高壓擺噴疊加膏狀灌漿施工技術(shù)在富含卵石河床圍堰防滲中的應(yīng)用

陳志闊（上海建工一建集團(tuán)有限公司，上海 200120）

0 引 言

岷江干流都江堰城區(qū)河段徑流年內(nèi)分配不均，平、枯水期（ 10 月～次年 6 月） 9 個(gè)月中河道干涸見底，特別在上游紫坪鋪水庫修建后，河流枯水期斷流時(shí)間增長，對岷江干流都江堰城區(qū)河段生態(tài)環(huán)境的影響更加嚴(yán)重。每年汛期上游來水夾帶大量的卵石沖刷河床，導(dǎo)致河床砂石層堆積變厚，對圍堰成型后的防滲效果帶來影響。

高壓擺噴墻作為水利工程縱向圍堰較為常見的防滲措施，由于其高效性、施工便捷性，被廣泛應(yīng)用于圍堰堰基防滲處理中，但在卵石層較厚的河床內(nèi)，單純采用高壓擺噴工藝很容易導(dǎo)致滲水情況的發(fā)生，因此采用高壓擺噴疊加膏狀灌漿的施工工藝更為高效。

1 工程概況

根據(jù)本工程樞紐布置情況及地形、水系特點(diǎn)，可充分利用左、右岸為主河槽、中部為河漫灘的地形條件，按先左后右的順序分二期施工。一期圍堰為 10～5 月枯水期土石圍堰，按 10～5 月 10 年一遇最大瞬時(shí)流量為 354.9 m3/s計(jì)算，相應(yīng)一期圍堰下游水位為 689.9 m；根據(jù)《水利水電工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 623-2013）中束窄河床泄流能力計(jì)算公式計(jì)算得施工期河床束窄后上游水位為 691.2 m。圍堰堰頂高程按設(shè)計(jì)靜水位加波浪高及堰頂安全超高，確定上、下游橫向圍堰頂高程分別為 693.2 m、 691.8 m，軸線總長約 601 m，圍堰最大高度 4.7 m，圍堰頂寬為 5 m，迎、背水側(cè)邊坡均為 1:2.0，堰體填料為砂卵石料。上游、下游橫向圍堰采用水平鋪設(shè)土工布作為防滲措施，縱向圍堰、下游橫向圍堰采用膏狀灌漿＋高壓擺噴的方式作為防滲措施，詳見下圖 1。

圖1 圍堰防滲體系平面圖

2 圍堰防滲體系

縱向圍堰、下游橫向圍堰的堰體及堰基均采用灌漿方式形成防滲墻進(jìn)行防滲，如圖 2 所示，垂直防滲灌漿深度按深入含礫粉質(zhì)粘土層（弱透水層）以下 0.5 m 計(jì)，孔距 1 m，分兩序施工，Ⅰ序孔采用膏狀漿液灌漿，Ⅱ序孔采用高壓擺噴灌漿，如圖 3 所示，膏狀漿液灌漿總進(jìn)尺為 6 860 m，高壓擺噴灌漿總進(jìn)尺為 5 900 m。

圖2 垂直防滲體系剖面圖

圖3 孔序排列示意圖

在堰體上游坡及堰前河道鋪設(shè)復(fù)合土工膜，復(fù)合土工膜水平延伸 10 m，土工膜上下各鋪填 20 cm厚砂墊層，最后在頂面鋪填 50 cm厚鉛絲籠卵石保護(hù)，見下圖 4。

圖4 水平防滲體系剖面圖

3 膏狀灌漿施工技術(shù)

3.1 灌漿材料及漿液要求

膏狀漿液主要由水泥、粉煤灰、膨潤土、水和外加劑等材料組成。

(1) 水泥

灌漿均采用 42.5 級普通硅酸鹽水泥拌制，其質(zhì)量必須符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007 ）規(guī)范的有關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 灌漿用水應(yīng)符合拌制水工混凝土用水要求。

(3) 粉煤灰采用 Ⅱ 級粉煤灰，其品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)符合《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5055-2007 ）的要求,并按照規(guī)定要求進(jìn)行檢測。

(4) 膨潤土采用二級膨潤土，品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)符合《鉆井液材料規(guī)范》（GB/T 5005-2010 ）的規(guī)定，并按照規(guī)定要求進(jìn)行檢測。

(5) 各種外加劑的質(zhì)量須符合《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī) 范》（SL62-2014 ）的有關(guān)規(guī)定。使用時(shí)，應(yīng)按照《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5100-2014 ）的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，并按相應(yīng)要求進(jìn)行檢測。

(6) 灌漿漿液

① 膏狀漿液流變參數(shù)要求為：抗剪屈服強(qiáng)度 τ0 宜為15～35 Pa，塑性粘度 η 宜為 0.1～0.3（Pa·s），漿液密度大于 1.58 g/cm3。

② 膏狀漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度 R 28≥7.5 MPa；。

③ 膏狀漿液流動性、膠凝時(shí)間等參數(shù)、各種摻和料和外加劑摻量均通過前期的生產(chǎn)性試驗(yàn)確定。

④ 膏狀漿液配比經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)后確定，見下表 1。

表1 膏狀灌漿漿液配合比表

3.2 制 漿

(1) 制漿材料應(yīng)按漿材試驗(yàn)確定的漿液配比計(jì)量，制漿材料必須稱 量。水泥等固相材料應(yīng)采用重量稱量法稱量，稱量誤差不應(yīng)大于 5%。

(2) 配制漿液時(shí)，水泥和粉煤灰宜采用干拌法混合，加水?dāng)嚢杈鶆蚝笤偌尤肴榛驖櫷翝{，最后加入外加劑。

(3) 所用外加劑凡能溶于水者，均應(yīng)以水溶液狀態(tài)摻入。膨潤土加入前應(yīng)進(jìn)行水化溶脹 24 h以上。

(4) 漿液必須攪拌均勻，并測定漿液密度。并對漿液密度等性能進(jìn)行定期檢查，保證漿液性能符合要求。

(5)膏狀漿液采用高速攪拌機(jī)進(jìn)行拌制，攪拌速度≥ 1 200 r/min，攪拌時(shí)間≥ 2 min。漿液制備后，在儲漿桶待用期間，采用低速攪拌。

(6) 膏狀漿液自制備至用完的時(shí)間小 2 h。漿液溫度應(yīng)低于 40℃，超過規(guī)定時(shí)間、溫度者應(yīng)予舍棄。

3.3 鉆 孔

(1) 鉆孔采用 MD- 70 液壓潛孔鉆機(jī)偏心跟管鉆進(jìn)成孔，達(dá)到設(shè)計(jì)深度要求。鉆孔護(hù)壁采用 PE 管，有能承受5～10 Mpa 的壓力，能起臨時(shí)護(hù)壁作用和灌漿管的作用。鉆頭采用 φ 110～φ 130 合金球齒偏心鉆頭，跟進(jìn)套管采用Φ 110 無縫鋼管，絲扣連接。在造孔過程中須隨時(shí)記錄地層情況的變化，為下步膏狀漿液灌漿的配制和灌漿施工提供地層依據(jù)。造孔時(shí)鉆機(jī)必須，用水平尺找平機(jī)臺，以防孔斜，孔深為深入含礫粉質(zhì)粘土層 0.5 m。

(2) 鉆孔的有效深度應(yīng)達(dá)到或超過設(shè)計(jì)墻底深度，鉆孔驗(yàn)收合格后，方可進(jìn)行灌漿施工。

3.4 灌 漿

(1) 灌漿方法

① 漿液灌漿孔灌漿采用“套管法”，即直接利用套管作為注漿管，在注漿管管口安裝蓋頭連接進(jìn)漿管和壓力表，采用自下而上分段、純壓式灌漿工藝，灌漿分段長度為1.5～3.0 m。

② 套管法灌漿時(shí)，首先進(jìn)行孔底膏狀漿液注漿，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，邊拔管邊灌漿?？椎锥喂酀{結(jié)束后，在繼續(xù)灌漿的同時(shí)緩慢拔套管，當(dāng)拔管長度超過 1 根套管長度或出現(xiàn)壓力驟然下降或消失時(shí)停止拔管，進(jìn)行灌漿。

(2) 灌漿漿液變換標(biāo)準(zhǔn)

① 膏狀漿液灌注時(shí)應(yīng)根據(jù)注漿率調(diào)整膏狀漿液稠度，混合漿液固定水泥、粉煤灰、膨潤土、減水劑比例，調(diào)節(jié)水與固體材料比例（水固比），由稀到濃分為 2:1、1:1、0.8:1、0.5:1 四個(gè)級別，以稀漿開灌。

② 在某級壓力下灌漿耗漿量大于 0.5 m3/m，壓力仍沒有變化，可變濃一級漿液。

③ 在某級漿液灌注達(dá) 0.5 m3/m 且流量大于 50 L/min、壓力無明顯變化時(shí)，可越級變濃。

④ 在灌漿過程中若壓力在變化，在變化期間不得變換漿液濃度。

⑤ 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況（如塊石架空嚴(yán)重、漏量較大的孔段）可以考慮摻加促凝劑或采用速凝膏漿，以加速膏漿的凝固。

(3) 灌漿壓力

① 灌漿壓力（進(jìn)漿壓力）為 0.2～0.5 MPa，并根據(jù)灌漿試驗(yàn)情況及吸漿量大小進(jìn)行調(diào)整。

② 如果灌注時(shí)灌漿壓力長時(shí)間保持在一定范圍，即使壓力已達(dá)到以 上標(biāo)準(zhǔn)，也不提升套管，而是繼續(xù)灌注，直到壓力繼續(xù)持續(xù)上升（上升至壓力差達(dá)到 0.2 MPa）為止。

(4) 結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

① 灌漿壓力達(dá)到了規(guī)定的 0.2～0.5 MPa 壓力（初始灌漿無壓時(shí)）且 基本不吸漿（吸漿率小于 10 L/min）、或達(dá)到 0.2～0.5 MPa 的壓力差時(shí)即可結(jié)束；

② 孔口返漿，進(jìn)行封堵加壓灌注一定量后，可結(jié)束本段灌漿；

③ 如灌注速凝膏漿，如吸漿率小于 50 L/min，則改用普通膏漿繼續(xù)灌注，直到達(dá)到第一條結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

④ 本段灌漿結(jié)束后，即提升套管，直到壓力驟然下降為止。

(5) 特殊情況處理

① 施工過程中，遇大塊石和孤石，做好詳細(xì)記錄，灌漿時(shí)，兼顧空 隙大小，及時(shí)調(diào)整漿液配比，灌漿過程中采用間歇灌漿、添加速凝劑等， 以控制漿液擴(kuò)散范圍。

② 為防止套管上拔困難，在灌漿過程中每隔 10～30 min稍上拔管。尤其在間歇灌漿期間必須活動套管，當(dāng)灌漿沒有達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，提動幅 度宜?。ú怀^ 10 cm）。在灌漿過程中如果孔口已經(jīng)起壓，則緩慢提升套管，且保證在提升過程中孔口有壓，嚴(yán)禁在無壓的狀況下起拔套管。

③ 在卵石集中層，由于漏漿嚴(yán)重，此時(shí)調(diào)整膏漿漿液的流動性能指標(biāo)，采用較濃膏漿進(jìn)行快速封堵，確保架空部位封堵密實(shí)。

④ 灌注膏漿時(shí)，灌漿管路的長度一般不得超過 40 m，如果因孔位布置，需要超過 40 m 的，則進(jìn)行接力灌注。

⑤ 灌漿過程中，遇細(xì)砂和級配好的地層，吸漿量過小，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整漿液配比，采用純水泥漿液灌注。

⑥ 在被動采用了間歇灌漿（如供漿不及時(shí)）或套管被堵時(shí)，用地質(zhì)鉆機(jī)在套管內(nèi)掃孔至灌段段底以下 1.0 m，再適當(dāng)上拔套管后繼續(xù)灌注。

⑦ 施工過程中由于串孔導(dǎo)致套管不能拔起時(shí)，在原孔位旁重新鉆孔進(jìn)行灌漿施工。

4 高壓擺噴灌漿施工技術(shù)

4.1 噴漿主要技術(shù)指標(biāo)要求

高壓擺噴灌漿漿液主要材料為水泥，水泥在使用前應(yīng)作質(zhì)量鑒定，攪拌漿液所用的水應(yīng)符合混凝土拌合用水的標(biāo)準(zhǔn)。

(1) 采用強(qiáng)度等級不低于 42.5 MPa 的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，噴入漿液的水灰比為 0.8:1.0～1.0:1.0。當(dāng)需要減緩水泥漿液沉淀速度及保持良好的可噴性和改善高噴墻變形適應(yīng)能力時(shí)，可在其內(nèi)加入適量的膨潤土和碳酸鈉，膨潤土的細(xì)度應(yīng)為 200 目。

(2) 膨潤土和碳酸鈉添加料應(yīng)先在容器內(nèi)稀釋攪拌均勻，然后倒入水泥漿液內(nèi)混合攪拌均勻。稀釋膨潤土和碳酸鈉用的水量應(yīng)計(jì)入總水量，膨潤土和碳酸鈉重量應(yīng)計(jì)入總灰重。

(3) 高噴灌漿穿過卵石層并深入含礫粉質(zhì)粘土層 0.5 m ，孔距取 2.0 m，墻體的有效厚度不小于 20 cm。高噴墻需滿足以下指標(biāo)要求：

① 抗壓強(qiáng)度：R 28≥3.0 MPa；

② 抗折強(qiáng)度：T 28≥0.8 MPa；

③ 墻體滲透系數(shù)：k≤ 5×10-5cm/s；

④ 墻體允許滲透比降：J≥ 50 。

(4) 高噴墻形成后，其與截滲槽的搭接長度按不小于 1.5 m控制。

4.2 噴漿作業(yè)

(1) 泥漿的定性標(biāo)準(zhǔn)：以膨潤土、燒堿等材料組成的高固相護(hù)壁泥漿就稠度而言，一般泥漿均可送出；泥漿在孔內(nèi)不硬化固結(jié)， 7～10 a 內(nèi)高噴桿能順利插入孔底；泥漿在孔隙內(nèi)基本不流動，不凝聚；PH 值為 8～10，比重 1.1 左右。

(2) 鉆孔中發(fā)現(xiàn)大漂石影響高壓擺噴半徑時(shí)，擺噴角加大至 60 度， 并在該孔附近補(bǔ)一個(gè)高噴孔。

(3) 下噴射管前，應(yīng)進(jìn)行地面試噴并調(diào)準(zhǔn)噴射方向和擺動角度。當(dāng) 擺噴管插入預(yù)定深度時(shí)，應(yīng)及時(shí)按設(shè)計(jì)配合比制備好水泥漿液，并按以下 步驟進(jìn)行操作：

① 按規(guī)定參數(shù)進(jìn)行原位噴射。

② 按設(shè)計(jì)擺噴方法，輸入水泥漿液、水和壓縮空氣，待泵壓和風(fēng)壓 升至設(shè)計(jì)規(guī)定值并孔口返漿且返漿比重不小于設(shè)計(jì)規(guī)定值，提升擺噴管。

③ 按設(shè)計(jì)的提升速度提升擺噴管，進(jìn)行由下而上的擺噴注漿作業(yè)。

(4) 在擺噴作業(yè)過程中，應(yīng)經(jīng)常測試水泥漿液的進(jìn)漿和回漿比重。 當(dāng)漿液比重與規(guī)定水灰比的漿液比重值誤差超過 0.1 時(shí)，應(yīng)立即停止擺噴 作業(yè)，并應(yīng)重新調(diào)整漿液水灰比。

(5) 水泥漿液應(yīng)隨配隨用，并應(yīng)在擺噴作業(yè)過程中連續(xù)不停地?cái)嚢?。一次攪拌量?1.0 m3/s。

(6) 擺噴注漿過程中，冒液量小于注漿量的 20 %時(shí)為正?，F(xiàn)象。超過 20 %或完全不冒漿時(shí)，應(yīng)采取下列措施：

① 當(dāng)?shù)貙又杏休^大空隙引起不冒漿時(shí)，可在空隙地段增大注漿量， 填滿空隙后再繼續(xù)擺噴。

② 當(dāng)冒漿量過大時(shí)，可通過提高噴射壓力或適當(dāng)縮小噴嘴孔徑，或加快擺動和提升速度，減少冒漿量。實(shí)施上述措施前應(yīng)事先得到監(jiān)理人批準(zhǔn)。

(7) 供漿、供氣、供水必須連續(xù)。一旦中斷，應(yīng)將擺噴管下沉至停供點(diǎn)以下 0.5 m，待恢復(fù)供應(yīng)時(shí)再擺噴提升。當(dāng)因故停機(jī)超過 3 h 時(shí)，應(yīng)對 泵體和輸漿管路妥善清洗。

(8) 當(dāng)擺噴管提升接近樁頂時(shí)，應(yīng)從樁頂以下 1.0 m 開始，慢速提升擺噴至樁頂，并在樁頂停止提升擺噴數(shù)秒。

(9) 擺噴作業(yè)完成后，應(yīng)不間斷地將冒出地面的漿液回灌到噴漿孔內(nèi)，直到孔內(nèi)的漿液不再下沉為止。

(10) 特殊情況處理

① 噴射中斷。在噴射過程中，因故中斷，中斷時(shí)間超過 30 min，準(zhǔn)確記錄中斷位置，復(fù)噴時(shí)，將噴管下入中斷處以下 50 cm 復(fù)噴搭接；如噴管下不到位，則掃孔直至搭接部位以下至少 50 cm 開始復(fù)噴。

② 若地層中空隙較大，孔口返漿濃度偏低，則減慢提升速度或進(jìn)行靜噴，直至正常為止?？卓跊]有返漿，則采用從孔口注入水泥膏漿等措施，以減少漿液流失。

③ 冒漿過大時(shí)，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理人批準(zhǔn)，采取提高噴射壓力，加快提升速度，同時(shí)對冒出地面的漿液對已灌孔進(jìn)行回填利用。

④ 高噴灌漿過程中當(dāng)發(fā)生串漿時(shí)，則填堵串漿孔，等灌漿孔高噴灌漿結(jié)束后，盡快對串漿孔進(jìn)行掃孔，進(jìn)行高噴灌漿或繼續(xù)鉆進(jìn)。

5 處理效果

根據(jù)現(xiàn)場觀察，施工過程中基坑內(nèi)部滲水點(diǎn)滲水量逐漸降低，充分印證了防滲系統(tǒng)的防滲效果明顯。施工完成后，整個(gè)垂直防滲體系的墻體滲透系數(shù) k＜ 5×10-5cm/s，基坑內(nèi)側(cè)多處滲水點(diǎn)已無明顯滲水，整個(gè)基坑滲漏量從 11 000 m3/d驟降至 3 000 m3/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)計(jì)算值 7 200 m3/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期水平，為接下來基坑內(nèi)施工提供了干地條件。

6 結(jié) 語

水利工程滲漏處理都是因地制宜的，不同的情況需要根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件選擇合理的方法進(jìn)行處理，從可行性、經(jīng)濟(jì)性、安全性及高效穩(wěn)定性等方面進(jìn)行考慮，綜合空間、時(shí)間等因素的影響，從而做出最佳選擇。

本工程地處岷江干流都江堰城區(qū)河段，如果圍堰基底滲水處理選用單一的高噴墻等方式進(jìn)行處理，由于河床表面卵石層較厚，單純的高壓擺噴難以完全堵住透水層縫隙，并且經(jīng)濟(jì)性也大打折扣。相反，在高壓擺噴的基礎(chǔ)上，疊加膏狀灌漿技術(shù)，彌補(bǔ)了高壓擺噴的不足，使垂直防滲體系優(yōu)化成一個(gè)密室的整體墻。

堰基防滲處理措施是水利工程施工過程中極為重要的一項(xiàng)措施，它不僅保證了整個(gè)工程的施工安全，還關(guān)系到工程質(zhì)量的穩(wěn)定。本文針對岷江干流都江堰城區(qū)河段河床上圍堰高壓擺噴和膏狀灌漿疊加施工技術(shù)的研究，充分考量其獨(dú)特的地質(zhì)條件，通過對設(shè)置位置、材料、結(jié)構(gòu)及施工的研究分析優(yōu)化，為以后同類工程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。