高壓噴射灌漿施工關鍵參數選定與研究

楊 燕，鐘喬平，趙光禮，趙學勇

(云南省紅河州水利水電勘察設計研究院，云南 蒙自 661199)

1 工程概況

建水縣大田水庫位于曲江鎮境內的沙河中游，屬南盤江流域曲江河右岸的一級支流。大田水庫來水由本區和引水區組成，其中本區壩址以上徑流面積為2.03km2，多年平均徑流量31.5萬m3；壩(址)以上徑流面積為108.0km2，多年平均徑流量2140萬m3。水庫總庫容1028萬m3，工程規模為中型，工程等別為Ⅲ等，是一座以農田灌溉和鄉鎮供水為主的水利工程。水庫灌溉面積1.79萬畝，年供水量937萬m3。水庫壩址區地震動峰值加速度為0.3g，地震動反應譜特征周期值均為0.45s，相應地震基本烈度為Ⅷ度。

水庫大壩為粘土心墻風化料壩，壩頂高程1380.50m，壩頂寬8m，長362.5m，最大壩高44.1m。壩基及兩壩肩均存在第四系松散土體和上第三系(N)砂性土孔隙性滲漏，庫區左岸中段和東部段一定深度以上存在透水層，其透水體基本由粉土、粘土質砂，粉土和卵礫石土、礫質土組成，庫區蓄水后會沿其向曲江壩的方向產生滲漏。為了減少壩基、繞壩和庫岸滲漏，防止壩基產生滲透破壞變形，對壩基及兩壩肩滲漏帶進行防滲處理，由于壩基和兩壩肩均為松軟粘性土和砂性土孔隙式滲漏，采用高壓灌漿方法進行防滲處理。

2 試驗準備

2.1 試驗目的

(1)通過高噴灌漿試驗確定合理的孔排距、施工參數及搭接形式，為后期施工提供依據和保證。

(2)采用不同的提升速度進行高壓噴射試驗，找到適合本工程的灌漿壓力、提升速度，確定適合的高壓灌漿施工參數；

(3)確定有關高壓噴射灌漿施工質量控制的方法和參數，即壩基防滲體達到設計防滲標準k≤9.0×10-6cm/s、防滲體抗壓強度R28=0.7～5.0MPa，有效厚度不得小于600mm；庫區左岸滲透系數達到k≤1.0×10-5cm/s、防滲體抗壓強度R28=0.5～5.0MPa。

2.2 初擬灌漿參數

壩址區地層結構似“千層餅”結構，薄—中厚層狀的不同巖性地層呈互層狀或夾層狀產出，工程地質條件較為復雜，為切實保證高噴灌漿試驗的可行性，高噴灌漿試驗采用“雙高壓三管法”(新三管法)進行試驗。

2.3 主要試驗設備

高壓噴射灌漿試驗選擇的設備為：XY-150(14kW/17kW)型鉆機、GZB-40(90kW)型高壓注漿泵、WB-250B/50(23kW)高噴臺車。

3 試驗過程

3.1 試驗布置

壩址區高壓旋噴灌漿共設4個試驗區，一、三、四試區，試驗時分別對0.6m、0.8m孔距參數進行試驗，二試區試驗時分別對0.6m、0.8m、1.0m孔距參數進行試驗。分Ⅰ序孔和Ⅱ序孔進行試驗，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔。試驗布置圖如圖1—2所示。

圖1 高壓旋噴灌漿一、三、四試區試驗布置圖

庫區左岸防滲采用高壓擺噴(擺角30°)防滲，共設5個試驗區，試驗時分別對1.4m、1.6m、1.8m孔距參數進行試驗，按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔加密進行試驗。試驗布置如圖3所示。

圖3 高壓擺噴灌漿試驗布置圖

3.2 試驗過程

高壓噴射灌漿試驗采用“雙高壓三管法”(新三管法)，按照擬定的施工試驗參數在試驗區進行試驗。施工程序分兩序孔進行加密，即先灌Ⅰ序，再灌Ⅱ序，先灌兩邊，后灌中間，循序漸進，逐序加密的原則進行施工。

單孔噴射試驗施工工序為：場地平整→測量放線→確定灌漿孔孔位(按Ⅰ序孔和Ⅱ序孔順序)→鉆機就位(校平固穩)→鉆孔→沖洗→測斜→高噴臺車就位→試噴(檢查噴管、灌漿泵、高噴機等設備運行情況)→將噴桿或噴頭下入孔內(設計防滲底界)→靜噴→按要求參數提升、擺動或旋轉→噴桿或噴頭提升到設計防滲頂界后停噴→取出噴桿沖洗管路→噴灌結束后及時對孔口噴進水回灌漿液→單孔噴灌結束。

高壓噴射灌漿采用純水泥漿液灌注。正常情況下水灰比為1∶1，遇到特殊情況調整水比灰為1.5∶1或0.8∶1。

4 試驗結果分析

4.1 壩區旋噴灌漿試驗結果分析

壩區旋噴灌漿試驗結束后，對試驗部位進行了開挖和鉆孔取芯注水試驗，并對灌漿樁體的旋噴效果、有效直徑及搭接程度等進行觀察檢查。檢查情況為：

(1)從檢查孔注水情況可知，當提速增加至18cm/min、孔距0.8m時，鉆孔注水滲透系數變化不大，均小于1.0×10-5cm/s；當提速為14cm/min、孔距1.0m時，鉆孔注水滲透系小于1.0×10-5cm/s；

(2)由于漿液注入率基本一致，噴漿水泥單位耗灰量只與旋噴提速有關，旋噴不同提速的水泥量及單耗量不同，每增加提速2cm/min，噴漿段水泥耗量將會大幅度減少，提速從14cm/min增加至18cm/min，水泥單位耗量從491.880kg/m減少至400.76kg/m，統計見表2。

表2 壩基、壩肩防滲不同提速水泥耗量及單位耗量統計表

(3)現場旋噴搭接情況表明：在致密黏性土層中，噴射直徑為0.95～1.00m，當孔距為0.8m時，旋噴提速14cm/s時，相鄰兩孔的搭接厚度僅為0.30～0.35m，當孔距為0.6m時，旋噴提速16 cm/s時，相鄰兩孔的搭接厚度為0.6～0.7m，滿足設計要求。

4.2 庫區左岸擺噴灌漿試驗結果分析

庫區左岸擺噴灌漿試驗結束后，對試驗部位進行了開挖和圍井鉆孔注水試驗，并對灌漿樁體的擺噴效果、有效直徑及搭接程度等進行觀察檢查。檢查情況為：

(1)從檢查孔注水情況隨著孔距的加大和擺噴提速的增加，圍井鉆孔注水滲透系數逐漸增大，統計情況見表3。

表3 庫岸擺噴防滲檢查孔注水情況統計表

圖2 高壓旋二試區試驗布置圖

(2)漿液注入率基本一致，噴漿水泥單位耗灰量只與擺噴提速有關，擺噴不同提速的水泥量及單耗量不同，每增加提速2cm/min，噴漿段水泥耗量將會大幅度減少，提速從8cm/min增加至16cm/min，水泥單位耗量從795.63g/m減少至412.92kg/m，統計見表4。

表4 庫區左岸擺噴防滲不同提速水泥單耗量統計表

(3)在庫區左岸擺噴結束后，在第三試驗區1.4m孔距擺噴搭接處的鉆孔取芯，經取芯證明，在砂土、砂礫土和卵礫石土層中，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擺噴防滲墻，但在致密黏性土層中，當孔距為1.6m、高噴提速為12cm/min時，擺噴防滲墻沒有形成有效搭接，初擬孔距不滿足要求。如圖4所示。

圖4 高壓擺噴鉆孔取芯代表性圖片

(4)為了能形成連續的擺噴防滲墻體，且達到防滲標準，最終重新調整孔距，在致密黏性土層中新增加的1.0m、0.8m、0.6m孔距進行擺噴(提速為14cm/min)試驗，開挖情況表明：1.0m孔距時可以在致密黏性土層中形成連續的擺噴防滲墻，但搭接不很緊密；0.8m、0.6m孔距擺噴在致密黏性土層中能形成連續的擺噴防滲墻，搭接完好。如圖5所示。

圖5 庫區左岸較密實粘性土中搭接試驗開挖檢查代表性圖片

5 試驗結果

根據試驗結果分析，本次試驗結論為：

(1)灌漿施工中，漿液以純水泥漿為主，正常情況下漿液比為1∶1、漿液密度1.5g/cm3；若遇到較長時間(5～10min)不返漿時，漿液比可調整為0.8∶1或0.6∶1；遇到漏漿量較大時可灌注水泥粘土漿或水泥膨潤土漿，混合漿液配合比(重量比)可為水泥：粘土(膨潤土)：水=1∶2∶3。

(2)庫區左岸擺噴防滲采用0.8m孔距、提速為14cm/min(水泥單耗量471.34kg/m)的擺噴施工，能達到較好的套接效果，能夠形成連續可靠的防滲墻墻體。

(3)壩基及壩肩高壓旋噴采用0.6m孔距、16cm/min提速(水泥單耗量436.88kg/m)的旋噴施工，能達到較好的套接效果，能夠形成連續可靠的防滲墻墻體。

6 效果評價

(1)大田水庫施工完畢后，對實際防滲效果進行了檢驗。對達到規定齡期的高噴防滲墻進行鉆孔取芯，并采用自上而下分段進行靜水頭壓水試驗，然后計算出滲透系數。經檢測壩基及左右壩肩已形成連續可靠的防滲墻，防滲墻防滲標準均小于k≤9×10-6cm/s，高噴墻體有效厚度均大于600mm，相應成果見表5。

表5 壩基防滲旋噴試驗檢查孔成果一覽表

(2)對大田水庫左岸高壓擺噴防滲墻的防滲性能進行圍井檢查，滲透系數均小于1.0×10-5cm/s，并形成了連續可靠的擺噴防滲墻。圍井檢查數據見表6。

表6 圍井試驗現場檢測成果表

7 結語

按照試驗確定的灌漿參數、灌漿試驗工藝進行施工，完工后通過對防滲墻進行鉆孔取芯和圍井檢查，防滲標準均小于1.0×10-5cm/s，墻體有效厚度均大于600mm，并形成了連續可靠的防滲墻。高壓噴射灌漿針對由粉土、粘土質砂、粉土和卵礫石土、礫質土組成的 “千層餅”結構，防滲堵漏技術效果顯著，具有可灌性好、可控性好、連接可靠等優勢。但在多種土層中實施高噴防滲墻，由于不能準確確定土層界面，無法保證樁徑上下相同。高壓噴射灌漿施工方便、施工質量可以得到保障，而且對環境無污染，值得在水利水電工程中推廣應用。