防滲墻技術和粘土水泥膏漿灌漿技術在土石壩防滲加固處理中的對比研究

賀茉莉，郭澤洋，趙鐵軍，楊東升

（湖南宏禹工程集團有限公司，湖南 長沙 410007）

據(jù)大壩委員會2011 年的統(tǒng)計，全球已有10 多萬座大壩工程用于水資源的開發(fā)和利用[1]。在我國千余座病險水庫的加固工程中，有超過1/3 的土石壩采取了防滲墻施工工藝[2]；但同時，由于施工工藝的原因，地下防滲墻施工也帶來了諸多問題，對周圍環(huán)境帶來不利的影響甚至增加了工程施工的成本[3]。隨著壩體防滲技術的不斷發(fā)展，粘土水泥膏漿灌漿技術逐漸發(fā)展成熟[4]，通過在水泥漿液中加入粘土材料和改性劑而形成，能夠廣泛應用于土木工程和水利工程的防滲加固中[5]。在托口水電站[6]、南水北調中線總干渠鶴壁段生態(tài)帷幕灌漿工程[7]、江西宜豐新莊豎井帷幕灌漿處理工程[8]、湖南常德石灰礦強巖溶地區(qū)帷幕灌漿處理工程[8]、珠海竹銀壩體防滲加固工程等諸多工程中得到了廣泛的應用，取得了不同程度的防滲效果，有效地消除了工程的安全隱患。

本文結合防滲墻灌漿技術和粘土水泥膏漿脈動灌漿技術，對兩種防滲工藝的特點進行分析總結，為今后相關領域的施工提供借鑒和參考。

1 防滲機理研究

防滲墻是利用挖槽機械，在泥漿護壁保證挖槽不垮塌的條件下，在地基或壩體中挖掘槽形孔或連鎖樁柱孔，通過澆筑混凝土從而筑成一道連續(xù)的具有防滲功能的地下連續(xù)墻。從防滲墻誕生到現(xiàn)在，計算方法、施工機具、施工工藝也逐步成熟，防滲墻的結構形式也從最初的薄壁式逐步發(fā)展到了T 形、П 形、圓形、∞形、格柵形等各種形式的防滲墻形式，如圖1 所示，受力更加合理，能夠有效滿足不同工程的需要[9]。

圖1 防滲墻結構形式

脈動灌漿工藝，采用全液壓無級調速灌漿泵，借助脈動壓力促使?jié){液通過灌漿頭灌注，漿液擴散范圍能夠有效控制且均勻擴散充填透水孔隙，從而在松散透水地層內快速形成防滲效果較好的連續(xù)帷幕體。通過一次性成孔、自下而上分段、限量灌漿，形成豎直方向上的阻水幕體，如圖2 所示。

圖2 脈動膏漿灌漿機理

2 施工特點對比

2.1 防滲墻施工工藝流程

2.1.1 施工工藝流程

防滲墻施工工藝流程如圖3 所示。

圖3 防滲墻施工工藝流程

2.1.2 施工操作要點

1）施工平臺及導墻施工。為便于造孔、清渣、混凝土澆筑和交通，在施工之前需要首先對施工平臺進行施工，包括開挖壩頂土體達到作業(yè)平臺的寬度要求，平臺作業(yè)寬度一般不小于8 m，地基承載力不小于120 kN/m2。同時需要進行導墻施工，其目的是：作為測量的基準、作為重物的支撐、維持穩(wěn)定液面。

2）泥漿站、泥漿池的修建。防滲墻施工中，為保證槽孔的穩(wěn)定，需要設置泥漿站和泥漿池供應泥漿，泥漿在造孔成槽過程中起固壁、懸浮、攜渣、冷卻鉆具和潤滑的作用，成墻后還可增加墻體的抗?jié)B性能。泥漿站的作用是保證槽孔中有足夠的優(yōu)質泥漿以保證槽孔的安全和穩(wěn)定。泥漿池的作用是將成槽用的廢棄泥漿進行沉淀，然后排出。

3）槽孔施工。槽孔施工設備主要有沖擊鉆、旋挖鉆、抓斗、銑槽等成槽機械，成槽工藝一般用鉆劈法、鉆抓法、抓取法、銑削法等工藝，土層部分采用液壓抓斗機抓斗成槽，基巖面后采用沖擊鉆沖成槽。

4）混凝土（塑性混凝土）澆筑。防滲墻澆筑一般為泥漿下的混凝土澆筑，澆筑過程中要一氣呵成，澆筑要控制在一定時間內完成，澆筑間隔控制在15 min 左右。澆筑過程中澆筑導管要勻速提升。

5）防滲墻接頭處理。防滲墻連接處的接縫是墻體最容易發(fā)生滲漏的位置，針對具體的施工工藝選擇合理的接頭形式是防滲墻施工的重中之重。傳統(tǒng)的防滲墻接頭有直接連接接頭、接頭管（箱）接頭，新型接頭有“王字”接頭、雙管接頭管接頭、公母剛性接頭等[9]。

2.2 脈動膏漿施工工藝流程

2.2.1 施工工藝流程

脈動膏漿施工工藝流程如圖4 所示。

圖4 脈動膏漿施工工藝流程

2.2.2 施工操作要點

1）先導孔施工。為了使本工程處理具有針對性，抓住重點、難點、薄弱點部位，進一步優(yōu)化設計，需要利用先導孔來進行補充地質勘察工作，通過先導孔取芯、壓水試驗、注水試驗、地下水位觀測、室內土工試驗等，進一步查明工程區(qū)巖、土體的工程地質與水文地質特性，為設計可控灌漿的范圍、深度、施工工藝、灌漿參數(shù)等提供依據(jù)。

2）鉆孔施工。采用全站儀逐孔定好孔位，要求開孔位置與設計位置偏差不大于5 cm。

孔位確定無誤后，將鉆機移至核定的孔位上，采用外紅線測量儀對立軸、機架、機座進行校正，配備好鉆具，保證鉆孔開孔角度符合設計要求。

采用HGY-200C 型地質鉆機鉆進，開孔直徑為Φ110～130 mm，壩體孔徑一般不小于91 mm，壩基巖石不小于56 mm。

鉆孔以深入相對不透水層不小于1.0 m 為原則。

3）灌漿施工。嚴格按照Ⅰ序孔→Ⅱ序孔→Ⅲ序孔的灌漿順序進行灌漿作業(yè)。

灌漿深度按設計孔深控制，灌漿時將注漿管下入孔底，每灌段按0.5 m 逐步上提灌漿管，自下而上灌漿至灌漿頂部。壩體與壩基接觸段單獨分段灌漿，以2～3 m 一段。材料配比及灌漿參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 材料配比表

表2 各序孔灌漿參數(shù)參考值

控制提升標準：當達到以下條件之一，結束本段灌漿，提升灌漿管灌注下一段：

●當孔口壓力表達到設計壓力下限，單位注入量達到最大注漿量時，進行下一段注漿。

●當孔口壓力表達到設計壓力上限，單位注入量達到最小注漿量時，進行下一段注漿。

●當單位注入量達300 L/m 而未達到設計壓力下限時，進行下一段注漿。

3 常見事故及處理

3.1 防滲墻施工技術

混凝土防滲墻在施工過程中常出現(xiàn)的事故類型包括：槽壁坍塌、漏漿和斷墻，其事故原因和處理措施如下：

1）槽壁坍塌。造成槽壁坍塌的原因有槽壁土體不密實、地面載荷過大、地下水位和護壁泥漿質量的影響。

出現(xiàn)槽口槽壁坍塌問題，需要將開槽設備移開并拆除已澆筑的導墻，回填并加固孔口土體后重新開挖建造槽孔。對于孔內導墻發(fā)生坍塌時，要將孔內坍塌物掏出后澆筑回填，然后重新造孔，也可在坍塌的孔槽內加入水泥和水玻璃等材料，在漿體凝固后重新開槽。

2）漏漿。造成孔內漏漿的原因包括地層松散透水和泥漿質量差，出現(xiàn)類似問題時應加大泥漿的濃度和稠度，停止泥漿循環(huán)。

3）斷墻。斷墻事故的主要原因包括澆筑時導管提升太快或設備停電造成澆筑中斷。為避免類似事故的發(fā)生，澆筑時導管應緩慢勻速提升，且保證施工現(xiàn)場有施工用的備用電源。如果發(fā)生類似事故，應停止繼續(xù)澆筑，鑿除已澆混凝土并清孔重新澆筑。

3.2 脈動膏漿灌漿技術

脈動膏漿灌漿在施工過程中常見的事故類型包括：注漿管斷裂和注漿管埋管，其事故原因和處理措施如下：

1）注漿管斷裂。造成注漿管斷裂的主要原因有注漿管材質、注漿管絲扣類型和鉆井液類型，對于以上問題，可以選擇相應措施避免事故的發(fā)生：

●選擇材質較好、管壁較厚的注漿管，一方面可以避免斷管事故，另一方面可以延長注漿管的使用壽命。

●選擇粗牙梯形絲扣或波紋絲扣，避免使用細牙的三角形絲扣。

●優(yōu)質的鉆井液可以有效攜出巖粉，減小對注漿管的磨損，避免斷管事故的發(fā)生。

2）注漿管埋管。造成注漿管埋管的原因主要是鉆井液不能有效攜帶巖粉/泥粉到地面，在孔底形成沉積，灌漿過程中在壓力作用下形成固結。對于埋管事故，可選擇以下措施避免事故發(fā)生：

●使用優(yōu)質膨潤土鉆井液鉆孔，攜帶孔內巖粉/泥粉到孔口。

●基巖段灌漿過程中，控制灌漿量、灌漿壓力和灌漿時間，勤拔管、低壓力、多觀察，進行全方位控制。

4 工藝對比

防滲墻施工時，一般采用大型的雙輪銑、液壓抓斗、沖擊鉆機等大型設備，為滿足現(xiàn)場施工，需要開挖降低壩頂高程，擴大施工場地的范圍。脈動灌漿施工時，需要普通地質鉆機鉆孔，并配套膏漿灌漿設備即可完成施工。如表3 所示，是兩種施工工藝特點的比較。

表3 施工工藝特點比較

防滲墻施工前需要先進行導向槽施工，導向槽施工如果處理不當容易出現(xiàn)槽壁坍塌的問題，在防滲墻施工過程中，受到施工場地物料堆載、機械設備載荷及振動、護壁泥漿配合比不合理等因素的影響時，極易造成導墻坍塌或拉裂，輕則重新施工，重則對大壩壩體造成影響。防滲墻施工時若地層有滲漏時，會發(fā)生漏漿現(xiàn)象，對導墻的穩(wěn)定也有影響，如圖5 是防滲墻施工過程中導墻坍塌的現(xiàn)場照片。另外，防滲墻施工時接頭的施工工藝也非常重要，若接頭處理不好，在水庫蓄水期間，該部位是產(chǎn)生滲漏的主要位置。

圖5 水庫導墻坍塌事故

脈動膏漿灌漿技術不會對壩體造成破壞，采用項目所在地附近的粘土材料制作膏漿，和壩體的協(xié)調性、耐久性更好，成本更低。施工過程中可以根據(jù)施工工期及現(xiàn)場的需要合理布置鉆機和灌漿設備，成本及施工進度的可控制性更強。膏漿的流動性低，施工過程不易流入水庫，對環(huán)境污染更小。施工過程中出現(xiàn)了諸如斷管、埋管的孔內事故，需要對相應部位重復灌漿，但不會對壩體的結構造成影響。

5 結 論

對防滲墻施工工藝和脈動膏漿施工工藝的特點進行對比，對兩種施工工藝存在的問題進行了總結，在較高且有供水要求、環(huán)保要求高的土壩防滲施工項目中，可有針對性地采取措施，避免事故發(fā)生，為今后類似項目施工提供借鑒。

脈動膏漿灌漿技術作為一種新型灌漿方法，還需不斷地改進和總結，和目前成熟的灌漿工藝相比還有差距，需不斷完善。