

壩址區(qū)地層結(jié)構(gòu)似“千層餅”結(jié)構(gòu)，薄—中厚層狀的不同巖性地層呈互層狀或夾層狀產(chǎn)出，工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，為切實(shí)保證高噴灌漿試驗(yàn)的可行性，高噴灌漿試驗(yàn)采用“雙高壓三管法”(新三管法)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 主要試驗(yàn)設(shè)備

高壓噴射灌漿試驗(yàn)選擇的設(shè)備為：XY-150(14kW/17kW)型鉆機(jī)、GZB-40(90kW)型高壓注漿泵、WB-250B/50(23kW)高噴臺(tái)車。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)布置

壩址區(qū)高壓旋噴灌漿共設(shè)4個(gè)試驗(yàn)區(qū)，一、三、四試區(qū)，試驗(yàn)時(shí)分別對(duì)0.6m、0.8m孔距參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，二試區(qū)試驗(yàn)時(shí)分別對(duì)0.6m、0.8m、1.0m孔距參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。分Ⅰ序孔和Ⅱ序孔進(jìn)行試驗(yàn)，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔。試驗(yàn)布置圖如圖1—2所示。

圖1 高壓旋噴灌漿一、三、四試區(qū)試驗(yàn)布置圖

庫(kù)區(qū)左岸防滲采用高壓擺噴(擺角30°)防滲，共設(shè)5個(gè)試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)時(shí)分別對(duì)1.4m、1.6m、1.8m孔距參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔加密進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)布置如圖3所示。

圖3 高壓擺噴灌漿試驗(yàn)布置圖

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

高壓噴射灌漿試驗(yàn)采用“雙高壓三管法”(新三管法)，按照擬定的施工試驗(yàn)參數(shù)在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。施工程序分兩序孔進(jìn)行加密，即先灌Ⅰ序，再灌Ⅱ序，先灌兩邊，后灌中間，循序漸進(jìn)，逐序加密的原則進(jìn)行施工。

單孔噴射試驗(yàn)施工工序?yàn)椋簣?chǎng)地平整→測(cè)量放線→確定灌漿孔孔位(按Ⅰ序孔和Ⅱ序孔順序)→鉆機(jī)就位(校平固穩(wěn))→鉆孔→沖洗→測(cè)斜→高噴臺(tái)車就位→試噴(檢查噴管、灌漿泵、高噴機(jī)等設(shè)備運(yùn)行情況)→將噴桿或噴頭下入孔內(nèi)(設(shè)計(jì)防滲底界)→靜噴→按要求參數(shù)提升、擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)→噴桿或噴頭提升到設(shè)計(jì)防滲頂界后停噴→取出噴桿沖洗管路→噴灌結(jié)束后及時(shí)對(duì)孔口噴進(jìn)水回灌漿液→單孔噴灌結(jié)束。

高壓噴射灌漿采用純水泥漿液灌注。正常情況下水灰比為1∶1，遇到特殊情況調(diào)整水比灰為1.5∶1或0.8∶1。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 壩區(qū)旋噴灌漿試驗(yàn)結(jié)果分析

壩區(qū)旋噴灌漿試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)部位進(jìn)行了開(kāi)挖和鉆孔取芯注水試驗(yàn)，并對(duì)灌漿樁體的旋噴效果、有效直徑及搭接程度等進(jìn)行觀察檢查。檢查情況為：

(1)從檢查孔注水情況可知，當(dāng)提速增加至18cm/min、孔距0.8m時(shí)，鉆孔注水滲透系數(shù)變化不大，均小于1.0×10-5cm/s；當(dāng)提速為14cm/min、孔距1.0m時(shí)，鉆孔注水滲透系小于1.0×10-5cm/s；

(2)由于漿液注入率基本一致，噴漿水泥單位耗灰量只與旋噴提速有關(guān)，旋噴不同提速的水泥量及單耗量不同，每增加提速2cm/min，噴漿段水泥耗量將會(huì)大幅度減少，提速?gòu)?4cm/min增加至18cm/min，水泥單位耗量從491.880kg/m減少至400.76kg/m，統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 壩基、壩肩防滲不同提速水泥耗量及單位耗量統(tǒng)計(jì)表

(3)現(xiàn)場(chǎng)旋噴搭接情況表明：在致密黏性土層中，噴射直徑為0.95～1.00m，當(dāng)孔距為0.8m時(shí)，旋噴提速14cm/s時(shí)，相鄰兩孔的搭接厚度僅為0.30～0.35m，當(dāng)孔距為0.6m時(shí)，旋噴提速16 cm/s時(shí)，相鄰兩孔的搭接厚度為0.6～0.7m，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 庫(kù)區(qū)左岸擺噴灌漿試驗(yàn)結(jié)果分析

庫(kù)區(qū)左岸擺噴灌漿試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)部位進(jìn)行了開(kāi)挖和圍井鉆孔注水試驗(yàn)，并對(duì)灌漿樁體的擺噴效果、有效直徑及搭接程度等進(jìn)行觀察檢查。檢查情況為：

(1)從檢查孔注水情況隨著孔距的加大和擺噴提速的增加，圍井鉆孔注水滲透系數(shù)逐漸增大，統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表3。

表3 庫(kù)岸擺噴防滲檢查孔注水情況統(tǒng)計(jì)表

圖2 高壓旋二試區(qū)試驗(yàn)布置圖

(2)漿液注入率基本一致，噴漿水泥單位耗灰量只與擺噴提速有關(guān)，擺噴不同提速的水泥量及單耗量不同，每增加提速2cm/min，噴漿段水泥耗量將會(huì)大幅度減少，提速?gòu)?cm/min增加至16cm/min，水泥單位耗量從795.63g/m減少至412.92kg/m，統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 庫(kù)區(qū)左岸擺噴防滲不同提速水泥單耗量統(tǒng)計(jì)表

(3)在庫(kù)區(qū)左岸擺噴結(jié)束后，在第三試驗(yàn)區(qū)1.4m孔距擺噴搭接處的鉆孔取芯，經(jīng)取芯證明，在砂土、砂礫土和卵礫石土層中，1.4m孔距、提速14cm/min；1.6m、1.8m孔距、提速14cm/min均能形成搭接良好的擺噴防滲墻，但在致密黏性土層中，當(dāng)孔距為1.6m、高噴提速為12cm/min時(shí)，擺噴防滲墻沒(méi)有形成有效搭接，初擬孔距不滿足要求。如圖4所示。

圖4 高壓擺噴鉆孔取芯代表性圖片

(4)為了能形成連續(xù)的擺噴防滲墻體，且達(dá)到防滲標(biāo)準(zhǔn)，最終重新調(diào)整孔距，在致密黏性土層中新增加的1.0m、0.8m、0.6m孔距進(jìn)行擺噴(提速為14cm/min)試驗(yàn)，開(kāi)挖情況表明：1.0m孔距時(shí)可以在致密黏性土層中形成連續(xù)的擺噴防滲墻，但搭接不很緊密；0.8m、0.6m孔距擺噴在致密黏性土層中能形成連續(xù)的擺噴防滲墻，搭接完好。如圖5所示。

圖5 庫(kù)區(qū)左岸較密實(shí)粘性土中搭接試驗(yàn)開(kāi)挖檢查代表性圖片

5 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，本次試驗(yàn)結(jié)論為：

(1)灌漿施工中，漿液以純水泥漿為主，正常情況下漿液比為1∶1、漿液密度1.5g/cm3；若遇到較長(zhǎng)時(shí)間(5～10min)不返漿時(shí)，漿液比可調(diào)整為0.8∶1或0.6∶1；遇到漏漿量較大時(shí)可灌注水泥粘土漿或水泥膨潤(rùn)土漿，混合漿液配合比(重量比)可為水泥：粘土(膨潤(rùn)土)：水=1∶2∶3。

(2)庫(kù)區(qū)左岸擺噴防滲采用0.8m孔距、提速為14cm/min(水泥單耗量471.34kg/m)的擺噴施工，能達(dá)到較好的套接效果，能夠形成連續(xù)可靠的防滲墻墻體。

(3)壩基及壩肩高壓旋噴采用0.6m孔距、16cm/min提速(水泥單耗量436.88kg/m)的旋噴施工，能達(dá)到較好的套接效果，能夠形成連續(xù)可靠的防滲墻墻體。

6 效果評(píng)價(jià)

(1)大田水庫(kù)施工完畢后，對(duì)實(shí)際防滲效果進(jìn)行了檢驗(yàn)。對(duì)達(dá)到規(guī)定齡期的高噴防滲墻進(jìn)行鉆孔取芯，并采用自上而下分段進(jìn)行靜水頭壓水試驗(yàn)，然后計(jì)算出滲透系數(shù)。經(jīng)檢測(cè)壩基及左右壩肩已形成連續(xù)可靠的防滲墻，防滲墻防滲標(biāo)準(zhǔn)均小于k≤9×10-6cm/s，高噴墻體有效厚度均大于600mm，相應(yīng)成果見(jiàn)表5。

表5 壩基防滲旋噴試驗(yàn)檢查孔成果一覽表

(2)對(duì)大田水庫(kù)左岸高壓擺噴防滲墻的防滲性能進(jìn)行圍井檢查，滲透系數(shù)均小于1.0×10-5cm/s，并形成了連續(xù)可靠的擺噴防滲墻。圍井檢查數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 圍井試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)成果表

7 結(jié)語(yǔ)

按照試驗(yàn)確定的灌漿參數(shù)、灌漿試驗(yàn)工藝進(jìn)行施工，完工后通過(guò)對(duì)防滲墻進(jìn)行鉆孔取芯和圍井檢查，防滲標(biāo)準(zhǔn)均小于1.0×10-5cm/s，墻體有效厚度均大于600mm，并形成了連續(xù)可靠的防滲墻。高壓噴射灌漿針對(duì)由粉土、粘土質(zhì)砂、粉土和卵礫石土、礫質(zhì)土組成的 “千層餅”結(jié)構(gòu)，防滲堵漏技術(shù)效果顯著，具有可灌性好、可控性好、連接可靠等優(yōu)勢(shì)。但在多種土層中實(shí)施高噴防滲墻，由于不能準(zhǔn)確確定土層界面，無(wú)法保證樁徑上下相同。高壓噴射灌漿施工方便、施工質(zhì)量可以得到保障，而且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，值得在水利水電工程中推廣應(yīng)用。