高壓旋噴灌漿技術在小型水庫防滲加固中的應用

張 璐

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高壓旋噴灌漿技術在小型水庫防滲加固中的應用

張 璐

（黎明職業大學土木建筑工程學院，福建泉州 362000）

文章結合某小型水庫的地層地質及滲漏等情況，對比分析了水庫壩體各種防滲加固方案，從經濟性和安全性等方面考慮，選用了高壓旋噴灌漿防滲墻結合復合土工膜的防滲加固方案．通過試驗的成樁效果得出施工參數指導具體工程施工，施工后檢測證明高壓旋噴灌漿技術效果良好，該方法對水庫防滲加固具有借鑒意義．

高壓旋噴灌漿；水庫壩體；防滲加固；試驗

1 引 言

我國小型水庫數量眾多，據統計至2011年底小型水庫占水庫總數的95.2%[1]．這些小型水庫大都修建于20世紀60年代末至70年代初，由于受到當時經濟、技術以及施工管理等各方面的條件限制，工程設計標準及施工技術水平都比較低，且在建壩時沒有采取有效的防滲處理措施，使得壩體防滲效果及大壩兩端與山體結合部的防滲效果大幅度降低．經過幾十年的使用，未對壩體進行防滲加固，導致壩基、大壩兩端與山體連接處以及壩身有比較嚴重的壩基滲漏問題，影響水庫安全問題，嚴重制約了水庫的安全運行和經濟效益的發揮．因此，根據水庫本身的情況，采取必要的除險加固措施勢在必行．

2 水庫壩體防滲加固方案[2,3]

目前，水庫壩體主要的防滲加固技術有振動沉模防滲板墻、劈裂帷幕灌漿技術、復合土工膜防滲、混凝土防滲墻、高壓旋噴灌漿防滲技術等，各方案適用范圍、成墻厚度和深度見表1．綜合這幾種技術發現：高壓旋噴灌漿防滲技術適用范圍較廣，成墻深度大且厚度適中，因此，本文就高壓旋噴灌漿防滲技術作主要論述．

表1 各種防滲加固技術方案的適用范圍

3 高壓旋噴灌漿防滲加固

3.1 高壓噴射灌漿技術

高壓噴射灌漿法是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進至土層的預定深度后，用高壓設備使漿液或水成為高壓射流從噴嘴中噴射出來，沖擊破壞土體，同時鉆桿以一定速度漸漸向上提升，將漿液與土粒強制攪拌混合，使凝固的漿液在土中形成一個固結體[4]．高壓噴射灌漿技術按照噴射方式分為旋噴、擺噴、定噴三種[5]．三種方法施工均為一邊噴射一邊提升．旋噴法的噴嘴為旋轉提升，施工后在地基中形成圓柱體，稱為旋噴樁，主要用于地基和壩體加固；擺噴法噴射的方向呈較小角度來回擺動，固結體形如較厚墻狀和扇狀；定噴法噴射方向不變，固結體形為板狀或壁狀；擺噴及定噴常用于基坑防滲和邊坡穩定等工程．由旋噴樁、擺噴扇形斷面樁或定噴板狀墻段，其中的一種或兩種、三種彼此組合搭接起來，形成的地下防滲墻，稱為高壓噴射防滲墻．

當前，高壓噴射灌漿法的基本工藝類型有：單管法、二重管法、三重管法和多重管法等四種方法[4]．結合工程特點，在水壩加固中常采用旋噴的噴射方式，旋噴形式可采用單管法、雙管法和三管法．單管噴射法只以噴射水泥漿液沖擊切割破壞土體結構，使得水泥漿與土體混攪在一起；雙管噴射法在水泥漿液射流四周包裹一層高壓空氣同時噴射，減少噴射流動能的損失，提高了破壞土層結構能力，完成土顆粒的置換、填充；三管噴射法則是通過包裹高壓空氣的高壓水流沖擊切割破壞土層結構，然后以水泥漿液置換、填充．這三種噴射方法的共同點是利用高壓噴射流對土體介質進行切割破壞，使水泥漿與土體攪拌在一起．在相同的條件下，其噴射流對土體的切割破壞效果為：三管噴射法的效果最好，雙管噴射法次之，單管噴射法最差．當高壓噴射流周圍有壓縮空氣形成氣環時，氣環對噴射流切割破壞力的影響顯著，而在水下噴射時影響表現更加明顯[6]．

3.2 高壓旋噴灌漿試驗

3.2.1 施工參數計算

由高壓旋噴灌漿形成的旋噴樁組合成的防滲墻結構形式有單排、雙排和三排旋噴套接三種[3]；在同一地層中旋噴噴射直徑與噴射壓力、噴射介質的流量、提升速度、旋轉速度和土層強度之間存在密切的關系[7]．因此為了保證防滲墻的施工質量，應合理選用施工參數及施工設備．水庫防滲加固方案的施工參數必須在施工前先進行現場試驗樁確定．

（1）高壓噴射流的速度(v0)和流量(Q)[8]56-98：

式中：v—噴嘴出口流速（m/s）;—噴嘴流速系數,良好的圓錐形噴嘴≈0.97；

—重力加速度（9.81 m/s2）；P—噴嘴入口壓力（MPa）；—噴射液體密度（g/cm3）;

Q—流量（L/min）；n—噴嘴個數；F0—噴嘴出口面積（mm2）;—流量系數，圓錐形噴嘴≈0.95．

（2）試驗樁的注漿量計算方法有兩種：體積法和噴量法，取大者為噴射漿量[4,8,9]．

體積法：

噴量法：

式中：Q—需要用的漿量（m3）；D—旋噴體直徑（m）；D—注漿管直徑（m）；K—填充長度（0.75~0.9）；h1—旋噴長度（m）；K—填充長度（0.5~0.75）；h2—未旋噴長度（m）；—損失系數（0.1~0.2）；—提升速度（m/min）；—噴射長度（m）；q—單位時間噴漿量（m3/min）．

3.2.2 試驗成果分析

高壓旋噴樁凝固并且具有一定強度后，對試驗段進行開挖，檢查墻體的均勻性和樁身的完整性、固結體的垂直度、形狀及尺寸和樁與樁之間的連接情況及墻厚，驗算樁與樁搭接處的最小寬度emin，若（D為樁徑、L為樁距，單位均為m），則表明試驗結果符合要求，試驗參數可選用．

4 實例分析

4.1 工程項目概況

福建晉江流域某小型水庫是一座以灌溉為主，結合防洪、養殖的小型水庫．該水庫建于1957年，總庫容49.57萬m3，洪水位62.88 m，正常蓄水位62.35 m，設計低水位49.35 m．據調查主壩的背水坡出現不均勻分布的濕潤面和散浸現象，且主壩受白蟻侵蝕比較嚴重．在2012年3月進行安全鑒定，該水庫綜合評價為三類壩．經檢測，壩基巖土體強度能滿足壩體荷載及抗滑穩定要求，壩基穩定性較好．壩體填筑土以粉粒為主，顆粒含量差別較大，成分復雜，填筑質量不均勻．另外壩體土的標貫擊數偏低，干密度偏低，壓實度0.87～0.95，不滿足規范要求．由于該工程施工受當時條件制約，工程設計標準偏低，選料不均且輾壓不均勻，填筑土現場注水試驗滲透系數K范圍值為：6.9×10-5～2.4×10-4cm/s，平均值為1.57×10-4cm/s，大值平均值為2.57×10-4cm/s，壩體填筑土大部分呈中等透水性，僅局部呈弱透水性，中等透水區主要集中上部分壩體，壩體填筑土需要防滲處理．

4.2 工程防滲加固方案

根據水庫主壩的滲漏、地層地質和場地情況，擬選四種防滲方案，各方案進行分析比較見表2．

方案一：主壩迎水坡全部采用兩布一膜的聚乙烯復合土工膜，其型號為700 g/m2．

方案二：根據水庫主壩的地質情況，結合規范和類似工程的經驗，采用樁徑為0.6 m的高壓旋噴灌漿防滲墻，其孔距為0.5 m；鉆孔深度從壩頂至凝灰熔巖殘積粘性土層以下0.5 m．

方案三：對壩體做厚度為0.5 m混凝土防滲墻，防滲墻底部伸入凝灰熔巖殘積粘性土層以下0.5～1.0 m．

方案四：采用高壓旋噴灌漿防滲技術結合復合土工膜防滲技術，根據水庫的正常蓄水位和最低水位，主壩迎水坡56.00 m高程以上壩坡采用兩布一膜的聚乙烯復合土工膜，其型號為700 g/m2；56.00 m高程以下壩體采用樁徑為0.6 m的高壓旋噴灌漿防滲墻，其孔距為0.5 m；鉆孔深度從壩頂至凝灰熔巖殘積粘性土層以下0.5 m．

表2 各方案分析比較情況

綜合考慮以上各方案的優缺點，方案四的投資較低、防滲效果較好，解決了方案一對主壩底部防滲效果難以保證的問題．同時考慮到經濟性和水庫樞紐的安全運行問題，確定采用高壓旋噴灌漿防滲墻結合復合土工膜防滲加固方案．

4.3 高壓噴射方法和試驗孔布置

根據該水庫主壩的地質地層條件、場地情況和設計要求，高壓旋噴防滲墻的結構形式可采用較為經濟的單排旋噴套接．該水庫高壓噴射試驗按設計樁距0.5 m分別布置兩組試驗段，每組3孔，孔深應進入相對不透水層，深度均為3 m；A組試樁在平行設計旋噴軸線下游側，B組試樁在平行設計旋噴軸線上游側．試驗段樁孔布置見圖1．

4.4 施工技術參數的確定

該水庫主壩進行高壓旋噴灌漿過程的主要技術參數：灌漿壓力25～40 MPa，漿液流量70～100 L/min，漿液比重為1.4～1.5 g/cm3，提升速度10～20 cm/min，旋轉速度8～16 r/min，鉆孔孔斜率≤1%，旋噴樁間距為0.5 m，樁徑為0.6 m，樁與樁搭接長度≥0.1 m．根據工程的實際地質情況和經驗設計參數，選取試驗段試驗樁的施工參數見表3．

4.5 兩組試驗樁的參數和確定水泥用量

（1）由公式（3-1）得，A、B兩組試驗樁的漿液量分別為71（L/min）和75（L/min），均符合設計要求．

（2）由公式（3-2）、（3-3）得，A、B兩組試驗樁的注漿量分別為1.42 m3和1.8 m3，水泥用量分別為18包和22.9包．

表3 試驗樁的施工參數

4.6 試驗成果分析

兩組試驗樁成樁效果圖見圖2和圖3，現場試驗樁尺寸實測情況見表4；驗算樁與樁搭接處的寬度，符合設計要求．

圖2 A組試驗樁成樁效果

圖3 B組試驗樁成樁效果

表4 現場試驗樁尺寸實測情況

高壓旋噴試驗樁開挖情況：兩組試驗樁結構密實，水泥漿分散性好，與壩土膠結良好；其成樁直徑均大于0.6 m，其中A組試驗樁的成樁直徑均達到0.61 m以上；B組試驗樁的成樁直徑均達到0.63 m以上．各樁體的形狀基本完整，其中B組各樁體輪廓更為明顯，且樁與樁之間連接較好，連接處樁體的寬度均滿足設計要求．A組試驗樁返漿量較少且其成樁效果較差，這是因為A組試驗樁的灌漿壓力比B組試驗樁的小，使得A組的噴射流的切割土體的有效范圍較小導致其成樁效果較差；A組試驗樁的提升速度較快，使水泥漿與土體沒有得到充分的攪拌導致返漿量較少．若按A組試驗樁的施工參數進行灌漿，防滲墻的質量很難到得保證．而B組試驗樁的試驗參數更能保證防滲墻的厚度以及成樁質量符合設計要求．因此，采用B組試驗樁的試驗參數指導具體施工．

4.6 防滲加固工程效果

施工完成后，根據已選定高壓旋噴樁試驗取芯樣位：15#-16#、45#-46#、85#-86#、115#-116#和129#-130#進行鉆孔取芯檢查，并進行室內實驗檢測抗壓強度和滲透系數，其檢測結果見表5．由表可知該水庫防滲加固工程高壓旋噴樁防滲墻的抗壓強度和滲透系數均滿足設計要求，可達到較好的防滲效果．

表5 工程防治加固相關參數檢測結果

5 結 語

水庫的壩體為隱蔽工程，因此施工參數需要先通過試驗檢測，本工程通過對兩組試驗樁的取樣及成樁效果分析，可選定較優的施工參數，達到較好的防滲加固效果，確保工程質量．本工程實踐證明，高壓旋噴灌漿技術不僅可用于加固地基，在水庫壩體加固中也有很好的應用前景．

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（責任編輯：張新玲）

The Application of Rotating Jet Grouting Technique to the Seepage Prevention Reinforcement of Small Reservoir

ZHANG Lu

This paper discusses the high pressure jet grouting impervious wall with composite geomembrane anti-seepage reinforcement scheme. Based on reservoir dam of various impervious reinforcement scheme comparison analysis, and considering the actual situation of a small reservoir geological formation and leakage, it is concluded that construction of parameters to guide the specific project construction, after construction detection that high-pressure jet grouting technology in the small reservoir seepage reinforcement effect is good and the method of reservoir seepage reinforcement would have some practical implications.

rotating jet grouting; reservoir dam; seepage prevention reinforcement; test

TV54

A

1009-8135（2016）03-0087-05

2015-12-01

張 璐（1981-），女，福建泉州人，福建省黎明職業大學副教授，碩士，主要研究結構耐久性等．

泉州市科技計劃項目（Z【2012】0124）；黎明職業大學科研團隊建設項目（LMTD2014106）階段性成果