高壓旋噴灌漿在新屯水庫除險加固工程中的應用

楊光志

云南省宣威市水務局 云南宣威 655400

摘要：新屯水庫壩址區(qū)地處炎方、新屯山間溶蝕盆地的過度地帶，砂頁巖地層小褶皺發(fā)育，為壓扭性斷層，斜穿右壩肩。原壩土填筑料大多為砂巖風化料，且碾壓質(zhì)量差，形成外壩大量滲漏，下游壩腳滲漏量為0.025m3/s，年滲漏量78.84萬m3，并在壩坡上發(fā)生滲透破壞，該工程除險加固能否成功，關(guān)鍵在于防滲處理能否成功。常規(guī)帷幕灌漿很難滿足要求，粘土斜墻防滲也難滿足要求，塑性砼防滲墻難予成槽，經(jīng)多方比較，選用高壓旋噴灌漿作為防滲處理措施，實施結(jié)束經(jīng)鉆孔取芯壓水試驗檢查，試驗指標透水率q﹤5lu，達到了設(shè)計防滲標準。

關(guān)鍵詞：土壩；高壓旋噴；防滲處理

1 工程概況

新屯水庫位于沾益縣炎方鄉(xiāng)西河村，水庫控制徑流面積46.0 km2，大壩為均質(zhì)土壩，壩高18.0m，壩頂長170.0m，壩頂寬4.0m。總庫容1300萬m3，工程規(guī)模為中型，工程等別為三等。攔河壩為3級建筑物，設(shè)計洪水標準，500年一遇，校核洪水標準為1000年一遇。該水庫1958年10開工，1959年10月竣工，由于受當時的技術(shù)條件限制，大壩碾壓均采用人工石碾，壩體碾壓質(zhì)量較差，經(jīng)擊實試驗檢查，壩土壓實度僅為0.63～0.88，不符合設(shè)計要求，且壩體填筑材料質(zhì)量差異較大，特別是壩頂以下7米的壩土填筑料大多為砂頁巖風化料。形成壩體、壩基大量滲漏，經(jīng)實測下游壩腳滲漏量為0.025m3/s，下游壩坡出現(xiàn)大面積浸潤現(xiàn)象，并在壩坡上發(fā)生滲透破壞。經(jīng)安全鑒定，滲流安全性為C級；鑒于新屯水庫存在的病險狀況及該水庫每年可向下游提供1681萬m3的用水量，對宣威市國發(fā)經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展起著重要作用。該工程于2003年12月以云水規(guī)計[2003]117號文批準除險加固。

2 工程地質(zhì)概況

壩址區(qū)地處炎方、新屯山間溶蝕盆地的過度地帶，屬溶蝕—侵蝕中低山地貌。山體多呈北西、南東走向，自然坡度100～360，壩址河床寬50米，河床坡降平緩為2.86‰，河床兩岸見有不對稱的一級階地，壩址上游河谷逐漸開闊、下游河谷平順。

壩址區(qū)C3m、P3L地層總體呈單斜產(chǎn)出，走向北東，傾向北西，傾角150～360，砂頁巖地層內(nèi)小褶皺發(fā)育，壩址區(qū)發(fā)育F1、F2、F3、F4斷層，走向北東，傾向北西，傾角590，為壓扭性斷層，斜穿右壩肩。與壩軸線呈400角相交，破碎帶寬2～3m，由角礫巖和碎裂巖組成，鈣、鐵泥質(zhì)膠結(jié)。

3 技術(shù)處理方案

針對壩體的防滲加固處理，本次設(shè)計主要進行了三種：1、高壓旋噴灌漿；2、塑性混凝土防滲薄墻；3、劈裂灌漿結(jié)合高壓旋噴；從施工難度、投資等方面對三種方案進行比較，具有處理深度大，對地層適應性較強，可灌性、可控制性好，板墻強度高、墻體較厚、墻體耐久性好、使用年限長等特點。最后確定高壓旋噴灌漿方案作為壩體加固防滲處理的措施，壩基采用常規(guī)帷幕灌漿。實施過程中，原設(shè)計二疊系梁山組強風化砂質(zhì)頁巖層段采用帷幕灌漿施工，在高噴生產(chǎn)性試驗中，該層段鉆孔時，出現(xiàn)孔口不返水、地層滲水嚴重，注漿難、芯難取易碎、固體顆粒小等現(xiàn)象，若采用帷幕灌漿施工效果不理想，故將該地層段改為高噴施工。通過施工該層置換出大量砂土，置換率高，切割范圍達到預期效果，并將高噴底界深入灰?guī)r0.5m，用高噴解決了全強風化砂質(zhì)頁巖層及砂土層注漿難的問題，又能使樁體底部支撐體的承載力得予大大提高。并降低該里程內(nèi)原帷幕灌漿起灌高程，與相對應高噴底界搭接2.5m。從而保證帷幕灌漿防滲墻與高噴防滲墻有效地連接成一體。高壓旋噴適用于砂類土、粘性土、黃土和淤泥地基。

高噴墻在壩軸線上單排布置。設(shè)計旋噴孔距為0.8 m，樁徑1.0m，經(jīng)計算其搭接最小厚度為0.663m，高壓旋噴孔深入基巖0.5m。

高壓旋噴板墻的控制指標如下：凝結(jié)體的滲透系數(shù)不大于1.0×10-5cm/s，彈性模量不大于1.0×103Mpa，抗壓強度不低于10.0Mpa。

4 高壓旋噴灌漿施工

4.1高壓旋噴孔的布置

高壓旋噴布置于壩軸線上，處理范圍：壩0+025～壩0+111.4m，共布置Ⅰ序孔55個，Ⅱ序孔54個，孔距為0.8m，樁頂高程為2096.0m，高壓旋噴孔進入基巖0.5m。

4.2施工程序

按兩個次序加密施工，即先施灌Ⅰ序孔，在施灌Ⅱ序孔加密。施工流程：旋噴孔定位→鉆機就位→鉆孔→洗孔撈渣→鉆機離開→高噴臺車就位→旋噴施工→回灌→結(jié)束。

鉆孔用經(jīng)緯儀測設(shè)定位，孔位偏差不大于3cm。灌漿采用回轉(zhuǎn)式鉆機，使用硬質(zhì)合金鉆頭或金剛石鉆頭鉆進，鉆機型號：XY-2PC150型。鉆孔孔徑為Ф133mm，土層采用無泵鉆進；壩基巖石采用清水鉆進。鉆孔均為垂直鉆孔，要求孔斜率不大于1.5%，用JJX-3A型鉆孔測斜儀進行鉆孔質(zhì)量檢查。

4.3高壓旋噴施工

4.3.1灌漿方法

本次高壓旋噴灌漿采用三重管法（使用輸送水、氣、漿三種介質(zhì)的三重注漿管，以35～40Mpa進行高壓水和氣流噴射土體及強風化砂頁巖體，形成較大空隙，再以灌漿泵壓入0.5～1.0Mpa的漿液填充，使土中凝固為直徑較大的圓柱體固結(jié)體。），該技術(shù)主要適用于軟弱土層、第四紀的沖、洪、殘積層、人工填土及全強風化地層、砂巖風化地層等。

4.3.2施工技術(shù)參數(shù)

高壓旋噴施工主要技術(shù)參數(shù)見表一。

表一 高壓旋噴施工主要技術(shù)參數(shù)表

水系統(tǒng) 氣系統(tǒng) 漿系統(tǒng) 提升速度（cm/min） 旋轉(zhuǎn)速度

（轉(zhuǎn)/min） 漿液密度（g/cm3） 噴嘴直徑（mm）

水壓（MPa） 水量（L/min） 氣壓（MPa） 氣量（m3/min） 漿壓（MPa） 漿量（L/min）

35～40 70～80 0.6～0.8 1 0.5～1.0 50～60 7～10 7～10 1.6～1.7 1.8～2.5

4.3.3灌漿材料

灌漿材料均采用的強度等級32.5KPa普通硅酸鹽水泥，每批水泥進入施工現(xiàn)場均有廠方提供的檢驗報告。

4.3.4高噴施工應把握的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)

①鉆孔驗收合格后，高噴臺車就位，先進行地面試噴，調(diào)整各施工參數(shù)達到設(shè)計要求。

②噴頭下至孔底，首先進行原位噴射，待水泥漿液返出孔口，方可進行提升噴射，并控制好提升速度和噴射壓力。

③高噴換管時，換管后再放下0.5m進行復噴，復噴搭接長度不低于0.5m。

④每孔終噴后及時回灌，直到孔口漿液面不再下降為止。

5 質(zhì)量檢查

根據(jù)設(shè)計和《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5200-2004）要求，該次灌漿質(zhì)量檢查用鉆孔取芯靜水頭壓（注）水實驗的方法進行，還針對不同地段位置采取開挖檢查。按工程項目劃分，高壓旋噴灌漿6個單元。檢查孔按生產(chǎn)孔的10%確定，共11個檢查孔子，其中有5個單元分別布置2個檢查孔，有1個單元布置1個檢查孔。壓（注）水試驗成果見表二。

表二 檢查孔壓（注）水試驗成果表

檢查孔

編號 所在

單元 孔深 高噴

段數(shù) 高噴段長 靜壓

段數(shù) 靜壓段長 透水

率 實驗日期

XJ1

XJ2 2-1-1 12.1

12.2 1 11.8～12.6 2 5.3-6.0

5.6-6.0 0.4

0.7 2006-8-4

2006-8-1

2

XJ3

XJ4 2-1-2 12.8

13.1 1 11.6～14.0 2 5.7-6.0

5.9-6.0 0.4

0.3 2006-7-27

2006-8-6

2

XJ5

XJ6 2-1-3 14.8

15.7 1 13.6～16.0 3 4.0-5.0

4.5-5.0 0.5

0.5 2007-8-8

2007-8-8

3

XJ7

XJ8 2-1-4 21.1

14.3 1 12.5～23.0 4 4.8-5.0

3.8-5.0 0.5

1.3 2007-8-11

2007-8-7

3

XJ9

XJ10 2-1-5 17.4

14.9 1 11.4～20.3 3 5.0-5.2

3.6-5.0 0.8

0.4 2007-8-10

2007-8-11

3

XJ11 2-1-6 16.3 1 14.2～15.9 3 3.7-5.0 0.7 2007-8-8

3#檢查坑 2-1-4 坑深5米，K=3.78×10-5cm/s 2.9 2006-12.31

6 高噴灌漿防滲效果

水庫壩體防滲處理，通過檢查孔取芯、壓（注）水試驗質(zhì)量檢查，巖芯呈短柱狀，灰色。為灰黃色壩土置換剩余固體顆粒與水泥漿混合膠結(jié)體，以及強風化紫紅色砂巖與水泥膠結(jié)的凝結(jié)體，膠結(jié)良好。11個檢查孔壓（注）水試驗30段，透水率0.1～1.5Lu，平均透水率0.6Lu。通過開挖3個檢查坑檢查，滲透系數(shù)為K=3.78×10-5cm/s（q=2.9Lu），均達到設(shè)計（q≤5Lu）要求。無論是在壩土填筑地層內(nèi)還是在強風化砂頁巖層內(nèi)，井內(nèi)連續(xù)防滲體搭接厚度均超過設(shè)計搭接厚度，噴射效果佳，成墻效果明顯。

質(zhì)量評定109個高壓旋噴灌漿孔全部優(yōu)良，優(yōu)良率100%，6個單元全部優(yōu)良，優(yōu)良率100%。

7 結(jié)論

由于高壓旋噴注漿使用的壓力大，當它連續(xù)和集中地作用在土體上時，它對粒徑很小的細粒土和粒徑大的卵石、碎石土均有巨大的沖擊破碎和攪動作用，使注入漿液和壩土均勻拌合凝固為新的固結(jié)體而形成防滲墻體。高噴防滲墻具有1、直徑大，2、重量輕，3、防滲性強，4、強度高，5、使用年限長等特點。

水庫壩體高壓旋噴灌漿施工的優(yōu)點：施工需要的場地小，施工工序少、不需開挖，減少基坑滲水量，降低施工難度、簡便。缺點：投資偏高。

經(jīng)高壓旋噴防滲墻實施結(jié)束，新屯水庫大壩防滲墻無論是檢查孔的各項防滲批標還是實際防滲觀測結(jié)果，都說明了防滲墻具有很好的防滲效果。

高壓旋噴防滲墻在軟弱土層、第四紀沖、洪、殘積層、人工填土及全強風化層、砂巖風化地層等多種地層中具有較好的防滲作用。