高壓旋噴樁在中小型殘積土壩除險加固中的應用

任文峰

(華城建設集團有限公司，福建 泉州 362011)

1 引 言

福建省在20世紀50—70年代之間修建了眾多的中小型土石壩，這些土石壩在防洪、灌溉和養殖等方面發揮了重要作用。然而受限于當時建設的經濟條件和技術水平，一些土石壩在填料選擇、壓實技術及壩基處理等方面存在一些缺陷，有的壩基常年滲漏，壩體安全性欠佳，洪水期下游群眾生命財產受到威脅，因此對這些中小型土石壩進行除險加固勢在必行。在多種除險加固方法中，高壓旋噴樁因其工作壓力高、噴射距離遠、加固半徑大等優點，在水庫大壩除險加固中已得到了較為成功的應用。但高壓旋噴樁加固屬于隱形工程，施工質量受地質條件、施工條件以及管理人員等諸多因素影響，若某一環節把控不嚴，容易導致工程質量出現問題。因此，本文結合高壓旋噴樁在福建省安溪縣苦湖水庫大壩除險加固中的應用，探討該類加固方法的設計內容、施工方法、質量控制措施及質量檢測等，以期為同類工程提供借鑒。

2 工程概況

苦湖水庫位于花崗巖低山丘陵地區，地處亞熱帶氣候區，近10年來，庫區年平均降雨量為2453mm，多集中在5—9月份，水庫屬于多年調節性水庫，水庫樞紐由大壩、放水洞兩部分組成，工程等級均為2級，其余次要建筑物和構筑物工程等級均為3等。水庫大壩上游的降雨匯水面積為1.37km2，主河道和支流各條河道總長為7.2km，河道上游坡度較大，水流湍急，平均坡降為73.1‰，中下游坡度相對較小，平均坡降為25.3‰。該水庫總庫容為1.10億m3，正常蓄水位為124.3m。根據現場測量數據，該壩頂部長度為120.3m，頂部寬度為4.2m，設置了單行碎石路面車道，最大壩高為21.0m。2016年8月，該水庫的除險加固工程開工，2018年6月，該除險加固工程竣工。

有關資料顯示，苦湖水庫大壩興建于20世紀70年代，建設周期為3年，大壩為土石壩，采用周邊山區開采的花崗巖風化殘積土填筑碾壓而成，土質較為均勻，主要為砂質土和黏性土，壩基主要為花崗巖風化殘積土、強風化花崗巖和中風化花崗巖等。該壩建成以后，長期處于帶病工作狀態，壩肩和壩基存在滲漏問題，特別是每年的強臺風降雨期，水位上升，滲漏更加嚴重，經各部門認定苦湖水庫列為重點病險水庫。該壩于20世紀90年代，對于滲漏嚴重的部位局部進行了加固，坡面采用塊石進行了砌筑，但運行2年后，治理效果不佳，病害有加重的趨勢，防洪形式尤其嚴峻。加上水庫壩肩部位滲漏嚴重，缺乏有效的防滲心墻，大壩缺乏位移和孔壓等常規監測設備，若不及時進行加固處理，下部壩腳和壩肩有可能發生滲透變形破壞，因此，決定對苦湖水庫大壩進行再次除險加固處理，以杜絕安全隱患。

根據設計要求，該壩體填筑材料具有一定的可塑性，塑性指數為12.0～21.3，含有一定量的石英砂粒，經取土進行常規水頭試驗，滲透系數介于1.3×10-3～6.2×10-5cm/s之間，不能滿足滲透性的要求。要求經處理后的壩體滲透系數需小于1.0×10-6cm/s。該場地位于工程抗震設防烈度Ⅶ度地區，由于壩體和壩基材料均為非液化土體，故不考慮場地土體的液化問題。

3 高壓旋噴防滲墻設計

3.1 加固方案確定

針對苦湖水庫大壩體土質條件、壩基工程地質和周圍山區環境特征等，為全面提高壩體的安全性，提出了以下四種加固處理方案：?鋪設水平黏土層防滲方法；?聯合鋪設黏土層和HDPE土工膜防滲方法；?打設C15低強度等級混凝土垂直防滲墻方法；?高壓旋噴樁垂直防滲墻方法。

分析對比上述四種方法的加固效果和施工特點，結合苦湖水庫大壩壩基主要為花崗巖風化殘積土、強風化花崗巖和中風化花崗巖地層，其中前兩者最大厚度達到了35.7m，透水性較大，滲流量較大，故水平防滲體系效果劣于垂直向防滲體系。另外，苦湖水庫大壩缺乏有效的垂直向防滲心墻，進行垂直防滲非常具有必要性。因此，綜合考慮上述四種方案，結合防滲效果、施工條件、設計要求以及投資費用等，最終確定采用方案四，即高壓旋噴樁防滲墻方案，防滲墻從壩頂開始延伸到壩基的中風化層頂，并且漿液擠入下部中風化巖體裂隙內。一方面可提高壩體整體強度、邊坡穩定性以及壩基抗滑穩定性，另一方面可減小壩體和壩基的滲透性，進一步防止管涌和流土等滲透破壞形式。

3.2 防滲墻設計

防滲墻設計內容包括施工選用的注漿材料、防滲墻厚度、樁體布設和搭接、防滲墻深度等。

3.2.1 注漿材料

水庫除險加固工程中高壓旋噴樁的施工注漿材料通常為水泥漿液，為了提高加固效果，可以添加少量外加劑。該壩體采用普通硅酸鹽水泥，水泥漿液的水灰比為0.8～1.1，為了提高漿液的流動性，使得漿液能夠較好地擠入到壩基強風化和中風化花崗巖裂隙中，水泥漿液中摻入少量粉煤灰；為避免水流過大時對漿液造成沖刷，漿液中摻入少量水玻璃溶液。水泥∶粉煤灰∶水玻璃溶液(重量比)為1∶0.1∶0.2。施工前，所有材料送有資質的檢測單位檢測，經檢測合格后方可進行施工。

3.2.2 防滲墻厚度

防滲墻厚度取決于壩體兩側的水位差和壩體寬度等，為防止壩體出現滲透破壞，防滲墻必須滿足最小厚度要求。通常防滲墻布設在壩體的縱向軸線上，考慮兩側的水頭差，本工程中取強降雨期最不利校準水位和防滲墻底部施工實際高程的差值，考慮水力滲透變形，利用防滲墻最小厚度公式進行計算確定，該大壩設計的防滲墻最小厚度為0.27m。

3.2.3 樁體布設與搭接

圖1 壩體中軸線高壓旋噴樁布設示意 (單位：mm)

4 高壓旋噴防滲墻施工

4.1 施工工藝

高壓旋噴樁的施工質量除了合理的設計外，更大程度上受施工因素和水文地質條件影響，包括被加固土質、壩體和壩基滲流性質、漿液種類和濃度、噴射形式和時間、噴射壓力、漿液流量、噴嘴直徑以及提升速度等。高壓旋噴樁的施工工藝流程見圖2。

圖2 高壓旋噴樁的施工工藝流程

4.2 施工參數

根據苦湖水庫的工程地質條件和水文條件，采用單孔噴射進行注漿試驗，進一步確定出旋噴直徑、效果、漿液性能要求及其適用性。所有的漿液經高速攪拌機攪拌均勻后方可使用，攪拌時間至少為30s，隨攪隨用。經過試驗，確定該工程的施工參數如下：單管高壓旋噴灌漿壓力為25～30MPa，噴射水泥復合漿液流量為80～90L/min，噴頭旋噴轉速為12～16r/min，單管噴射管提升速度控制在15～20cm/min，其中，以黏性土為主的地層里，提升速度可適當加大，對于強風化多裂隙基巖內部，可適當減小提升速度。

4.3 質量控制措施

a.所有的高壓旋噴注漿孔都應在鉆孔施工，并經質量檢驗無誤后進行，保證鉆孔內不能墜入碎石等雜物，孔深和孔徑均達到設計要求。

b.將噴頭下放至孔底后，按照設計噴射參數進行原位噴射，待水泥復合漿液從孔底冒出至孔口時，方可進行提升噴射。噴射過程中，自下而上進行連續提升噴射，若由于設備故障等原因終止噴射時，中斷時間不宜超過0.5h；重新噴射時，應將噴射頭深入到原漿液下部至少0.5m深度處，以充分保證新舊旋噴樁交接的完整性。

c.噴射過程中，若孔口發生不返漿或嚴重的冒漿跑漿問題，可以從以下幾個方面進行控制：?若孔口不返漿或返漿量明顯降低時，應當停止提升或降低提升速度，若長時間不返漿，應該檢查設備或地層條件，查明其原因；?若孔口冒漿嚴重，則應降低噴射壓力和噴射流量，或在孔口采用止漿材料進行適當密封；?若因滲漏流速過大，導致返漿異常時，在漿液中摻入適量速凝劑，或降低水灰比，摻入少量黏土材料，或考慮采用雙管法進行噴射，插入黏土、砂、水玻璃溶液等材料。

d.高壓噴射過程中，若發生鄰孔串漿時，采用黏土等材料及時對串漿孔進行封堵，待噴射孔施工完畢時，及時對串漿孔進行噴射注漿。

e.噴射結束后，孔內漿液液面若出現明顯下降，及時采用水泥漿液進行填堵，保障孔口液面與地面齊平。

f.對于施工中的重要參數和地質條件，應保證記錄齊全，對于異常現象和處理情況，應記錄翔實。

5 質量檢驗

為驗證高壓旋噴樁的施工質量，在水泥復合漿液固化強度達到設計要求時進行質量檢驗，質量檢驗宜采用多種方法相結合的形式，包括開挖外觀檢驗、鉆孔檢驗、壓水試驗、動力觸探等，該工程采用上述四種方法對部分樁體進行了質量檢驗。

5.1 外觀檢驗

對施工固結完畢的12號樁、35號樁和37號樁進行開挖，開挖深度達到1.5m，發現樁體完整性良好、樁體均勻、噴射半徑達到0.7～1.2m，最小厚度為0.51m，無縮頸、斷樁和夾泥等質量問題。

5.2 鉆孔檢驗

同樣對部分樁體進行了鉆孔取芯，對芯樣進行觀測描述，取典型芯樣進行無側限抗壓強度測試和滲透系數測試，并利用鉆孔進行注水試驗，利用超重型120kg重錘進行動力觸探測試，測試結果見表1。

表1 高壓旋噴樁施工質量檢測結果

5.3 質量評定

經過上述方法的開挖檢查和試驗測定，發現各芯樣完整性良好，芯樣長度基本介于0.7～1.9m之間，芯樣無夾泥，斷面粗糙，斷面均為鉆孔過程中導致的斷裂；通過室內常水頭滲透系數測定和現場壓水試驗測定，每根樁體的滲透系數基本位于10-7～10-8cm/s數量級上，即均小于1×10-6cm/s，滿足水力學對滲透性的設計要求；典型芯樣的無側限抗壓強度均超過5.0MPa，滿足強度設計要求；樁體連續動力觸探測試，觸探擊數最小為37擊，無明顯低值范圍，表明樁身完整性和均勻性良好，苦湖水庫大壩除險加固工程效果良好。

6 結 語

苦湖水庫大壩經過近2年的除險加固，在施工方、設計方和監理方的共同努力下，從質量檢測方面看各項指標均達到了設計要求，滲透系數位于10-7～10-8cm/s數量級上，水庫滲漏量已明顯減?。粯扼w均勻、完整性良好、無夾泥和斷樁等問題。實踐證明高壓旋噴樁形成的防滲墻在殘積土壩和火成巖地基內具有較好的適用性，能夠較好地解決水庫滲漏問題，施工速度較快、加固效果良好，是一種有廣泛應用前景的防滲加固技術。