砂卵石透水地層圍堰高噴防滲施工技術(shù)

侯建宇，吳曉宇

(淅川縣水利局鴻禹水利水電工程有限公司，河南 南陽(yáng) 474450)

0 引言

高壓噴射灌漿防滲技術(shù)包括單管法、二重管法、三重管法和多重管法等施工工法，其中三重管法地層適用范圍廣。工程實(shí)踐證明，三重管高壓噴射灌漿技術(shù)施工設(shè)備簡(jiǎn)單、孔徑大，漿液噴射能量大、水泥漿液滲入效果好，施工速度快，固結(jié)體形狀易控制，對(duì)于透水砂卵石地層加固效果顯著。

1 工程背景

河南省淅川縣某水庫(kù)工程主壩為黏土心墻砂礫卵石壩，壩頂設(shè)計(jì)高程220.50 m，壩體長(zhǎng)320 m，壩高44.50～50.50 m，水庫(kù)建筑物均為Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。水庫(kù)河床段地質(zhì)條件為第四系沖洪積卵石和粉質(zhì)黏土，下伏弱風(fēng)化安山玢巖，巖層上下部分別為松散～稍密粉質(zhì)粘土、中粗砂、河床卵石層和中密～密實(shí)卵石層，透水性強(qiáng)。左岸Ⅰ級(jí)階地高17～28 m，寬25～35 m，滲透系數(shù)5.20×10-5cm/s，弱透水；右岸Ⅰ級(jí)階地高25～32 m，寬38～49 m，滲透系數(shù)4.41×10-5cm/s，弱透水。

2 施工方案及參數(shù)取值

2.1 施工方案

結(jié)合該水庫(kù)地質(zhì)條件，主要采用三重管旋擺搭接高壓噴射灌漿進(jìn)行其圍堰堰體和堰基部分防滲施工。三管法主要使用水、氣，漿三種介質(zhì)共同作用，即借助高壓水流沖切土體，水泥漿液跟進(jìn)充填，并在砂卵石層中形成密實(shí)連續(xù)的固結(jié)體。結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗(yàn)和本工程地質(zhì)條件，選擇地質(zhì)條件復(fù)雜的樁號(hào)0+080～0+128段階地及樁號(hào)0+460～0+498段河床為試驗(yàn)段進(jìn)行高噴灌漿施工，并根據(jù)試驗(yàn)情況確定施工參數(shù)。各試驗(yàn)段設(shè)置7個(gè)施工孔，并按1.10 m間距單排設(shè)置，鉆孔過(guò)程中跟管鉆進(jìn)、PVC管護(hù)壁，并按照“先導(dǎo)孔→Ⅰ序孔→Ⅱ序孔”的次序分兩序施工。施工過(guò)程中三重管旋擺噴設(shè)計(jì)詳見圖1。設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)20.50～32.00 m，樁底深入基巖至少0.50 m，旋噴樁直徑1.50 m，水灰比1∶1，水泥漿液制備使用強(qiáng)度等級(jí)P.O42.50的普通硅酸鹽水泥。

圖1 三重管旋擺噴設(shè)計(jì)示意圖

對(duì)于地質(zhì)條件較好的施工段及高噴孔深在20 m以內(nèi)的地段，按1.20 m確定孔距；圍堰中部地質(zhì)條件復(fù)雜且設(shè)計(jì)孔深25～35 m的區(qū)域按1.10 m確定孔距；壩下有大塊飄石的架空強(qiáng)透水層地段按1.00 m確定孔距，如果無(wú)法達(dá)到理想的防滲效果，還應(yīng)進(jìn)行深層堵漏。

2.2 施工設(shè)備

對(duì)于孔深>25 m、20～25 m、<20 m的施工段，分別采用HD-120型潛孔鉆、CM-3000型潛孔鉆和XYZ-70型沖擊鉆施工，跟管鉆進(jìn)，并在套管拔除前下入PVC管護(hù)壁。以山東泰安產(chǎn)高噴臺(tái)車為噴射設(shè)備，完成試噴后將噴管下至設(shè)計(jì)深度，并輸入水、氣、漿后靜噴3～5 min，并按設(shè)計(jì)速度由下至上提升、旋轉(zhuǎn)和擺噴，達(dá)到設(shè)計(jì)高度后停止水、氣、漿輸送并拔除噴射管。該水庫(kù)砂卵石透水地層圍堰高噴防滲施工使用4臺(tái)鉆孔設(shè)備，4臺(tái)噴漿設(shè)備，規(guī)格型號(hào)詳見表1，施工期50 d，日施工強(qiáng)度為250 m/d，設(shè)備配備符合施工強(qiáng)度要求。

表1 鉆孔及噴漿設(shè)備規(guī)格型號(hào)表

2.3 施工參數(shù)

水庫(kù)砂卵石透水地層圍堰高噴灌漿水泥漿液水灰比為1∶1～0.6∶1，密度1.60～1.80 g/cm3；孔斜控制在1%以內(nèi)，鉆孔深入基巖至少0.80 m，并保證噴管下設(shè)深度和實(shí)際孔深對(duì)應(yīng)。水壓、氣壓和注漿壓力分別按38 MPa、0.60 MPa和0.60 MPa控制；新填筑圍堰部分旋擺噴提升速度9.00 cm/min，圍堰以下原河床處Ⅰ序孔和Ⅱ序孔旋擺噴提升速度分別為6.00 cm/min和8.00 cm/min。高壓噴射灌漿前先在地面試噴，并同時(shí)進(jìn)行機(jī)械管路等運(yùn)行情況檢查，調(diào)整噴射方向和擺動(dòng)角度。將噴頭下入至設(shè)計(jì)深度后按照設(shè)計(jì)參數(shù)先原位噴射，等漿液返至孔口且無(wú)異常情況后提升噴射；在下放和拆卸噴射管時(shí)必須避免堵塞噴嘴。為確保固結(jié)體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，噴漿施工過(guò)程中因特殊原因中斷噴射、排除故障復(fù)噴時(shí)搭接長(zhǎng)度應(yīng)≥0.50 m。

3 施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 施工準(zhǔn)備

在準(zhǔn)備階段必須全面規(guī)劃施工場(chǎng)地，保證進(jìn)出場(chǎng)施工便道平整密實(shí)，在戧堤上游設(shè)置排漿溝和集漿池，排漿溝與高噴防滲墻軸線平行，集漿池按60 m間隔設(shè)置。將全部注漿孔統(tǒng)一編號(hào)，并采用全站儀進(jìn)行樁位放樣，用木樁在孔位中心標(biāo)記，孔序、編號(hào)及高程均用油漆標(biāo)明。

3.2 施工機(jī)械就位

待完成樁位校核后鉆機(jī)就位，并調(diào)平機(jī)身，使鉆頭和樁位中心對(duì)齊，誤差應(yīng)控制在10～20 mm；按照設(shè)計(jì)要求控制鉆速和孔斜率，鉆進(jìn)施工過(guò)程中還應(yīng)進(jìn)行孔位、孔深、地層地質(zhì)條件等的詳細(xì)記錄。完成鉆孔并檢驗(yàn)合格后，移走鉆機(jī)，高噴臺(tái)車就位，將水、氣、漿管連接好，并確保高噴臺(tái)車孔口和鉆孔軸心重合。

通過(guò)高速制漿機(jī)進(jìn)行P.O42.5普通硅酸鹽水泥拌和制漿，并加強(qiáng)水泥漿比重、溫度等的檢查和控制，拌和時(shí)間60 s，漿液溫度8～40℃。制備好的漿液過(guò)濾后應(yīng)在地面試噴，檢查噴漿系統(tǒng)運(yùn)行性能及堵管情況。

3.3 噴射施工

待試噴合格后緩緩下放噴射管至孔底，為防止噴管堵塞，應(yīng)在管口纏繞薄膠帶。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及施工參數(shù)向噴射管內(nèi)輸送水、氣和漿液，等水壓、氣壓、泵壓和風(fēng)壓均達(dá)到設(shè)計(jì)值后向孔底原位高噴1～3 min，使回漿密度升高至1.20 g/cm3后提升噴漿管，并連續(xù)噴漿；達(dá)到設(shè)計(jì)高度后原位繼續(xù)噴射1～2 min后停噴，拔管。在噴射施工過(guò)程中，必須連續(xù)勻速提升噴射管，并經(jīng)常性檢查水、氣、漿等介質(zhì)的噴壓及流量，保證參數(shù)取值正常。待結(jié)束噴射施工后，應(yīng)用清水將拔除的噴射管沖洗干凈，以備繼續(xù)周轉(zhuǎn)使用。

完成高壓噴射施工后水泥漿液會(huì)因固結(jié)而收縮，造成孔內(nèi)漿液面下沉，為此，必須將冒漿回灌至孔內(nèi)，直至孔內(nèi)漿液面不再下沉，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為止。

3.4 深層注漿堵漏

3.4.1 注漿方案

對(duì)于樁號(hào)0+080～0+128段階地及樁號(hào)0+460～0+498段河床通過(guò)高噴注漿即可達(dá)到堵漏效果；而對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的樁號(hào)0+100～0+105段階地及樁號(hào)0+475～0+480段河床，在高噴防滲施工的基礎(chǔ)上還應(yīng)進(jìn)行深層注漿填充堵漏，保證取得最佳防滲效果。具體而言，在壩下0+102.50及0+478段圍堰防滲墻內(nèi)側(cè)30 cm處基坑滲水部位增設(shè)4個(gè)回填堵漏孔，鉆孔至設(shè)計(jì)深度后先用添加速凝劑的濃水泥漿漿液回填，將架空墻透水帶的滲水通道徹底填滿后改用高噴灌漿形式封閉全孔。

3.4.2 注漿施工

施工過(guò)程開始后，分別在壩下0+100～0+120及0+470～0+495范圍內(nèi)的強(qiáng)透水帶下放注漿管，并以靜壓方式注漿，避免漿液快速擴(kuò)散，還應(yīng)在初期注漿漿液中摻加水玻璃；隨后改用0.20 MPa的低壓灌注濃漿。灌漿過(guò)程中應(yīng)結(jié)合圍堰內(nèi)側(cè)實(shí)際滲水情況進(jìn)行注漿結(jié)束時(shí)間的確定。由于1～3#孔滲水量大，且滲水時(shí)間長(zhǎng)，應(yīng)在孔內(nèi)灌注摻加3%水玻璃的濃漿，靜壓灌漿3 h后改用0.50 MPa灌漿壓力逐級(jí)加壓，各級(jí)持壓30 min，待注漿壓力增大至1.00 MPa，吸漿率不超過(guò)5.00 L/min，且滲水點(diǎn)不再滲水時(shí)，持續(xù)灌漿30 min后便可結(jié)束灌漿。其余灌漿孔注漿壓力上升至0.50 MPa且吸漿率不大于5.00 L/min、滲水點(diǎn)不再滲水時(shí)，持續(xù)灌漿30 min后結(jié)束灌漿。

4 施工效果

水庫(kù)工程圍堰地層中砂卵石、漂石含量多，粒徑大且膠結(jié)程度差，滲流量大，高壓噴射灌漿施工攢在較大難度。通過(guò)應(yīng)用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔有助于探明灌漿層地質(zhì)條件，為灌漿參數(shù)選取及順利施工提供了依據(jù)。待成孔后將PVC管插入豎向切縫中能有效避免塌孔，灌漿過(guò)程中借助高壓將管壁沖碎，保證了砂卵石地層高壓噴射灌漿施工的順利進(jìn)行。灌漿施工時(shí)地下滲流會(huì)導(dǎo)致漿液損失，不利于成墻厚度控制，通過(guò)減緩灌漿管提升速度、增加水泥漿液粘稠度可有效減輕高噴灌漿施工質(zhì)量受地下滲流的不利影響。

該水庫(kù)工程高壓噴射防滲灌漿施工歷時(shí)4個(gè)月，累計(jì)灌漿量0.50萬(wàn)m3，共消耗水泥0.80萬(wàn)t，注漿量均值685.10 kg/m，共成墻0.70萬(wàn)m2，達(dá)到了預(yù)期防滲效果。

5 結(jié)論

綜上所述，高壓噴射灌漿施工技術(shù)應(yīng)用于水庫(kù)圍堰開挖防滲時(shí)，應(yīng)從施工方案設(shè)計(jì)、施工設(shè)備選型、施工參數(shù)確定等角度加強(qiáng)控制，針對(duì)不同的地質(zhì)情況，應(yīng)制定科學(xué)的施工方案并選擇相適應(yīng)的高噴施工參數(shù)。水庫(kù)施工結(jié)束后質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果也顯示，整個(gè)圍堰高噴灌漿防滲施工效果良好，基坑開挖也未出現(xiàn)滲水，達(dá)到了預(yù)期施工目標(biāo)。