高壓旋噴灌漿技術在陳源水庫除險加固工程中的應用

呂云英

(福建省南平市浦城縣蓮塘鎮人民政府水利工作站，福建 南平 353000)

0 前 言

中國大部分水庫興建于20世紀60-70年代末，多為當地材料填筑的土石壩，設計和施工標準不一，存在較多質量缺陷，經過長期運行，壩基和壩體出現不同程度的滲漏現象，直接影響水庫運行和安全，亟需進行除險加固施工，確保水庫安全可靠運行，發揮工程效益。高壓旋噴灌漿技術被廣泛運用于土壩結構類的水庫除險加固工程，其最早于20世紀60年代末期由日本提出，從最開始的單管法先后開發出兩管法、三管法和多管法等，20世紀70年代末期在中國得到迅速發展。單管高壓旋噴灌漿技術是指通過旋轉噴嘴，利用一定的噴射壓力(一般≥20MPa)，將水泥漿液噴射而出沖擊破碎土層，并與土體結合，形成凝結體，一般樁徑為50-90cm。文章主要以陳源水庫除險加固工程為例，對單管高壓旋噴灌漿技術展開討論[1]。

1 工程概況

陳源水庫位于浦城縣蓮塘鎮顏處村境內，壩址以上集雨面積2.25km2。主河道長2.1km，平均比降4.2%，水庫樞紐工程于1978年11月動工興建，1981年12月竣工，水庫總庫容231.25萬m3。現灌溉面積166.7hm2，下游涉及人口0.2萬，耕地面積100hm2，是一座以灌溉為主結合防洪的小(1)型水庫。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水隧洞、灌溉渠道等建筑組成。工程等級為lV等，大壩等主要樞紐建筑物為4級。大壩為均質土壩，壩頂高程254.30m(假設高程，下同)，最大壩高21.5m，壩頂寬4.0m，壩頂長68m。大壩迎水坡為干砌石護坡，244.00m高程以上坡比為1∶2.0，以下坡比為1∶2.25。背水坡為草皮護坡，244.00m高程以上坡比為1∶2.0，壩腳為堆石排水棱體，棱體頂高程為244.00m，棱體頂寬1.5m，外坡比為1∶1.5。

陳源水庫從1981年建成至今已運行30a，運行時發現當庫水位在247.0m時，右壩肩下游壩坡就開始出現濕坡滲水，雖經過加固處理，但效果不大，未能徹底根治。經分析滲水主要原因為：①施工期右壩肩基礎處理較差；②壩體上曾發現十幾處白螞蟻窩，最大蟻窩重達20kg，導致壩體填土變得松散，后雖經挖除，根據相關資料及經驗，根治白螞蟻較為困難，因此不排除還有殘存蟻窩的可能；③據土工試驗結果，壩體土料為砂質黏土，含砂率較大，壓實度低，透水性大。上述因素均會導致壩肩部位形成滲漏通道而發生漏水，對下游壩坡的穩定產生不利的影響。根據《福建省南平市水利局關于陳源水庫大壩安全鑒定的報告書》和《福建省大壩安全管理工作中心對陳源水庫三類壩安全鑒定核查意見》，為確保水庫運行安全，除險加固勢在必行，主要內容包括大壩整修及防滲加固、輸水系統及溢洪道加固等。陳源水庫除險加固工程不僅可以保證下游灌溉用水，同時還可以保障下游人口、公路及部分企業等的防洪安全，具有顯著的社會效益和生態效益[2]。

2 單管高壓旋噴防滲墻設計

依據陳源水庫地質勘察資料、大壩現有滲漏原因分析及考慮投資，結合類似工程經驗，通過對大壩防滲方案進行比選，最后確定大壩防滲加固處理方式為：在壩頂以下壩體采用單管高壓旋噴樁防滲墻防滲，壩基則進行帷幕灌漿處理和大壩防滲加固設計。陳源水庫大壩防滲加固縱剖面圖，見圖1。

圖1 陳源水庫大壩防滲加固縱剖面圖

單管高壓旋噴樁防滲墻可截斷大壩滲漏通道，作為與壩基帷幕的搭接段，加強壩體及壩基接觸帶的防滲性和穩定性，本工程全壩段長及兩端長85m(樁號壩0-006-壩0+071-0+079)采用單管高壓旋噴造防滲墻，單管旋噴在壩頂布置一排孔，位于壩軸線，鉆孔須深至壩基線以下1m，最深處至228.5m高程，單管旋噴頂高程54.30m，孔距為0.5m，總孔數171孔，2705m,總耗灰量605.9t,平均每米耗灰量為0.224t。成樁直徑≥0.65m，孔斜率≤0.8%。單管旋噴部分孔位與帷幕灌漿處鉆孔同心同孔，由于帷幕灌漿返漿容易使套管卡住拔不出，堵塞孔位或者出現塌孔，因此對此部分孔位不能直接重復利用，需要重新鉆孔或者進行專門的清孔。

3 高壓旋噴灌漿施工參數選定

3.1 試驗擬定施工參數

本工程根據《水利水電工程高壓噴射灌漿技術規范》(DT/T5200-2004)及已批復的《浦城縣陳源水庫除險加固工程初步設計報告》，制定高壓旋噴灌漿試驗方案。高壓旋噴施工前，須選擇有代表壩區段進行試驗，本工程試驗樁位置選定在水庫大壩壩頂右岸(以利于機械安裝和操作)，試驗樁初步擬定為3根，每根樁長為3m，樁距50cm，設計成樁直徑≥60cm。單排布置，灌漿噴嘴直徑選取2.5mm，按一序操作完成。采用重探50型高壓旋噴鉆機和GPB-90型三柱漿泵，自帶15KW柴油發電機。參考浦城縣泓興水利水電建筑工程有限公司已完成工程高壓旋噴樁及按設計取值范圍、規范要求擬定3組試驗樁參數。高壓旋噴灌漿試驗樁參數選用表，見表1。

表1 高壓旋噴灌漿試驗樁參數選用表

3.2 試驗結果

灌漿固結(試驗樁完成3d)后，對試驗部位進行開挖，分層剝挖確定試驗樁樁徑、樁與樁之間聯接是否緊密均勻等，縣水利局、建設單位、監理單位、施工單位均派人員參加進行觀察檢查。試驗樁樁體挖開后出露樁體有效直徑均>65cm，灌漿范圍內樁體呈現密實飽滿狀態，樁體成樁性較好。2011年10月29日監理單位主持召開四方鑒定會議，經設計單位、縣水利局、監理單位、施工單位充分協商，考慮單管高壓旋噴技術一般適用于高度在20m以下的壩(效果好)，針對對接近或>20m高的大壩應結合地質勘測試驗分析。由于土層沿垂直向上的變化，自上而下錘擊數總體有增大趨勢，為了保證確保樁的完整性并達到樁徑的設計值，本工程對高壓旋噴施工參數進行細微調整。自上而下：①第1段：深度15m以內，漿液噴射壓力采用22MPa，漿液比重1.45g/cm3，提升速度采用14cm/min；②第2段：深度超過15m時，逐級增加到20m深處的噴射壓力24MPa，漿液比重則采用1.45g/cm3，提升速度采用13cm/min；③第3段：深度逐級增加到25.8m深處的噴射壓力26MPa，漿液比重則采用1.45g/cm3，提升速度采用12cm/min；漿液水灰比為：1.5∶1-1.0∶1。

4 高壓旋噴灌漿施工

4.1 施工工藝流程

本工程施工工藝流程成為：場地平整→放線定位→機具就位→鉆孔至設計標高→旋噴開始→提升旋噴注漿→旋噴結束成樁→沖洗。

4.2 施工方法

1)場地清理平整作業，確保高壓旋噴樁樁位處地上地下均無障礙物，用黏性土回填夯實場地低洼處，結合施工設計預先開挖排漿溝槽以處理回漿。

2)放線定位。根據施工圖紙樁號采用全站儀放線定位出旋噴控制樁中心，孔位偏差≤5cm，使用鋼卷尺和麻線測量樁距定位每根旋噴樁位置，并用石灰做標記，注意放線完成后需對所有噴灌孔位進行檢測及校核，方可進入下一道工序。本工程第一序孔施工孔距為0.5m，第二序孔孔距為0.5m。

3)機具就位。本工程采用一臺鉆機施工，鉆灌兩用(TXV-75A型鉆機)，鉆機采用人力準確安置于施工部位，通過水平尺和定位測錘校準樁機，確保鉆桿垂直對準引孔預埋管，且傾斜率≤0.8%，鉆機底座墊厚木板以保證鉆機平穩。

4)鉆孔。鉆機對準孔位旋轉鉆進，用水平尺掌握機身水平，確保孔深、孔向、孔位符合設計要求，力求孔徑上下均一、孔壁平順，對孔位傾斜及時糾正。插管作業與鉆孔作業同步，插管過程中高壓水噴嘴邊射水以避免泥砂堵塞噴嘴，水壓力≤1MPa，本工程鉆孔深度為壩基線以下1m，最深處至228.5m高程，至設計標高后停止鉆進。

5)漿液制備。漿液配制嚴格按前文高壓旋噴樁試驗確定的施工參數，漿液密度為1.45g/cm3。施工前一小時制備漿液，往拌和機中加入水再加水泥，噴漿前確保持續攪拌，噴漿時漿液先經過濾篩過濾才會從灰漿拌和機進入集料斗，水泥漿通過膠管送到旋轉振動鉆機的噴管內，最后射出。

6)旋噴灌漿。噴射灌漿前檢查施工設備，核驗高壓設備壓力、排量等，待噴射管下降到預定深度，依次送水、氣、漿，首次噴射時間一般為1-3min，待漿液冒出孔口開始以文章3.2節中試驗結果擬定漿液比重、噴射壓力、提升速度提升噴射管，邊噴射邊反向勻速旋轉，當噴射至距樁頂1m時放慢提升速度，漿液高度達到設計要求后將噴管拔出。孔口返出漿液即停止噴漿，注意若旋噴過程出現故障立即停止噴射，防止旋噴樁樁體中斷，排除故障后復噴且復噴孔段與前段搭接長度>1m，防止固結體脫節。

7)沖洗。噴射施工結束后，注漿泵吸水口插入清水中以吸入清水頂出管內剩余漿液，防止漿液在管內凝結堵塞，泥漿泵、注漿管和軟管內漿液均需排出，保證下一次噴射質量[3]。

4.3 施工注意事項

4.3.1 漿液制備注意事項

漿液質量直接決定了高壓旋噴防滲墻的質量，必須嚴格把控。漿液制備主要材料為水泥，本工程均采用浙江紅火集團生產的強度等級為42.5 R及42.5R“虎球牌”普通硅酸鹽水泥；每批次水泥不僅要有質量合格證，還需有國家認可的質檢部門檢測報告，全部水泥經南平建通工程檢測有限公司試驗室檢測其性能，各項指標均要符合規范要求，本工程使用的水泥質量全部合格。業主單位與水利主管部門出臺關于大壩高壓旋噴灌漿超水泥用量補助辦法，若超定額10%以上的水泥用量按現場簽證予以補助，該舉措可消除施工企業因水泥超用量影響效益的顧慮，有效防止偷工減料問題。

4.3.2 鉆孔注意事項

1)孔向。鉆孔位置應嚴格放樣，鉆機水平位置反復調整且安裝牢固平穩，鉆機立軸和孔口管的方向與設計孔向一致。持續從互相垂直的兩個方向觀測垂直度，及時調整偏差，輕壓慢鉆，確保鉆桿鉆進方向始終垂直于平面，本工程要求孔斜控制在0.8%以內。

2)孔序及孔徑。嚴格按照分序加密原則鉆進，鉆孔開位位置與設計要求位置的偏差應控制在10cm以內。

3)孔深。鉆到壩體基巖交界面時應測量鉆孔深度是否與設計相符，若沒達到設計值，可能是遇到小塊石，應繼續鉆，若達到設計值，是已到基巖的頂層板，繼續鉆≥10min，確保下步對壩體與基巖的交界面的孔隙灌漿防滲效果。孔深的允許偏差在25cm以內。

4)孔壁。選用親水性好、分散性高、穩定性、黏著性及可塑性強的當地優質黏土和膨潤土制作護壁泥漿，有效防止鉆孔坍塌。

4.3.3 灌漿注意事項

1)旋噴樁施工時，水庫應控制水位不得高于死水位242.0m高程。

2)施工噴射時，先應達到預定的噴射壓力，正常回漿后再逐漸提升注漿管。

3)不返漿出現的原因有很多種，如孔洞、裂隙、碎石或地層松散吃漿量過大等，應觀察大壩上下游面情況，及時采取處理措施。若是地層地質原因，可停止提升噴桿，進行多次原位復灌，以保持繼續灌漿；若是少量返漿，應適當降低提升速度、噴射壓力和流量，必要時還可增加漿液密度或在漿液中摻入速凝劑或灌灌停停，直到正常回漿方可提升，保證足夠的不透水性和較高的滲透穩定性，能夠抵抗滲透水作用的破壞。

4)串漿處理：灌漿過程中發現串漿時，宜采用下述方法處理：①如被串孔正在鉆進，應立即停鉆；②串漿量≤1L/min時，可在被串孔內通入水流；③串漿量較大，盡可能與被串孔同時灌注，但應注意控制灌漿壓力，防止巖體抬動，當無條件同時灌注時，應封堵被串孔，對灌漿孔繼續灌注，直至灌漿結束，或直接跳過被串孔，待凝固期后再進行灌注。

5)灌漿至壩基交界面時應確保有正常回漿，否則不能提升高度，且應保證高度回到1m后返回交界面再重復提升，更換鉆桿時也應下降0.5m重復灌漿，提高固結體整體性。

6)漿液的析水特性會使其在與水土攪拌混合后產生一定收縮，進而導致少數樁頂部出現凹穴，遇到該情況時，可在旋噴樁施工完畢后鑿去一部分將固結體頂部，并用混凝土填補凹穴部位。

5 防滲加固效果分析

5.1 施工質量檢查

5.1.1 開挖檢查

陳源水庫單管高壓旋噴防滲墻在成墻28d后開挖檢查成墻質量，開挖檢查點沿墻軸線布設2處，每處開挖長2-3m，深2-3m，主要檢查墻體的均勻性和完整性、墻段連接和墻厚、固結體垂直度、形狀的質量。經過開挖檢查，陳源水庫高壓旋噴防滲墻墻體連續性和完整性較好，墻體成型規則，同一深度上墻體厚度均勻，符合設計要求[4]。

5.1.2 鉆孔取芯檢查

陳源水庫單管高壓旋噴防滲墻在成墻28d后鉆孔取芯檢查，取芯檢查點沿墻軸線隨機抽布設3個，業主委托第三方檢測機構進行檢測，利用鉆孔做注水試驗，并取芯樣做室內試驗檢測抗壓強度、滲透系數等物理力學性能指標，本工程送檢0+029-0+029.5樁、0+011-0+011.5樁及0+053-0+053.5樁芯樣試件。高壓旋噴樁芯樣試件抗壓強度及滲透系數檢測結果，見表2。

表2 高壓旋噴樁芯樣試件抗壓強度及滲透系數檢測結果

續表2 高壓旋噴樁芯樣試件抗壓強度及滲透系數檢測結果

由表2可知，陳源水庫高壓旋噴防滲墻送檢樁芯樣試件的抗壓強度均>2.0Mpa，滿足設計要求。大壩高壓旋噴處理前，從壩體填方段鉆孔注水試驗資料分析，其滲透系數為4.60×10-47-3.20×10-5cm/s，屬弱透水-中等透水；高壓旋噴灌漿處理后，送檢樁芯樣試件滲透系數為4.40×10-7-6.18×10-7cm/s，滿足K≤1×10-6cm/s，滲透系數極大減小，防滲效果顯著提高。2011年11月，陳源水庫大壩防滲加固工程中高壓旋噴樁經監理單位進行質量評定，質量等級為優良。

5.2 目測效果分析

陳源水庫除險加固工程實施后，水庫已正常蓄水，壩體和壩基均未發現異常運行情況。大壩經單管高壓旋噴防滲墻處理后，通過現場觀察，壩坡、壩腳均無水滲出，高水位時下游壩坡也無濕坡現象，具有良好防滲效果，大壩安全指數較大程度提升，增加了下游居民的安全感，提高了水庫灌溉、供水、防洪效益，改善了保護區內的經濟建設和生活環境。

6 結 語

陳源水庫大壩壩體采用單管高壓旋噴樁防滲墻進行處理，施工簡便、靈活，機具振動小、噪音低。施工完成后質量檢測方便，工程完工后水庫庫區整潔，壩面煥然一新，投入運行至今，壩坡和壩腳未出現濕坡滲水現象，防滲性能良好。工程完工后一方面可以恢復水庫原有的設計功能，發揮工程的綜合效益，另一重要方面可正常發揮防洪效益，對確保下游防洪安全有著重要的作用，國民經濟指標較好，社會效益顯著。工程實例證明單管高壓旋噴灌漿技術應該在水庫除險加固工程中被廣泛應用。