高压喷射灌浆施工关键参数选定与研究

杨 燕，钟乔平，赵光礼，赵学勇

(云南省红河州水利水电勘察设计研究院，云南 蒙自 661199)

1 工程概况

建水县大田水库位于曲江镇境内的沙河中游，属南盘江流域曲江河右岸的一级支流。大田水库来水由本区和引水区组成，其中本区坝址以上径流面积为2.03km2，多年平均径流量31.5万m3；坝(址)以上径流面积为108.0km2，多年平均径流量2140万m3。水库总库容1028万m3，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，是一座以农田灌溉和乡镇供水为主的水利工程。水库灌溉面积1.79万亩，年供水量937万m3。水库坝址区地震动峰值加速度为0.3g，地震动反应谱特征周期值均为0.45s，相应地震基本烈度为Ⅷ度。

水库大坝为粘土心墙风化料坝，坝顶高程1380.50m，坝顶宽8m，长362.5m，最大坝高44.1m。坝基及两坝肩均存在第四系松散土体和上第三系(N)砂性土孔隙性渗漏，库区左岸中段和东部段一定深度以上存在透水层，其透水体基本由粉土、粘土质砂，粉土和卵砾石土、砾质土组成，库区蓄水后会沿其向曲江坝的方向产生渗漏。为了减少坝基、绕坝和库岸渗漏，防止坝基产生渗透破坏变形，对坝基及两坝肩渗漏带进行防渗处理，由于坝基和两坝肩均为松软粘性土和砂性土孔隙式渗漏，采用高压灌浆方法进行防渗处理。

2 试验准备

2.1 试验目的

(1)通过高喷灌浆试验确定合理的孔排距、施工参数及搭接形式，为后期施工提供依据和保证。

(2)采用不同的提升速度进行高压喷射试验，找到适合本工程的灌浆压力、提升速度，确定适合的高压灌浆施工参数；

(3)确定有关高压喷射灌浆施工质量控制的方法和参数，即坝基防渗体达到设计防渗标准k≤9.0×10-6cm/s、防渗体抗压强度R28=0.7～5.0MPa，有效厚度不得小于600mm；库区左岸渗透系数达到k≤1.0×10-5cm/s、防渗体抗压强度R28=0.5～5.0MPa。

2.2 初拟灌浆参数

坝址区地层结构似“千层饼”结构，薄—中厚层状的不同岩性地层呈互层状或夹层状产出，工程地质条件较为复杂，为切实保证高喷灌浆试验的可行性，高喷灌浆试验采用“双高压三管法”(新三管法)进行试验。

2.3 主要试验设备

高压喷射灌浆试验选择的设备为：XY-150(14kW/17kW)型钻机、GZB-40(90kW)型高压注浆泵、WB-250B/50(23kW)高喷台车。

3 试验过程

3.1 试验布置

坝址区高压旋喷灌浆共设4个试验区，一、三、四试区，试验时分别对0.6m、0.8m孔距参数进行试验，二试区试验时分别对0.6m、0.8m、1.0m孔距参数进行试验。分Ⅰ序孔和Ⅱ序孔进行试验，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔。试验布置图如图1—2所示。

图1 高压旋喷灌浆一、三、四试区试验布置图

库区左岸防渗采用高压摆喷(摆角30°)防渗，共设5个试验区，试验时分别对1.4m、1.6m、1.8m孔距参数进行试验，按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔加密进行试验。试验布置如图3所示。

图3 高压摆喷灌浆试验布置图

3.2 试验过程

高压喷射灌浆试验采用“双高压三管法”(新三管法)，按照拟定的施工试验参数在试验区进行试验。施工程序分两序孔进行加密，即先灌Ⅰ序，再灌Ⅱ序，先灌两边，后灌中间，循序渐进，逐序加密的原则进行施工。

单孔喷射试验施工工序为：场地平整→测量放线→确定灌浆孔孔位(按Ⅰ序孔和Ⅱ序孔顺序)→钻机就位(校平固稳)→钻孔→冲洗→测斜→高喷台车就位→试喷(检查喷管、灌浆泵、高喷机等设备运行情况)→将喷杆或喷头下入孔内(设计防渗底界)→静喷→按要求参数提升、摆动或旋转→喷杆或喷头提升到设计防渗顶界后停喷→取出喷杆冲洗管路→喷灌结束后及时对孔口喷进水回灌浆液→单孔喷灌结束。

高压喷射灌浆采用纯水泥浆液灌注。正常情况下水灰比为1∶1，遇到特殊情况调整水比灰为1.5∶1或0.8∶1。

4 试验结果分析

4.1 坝区旋喷灌浆试验结果分析

坝区旋喷灌浆试验结束后，对试验部位进行了开挖和钻孔取芯注水试验，并对灌浆桩体的旋喷效果、有效直径及搭接程度等进行观察检查。检查情况为：

(1)从检查孔注水情况可知，当提速增加至18cm/min、孔距0.8m时，钻孔注水渗透系数变化不大，均小于1.0×10-5cm/s；当提速为14cm/min、孔距1.0m时，钻孔注水渗透系小于1.0×10-5cm/s；

(2)由于浆液注入率基本一致，喷浆水泥单位耗灰量只与旋喷提速有关，旋喷不同提速的水泥量及单耗量不同，每增加提速2cm/min，喷浆段水泥耗量将会大幅度减少，提速从14cm/min增加至18cm/min，水泥单位耗量从491.880kg/m减少至400.76kg/m，统计见表2。

表2 坝基、坝肩防渗不同提速水泥耗量及单位耗量统计表

(3)现场旋喷搭接情况表明：在致密黏性土层中，喷射直径为0.95～1.00m，当孔距为0.8m时，旋喷提速14cm/s时，相邻两孔的搭接厚度仅为0.30～0.35m，当孔距为0.6m时，旋喷提速16 cm/s时，相邻两孔的搭接厚度为0.6～0.7m，满足设计要求。

4.2 库区左岸摆喷灌浆试验结果分析

库区左岸摆喷灌浆试验结束后，对试验部位进行了开挖和围井钻孔注水试验，并对灌浆桩体的摆喷效果、有效直径及搭接程度等进行观察检查。检查情况为：

(1)从检查孔注水情况随着孔距的加大和摆喷提速的增加，围井钻孔注水渗透系数逐渐增大，统计情况见表3。

表3 库岸摆喷防渗检查孔注水情况统计表

图2 高压旋二试区试验布置图

(2)浆液注入率基本一致，喷浆水泥单位耗灰量只与摆喷提速有关，摆喷不同提速的水泥量及单耗量不同，每增加提速2cm/min，喷浆段水泥耗量将会大幅度减少，提速从8cm/min增加至16cm/min，水泥单位耗量从795.63g/m减少至412.92kg/m，统计见表4。

表4 库区左岸摆喷防渗不同提速水泥单耗量统计表

(3)在库区左岸摆喷结束后，在第三试验区1.4m孔距摆喷搭接处的钻孔取芯，经取芯证明，在砂土、砂砾土和卵砾石土层中，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摆喷防渗墙，但在致密黏性土层中，当孔距为1.6m、高喷提速为12cm/min时，摆喷防渗墙没有形成有效搭接，初拟孔距不满足要求。如图4所示。

图4 高压摆喷钻孔取芯代表性图片

(4)为了能形成连续的摆喷防渗墙体，且达到防渗标准，最终重新调整孔距，在致密黏性土层中新增加的1.0m、0.8m、0.6m孔距进行摆喷(提速为14cm/min)试验，开挖情况表明：1.0m孔距时可以在致密黏性土层中形成连续的摆喷防渗墙，但搭接不很紧密；0.8m、0.6m孔距摆喷在致密黏性土层中能形成连续的摆喷防渗墙，搭接完好。如图5所示。

图5 库区左岸较密实粘性土中搭接试验开挖检查代表性图片

5 试验结果

根据试验结果分析，本次试验结论为：

(1)灌浆施工中，浆液以纯水泥浆为主，正常情况下浆液比为1∶1、浆液密度1.5g/cm3；若遇到较长时间(5～10min)不返浆时，浆液比可调整为0.8∶1或0.6∶1；遇到漏浆量较大时可灌注水泥粘土浆或水泥膨润土浆，混合浆液配合比(重量比)可为水泥：粘土(膨润土)：水=1∶2∶3。

(2)库区左岸摆喷防渗采用0.8m孔距、提速为14cm/min(水泥单耗量471.34kg/m)的摆喷施工，能达到较好的套接效果，能够形成连续可靠的防渗墙墙体。

(3)坝基及坝肩高压旋喷采用0.6m孔距、16cm/min提速(水泥单耗量436.88kg/m)的旋喷施工，能达到较好的套接效果，能够形成连续可靠的防渗墙墙体。

6 效果评价

(1)大田水库施工完毕后，对实际防渗效果进行了检验。对达到规定龄期的高喷防渗墙进行钻孔取芯，并采用自上而下分段进行静水头压水试验，然后计算出渗透系数。经检测坝基及左右坝肩已形成连续可靠的防渗墙，防渗墙防渗标准均小于k≤9×10-6cm/s，高喷墙体有效厚度均大于600mm，相应成果见表5。

表5 坝基防渗旋喷试验检查孔成果一览表

(2)对大田水库左岸高压摆喷防渗墙的防渗性能进行围井检查，渗透系数均小于1.0×10-5cm/s，并形成了连续可靠的摆喷防渗墙。围井检查数据见表6。

表6 围井试验现场检测成果表

7 结语

按照试验确定的灌浆参数、灌浆试验工艺进行施工，完工后通过对防渗墙进行钻孔取芯和围井检查，防渗标准均小于1.0×10-5cm/s，墙体有效厚度均大于600mm，并形成了连续可靠的防渗墙。高压喷射灌浆针对由粉土、粘土质砂、粉土和卵砾石土、砾质土组成的 “千层饼”结构，防渗堵漏技术效果显著，具有可灌性好、可控性好、连接可靠等优势。但在多种土层中实施高喷防渗墙，由于不能准确确定土层界面，无法保证桩径上下相同。高压喷射灌浆施工方便、施工质量可以得到保障，而且对环境无污染，值得在水利水电工程中推广应用。