新三管法高压旋喷试验在大田水库坝基防渗工程中的应用

新三管法高压旋喷试验在大田水库坝基防渗工程中的应用

王庆芳 赵学勇

红河州水利水电勘察设计研究院 红河州 661000

摘要：本文通过介绍高压喷射灌浆成墙防渗作用机理后，进一步就应用新三管法高压旋喷在大田水库坝基上第三系砂性土、粉土、砾质土、卵砾石土夹粘性土中试验时的施工工艺、质量控制及处理质量作介绍，旨在对灌浆施工图设计及施工能起到指导性作用为目的，也可为类似工程参考借鉴。

关键词：高压旋喷 灌浆试验 新三管法 坝基 大田水库

高压喷射灌浆防渗技术自上世纪70年代初开始应用以来，由于其防渗性能的良好性及适用范围广深受工程界青睐。其不仅适用于软弱的淤泥质粘性土、粘土、粉土、砂土地层而且还适用于较坚硬的砾石层及漂卵砾石层，尤其是近年来在散体堆积体（堆石坝、风化料坝、围堰体、冲洪积含漂砂卵砾石层）中的成功防渗，不仅使工程施工得以顺利进行而且收到良好的经济效益和社会效益。

大田水库坝基地层层数多变显复杂，岩性主要由含卵砾石土、粘土质砂、含砾粉质粘土、粉细砂、砾质土、卵砾石土及粘土组成，且呈不均一性互层状构成散体结构，从而形成层状透水带，由此造成库水漏失严重且存在渗透变形破坏的不利条件；加上水库本区产水量少，需向外引水，所以防渗是减少库水渗漏，保证坝基稳定及大坝安全的有力措施。

1.高压喷射灌浆成墙作用机理

1.1冲切搅拌作用机理

水、浆在高压灌浆泵的驱使下于喷头喷嘴处形成高能量喷射束流直接对土体产生冲切作用，造成土体结构破坏（冲击切割、坍塌），随后浆液与被冲切下来的土体颗粒搅拌混合形成水泥土。随着水泥土析水凝固，最后形成较坚硬、密实的土石复合防渗体。

1.2充填压密作用机理

喷射束流末端，虽然能量衰减不能继续冲切土体，但是能对土体产生挤压力，若土体中存在较大空隙、空洞，则进行有效充填。同时在喷射灌浆结束后，浆体在凝固之前仍进行静压灌浆作用，其对周围土体和浆液不断产生挤压作用，促使凝结体与周围土体结合更为紧密，形成较宽厚的防渗共同体。

1.3升扬置换作用机理

射流在冲切过程中沿孔壁与喷杆之间产生的升扬置换作用是指实行水气、浆气喷射时，压缩空气除了起保护喷射束流的作用外，其能量释放过程产生的气泡能携带被冲切下来的土体颗粒沿孔壁内升扬到孔口排出，即是冲击切割下来的土体部分颗粒被升扬置换出地面，由此浆液灌入地层形成置换，使地层组成成分产生变化形成水泥土。

1.4位移袱裹作用机理

喷射流冲切掺搅过程中，若遇大颗粒如卵漂石、块石等，虽然其不能使大颗粒破碎并升扬出孔口，但是随着自下而上的冲切掺搅，在冲击震动力作用下大颗粒将产生位移，同时被浆液袱裹；浆液也可沿着大颗粒间孔隙周围直接产生渗透袱裹凝结作用，由此可形成犹如埋石混凝土一样坚硬、且密实的防渗复合体。

1.5渗透胶结作用机理

喷射灌浆过程中除在冲切范围内形成凝结体外，在束流末端余压及静浆压力作用下还可以向冲切范围外一定区域内的土体产生浆液渗透作用，形成渗透性凝结层，但其厚度与地层的级配及渗透性有关。

2.新三管法高压旋喷灌浆防渗的提出

2.1新三管法的形成

新三管法是近年来在老三管法的基础上通过灌浆设备的改进而出现的，其工艺特点是首先用高压水冲击切割原始地层，然后再用高压喷射浆液对地层进行二次切割；同时由于浆嘴、水嘴间距相对较大（一般25～30cm），水对浆的稀释作用大大减小，以利复合体的强度及密实性得到保证。新三管法与原三管法相比，不仅增大了喷射半径，也提高了凝结体的结石率及强度。

2.2坝基土体成层结构特点

大田水库坝基主要有第四系及上第三系两套地层，其岩性为黄褐、浅灰、灰及灰褐色含卵砾石土、粘土质砂、含砾粉质粘土、粉细砂、砾质土、卵砾石土及粘土，且呈互层状构成。由前期勘察资料可得，砾砂性土透水性大（K=1.05～6.73×10^-4cm/s）、属中等透水体且允许渗透比降小，存在沿层面顺走向向坝址下游及曲江盆地南缘渗漏问题。水库设计总库容1028万m³，兴利库容818.2万m³，灌溉面积1.79万亩，年供水量937万m³。经计算坝基总渗漏量为1084.11m³/d、年总渗漏量为39.028万m³、占水库设计兴利库容818.2万m³的4.77%，库水漏失严重且存在渗透变形破坏的不利条件。

2.3防渗的重要性

由水库规模、本区产水量、坝址地形地质条件可知，为保证曲江镇人畜引水及灌溉用水的需求及大田水库效益的正常发挥，必须减少库水渗漏损失、保证坝基稳定及大坝安全，为此防渗工作十分重要。由探查的坝基地质水文地质可知：采用常规水泥灌浆防渗其效果差，不能满足设计要求；采用混凝土防渗墙防渗效果好，但造价高；高压喷射灌浆防渗效果好，造价适中。通过几种方案比选后最终选定采用新三管法高压旋喷灌浆先行试验，并要求防渗体渗透系数K≤9.0×10^-6cm/s。

3.新三管法高压旋喷灌浆试验施工

3.1灌浆试验区的选择

根据前期勘察资料分析后在坝址区选择四个试验区段进行，里程分别为坝址一试验区0+062.73～0+066.33m、坝址二试验区0+146.33～0+149.93m、坝址三试验区0+242.73～0+246.33m、坝址四试验区0+345.53～0+349.13m。

3.2灌浆孔布置形式

坝基高压旋喷灌浆采用单排孔布设，套接联接，孔距为0.8m及0.6m进行试验，灌浆轴线位于坝轴线上游且相距1.5m。详见图1。

大田水库工程坝基高压旋喷灌浆试验孔布置图 图1

3.3高喷灌浆质量控制

为保证灌浆试验参数的准确性及真实性，灌浆试验期间严格按照《灌浆试验任务书》及《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》DL/T5200-2004执行。

3.3.1灌浆材料选择与使用

灌浆材料是保证帷体质量的重要因素之一，因此对材料的选择也是至关重要。由于本工程防渗坝基地层岩性为上第三系的含卵砾石土、粘土质砂、含砾粉质粘土、粉细砂、砾质土、卵砾石土及粘土组成，且呈互层水平状产出并具层状渗漏特点，但仍具有一定的密实性，不存在连通性好的较大通道及地下水渗流速度不是很快，仅有各层土中的孔隙性通道，所以在试验中仅用水泥一种灌浆材料。选用水泥为云南昆钢水泥建材集团红河州紫燕水泥有限责任公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，经检测其性能满足或符合设计及规范要求。施工中受潮结块者不使用，浆液拌制后先过1.5mm筛再进入储浆桶备用。

3.3.2施工程序

灌浆试验期间采用的施工程序分两序施工，即先灌Ⅰ序孔再灌Ⅱ序孔。单孔程序为：场地平整→测放孔位→造孔机械就位并造孔→终孔检查验收并起拔套管→高喷台车就位在地面试喷后下沉喷管至设计底高程→高喷作业开始（同时送水送浆送气在孔底设计高程上静喷）→孔口冒浆正常后按设计要求旋转及提升→至设计顶高程后停灌提出喷管并冲洗管路→回灌浆液至液面不再下沉→成墙结束。

3.3.3灌浆参数的选定

为确保灌浆成墙质量，试验期间采用的各参数见下表1。

大田水库工程坝基高压旋喷灌浆参数表 表1

3.3.4施工记录

施工记录主要包括造孔记录、检查记录及灌浆记录三大部分，其是反映灌浆过程及质量控制必不可少的工作。为确保灌浆质量，制浆回浆密度、造孔、检查记录及孔位等采用人工记录，灌浆记录中的水、浆注入量及压力采用灌浆自动记录仪采集。灌浆各参数压力、冒浆量、密度及提旋速指定专人记录，造孔及检查记录随班组及专人记录，气压及气量采用开山牌螺杆压缩机LG16/13G自动加卸载运行控制。

3.3.5孔位、孔深及方向

确保孔位、孔深及方向符合要求是高喷灌浆质量的重要因素之一，为防止孔位偏离设计孔位较多，施工中由设计方派出专职测量人员实测放孔，其偏差不超过20mm；为确保孔深满足设计防渗底界线，施工中根据孔口高程与防渗底高程来测算孔深，且实际孔深较测算深度多0.3m左右用以沉积造孔沉渣；方向主要是钻孔方向，钻孔方向为铅垂向，施工中喷杆弯曲率小于0.3%，钻孔偏距小于1%，进行旋转喷射套接。

3.3.6特殊情况处理

冒浆密度过大或过小：高压旋喷中，当孔口冒浆密度过大时采用降低进浆密度及加大喷水量进行综合调控；当孔口冒浆密度过小时采用提高进浆密度及增加喷浆量进行综合调控。

冒浆量过大或过小：一般情况下，当冒浆量≤注浆量的20%时为正常，当冒浆量＞20%或基本上不冒浆时为异常。冒浆量超过20%时，采取适当加快提速及提高喷射压力的措施综合调控，必要时更换或缩小喷嘴直径；基本上不冒浆或不冒浆时，采取降低提升速度及喷射压力或原地喷射灌浆，必要时加大喷浆量及进浆密度等。

浆液使用：灌浆过程正常时采用1:1的纯水泥浆进行喷灌；当冒浆比重过小或不冒浆需提高浆液密度时采用0.8:1或0.6:1的纯水泥浆喷灌；当冒浆比重过大时采取1.5:1的纯水泥浆喷灌，一般情况下孔口返浆密度大于1.2g/cm³后开始按要求旋转及提升，以后每提升1m喷杆检测一次进回浆密度。

复喷段长：拆卸喷杆后由于暂停造成灌浆的不连续，在重新喷灌时采用复喷20cm的搭接段长；若出现机械故障暂停时间超过30min的则复喷50～100cm的搭接段长。

塌孔：整个灌浆试验期间，先采用岩芯钻机成孔，孔径130mm，成孔验收合格在高喷台车就位前起拔套管。但在下喷杆中仍有不少孔存在不同程度的塌孔现象，为此在喷头底部设有锥形头，同时在锥形头正面留有三个气孔及侧面镶嵌有合金片，当喷杆下到塌孔处不能下放时，采用同时供气、供水（包括浆管）的措施把喷杆沉到设计要求的高程处，随后改为正常的供浆、供水、供气及符合设计要求参数喷射作业。

非灌浆段封孔：高喷灌浆结束后提出灌浆管进行管路冲洗，随后采用下一灌浆孔的回浆进行灌浆孔回灌及非灌浆段封孔，直至回灌浆液面不再下降为止。若不能采用回浆进行回灌时，则采用搅浆机拌制0.5:1的水泥浆进行回灌及封孔。

3.3.7环境保护

大田水库坝基地层岩性主要为含卵砾石土、粘土质砂、含砾粉质粘土、粉细砂、砾质土、卵砾石土及粘土组成，且呈互层状产出。由此在高喷形成的冒浆中含有一定的粘性土及砂砾颗粒，不宜回收利用，再加上试验区分散（一试区至四试区相距282.8m），制浆站与试区相距较远（最近320余米、最远608m），很难再回收利用，于是灌浆中产生的废弃浆液若不加处理将会对周围环境造成严重的污染。灌浆试验期间的处理措施主要为：就近利用试验区旁的小冲沟筑土堤围塘储存废弃浆液，待浆液析水沉淀凝固后，把清水排出引向河道，最后清除水泥砂砾混合浆凝固体至设计指定的弃渣场；在试验区旁无可利用的小冲沟时，采用排污管道引向具有可储存废弃浆液的土堤围塘或人工开挖坑塘进行沉淀凝固后再排放清水及清除凝固体。

4.质量检查

灌浆试验期间对防渗质量的检查主要是采用在套接处钻孔注水试验法、开挖直观检查及取样在室内做检测进行；其次综合分析灌浆资料及原始记录等，通过对资料的分析及试验成果来评定防渗质量。

经检查孔注水试验：坝基一试验区至四试验区共打8个检查孔，共计注水57段次，其渗透系数K=1.18×10^-6～6.98×10^-6cm/s、平均K=2.64×10^-6cm/s，满足设计要求；经取2组水泥土结石检测得渗透系数K=3.36×10^-7cm/s、K=6.49×10^-8cm/s、平均渗透系数K=2.0×10^-7cm/s、抗压强度R₂₈=2.36～13.5Mpa；经2个试验区开挖检查，0.8m孔距其搭接厚度为最小0.30～0.35m、最大0.5～0.6m、平均搭接厚度0.48m，0.6m孔距搭接厚度0.60～0.70m、平均搭接厚度0.66m，均达到本次试验的目的且满足设计要求。

5.结语

大田水库属于一座以农田灌溉及乡镇供水为主的中型水利工程，由于本区产水量少，不能满足水库正常蓄水要求，需向本区以外引水，故水库来水由水库本区及引水区组成。另外由于水库坝基土层透水性强，且存在渗透变形破坏的地质水文条件，为此需采用有效且彻底的防渗处理措施。实践证明，大田水库坝基采用新三管法高压旋喷灌浆防渗不仅能解决坝基土层结构复杂多变的渗漏问题及渗透变形问题而且其防渗幕墙连续且墙厚能满足设计要求。其试验施工的成功，可以为灌浆设计及施工提供有力的技术支撑。

参考文献：

[1] 夏可风、孙钊等 《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》DL/T5200-2004 中华人民共和国国家发展和改革委员会 2005.4.1

[2]唐绍富 《建水县大田水库工程库区防渗高压摆喷灌浆试验报告》 红河州水利水电勘察设计研究院 2016.4

王庆芳 1972年8月 1996年7月毕业于云南省农业大学 红河州水利水电勘察设计研究院 红河州蒙自市人民西路龙井巷136号

赵学勇 1973年6月 1995年7月毕业于云南省水利水电学校 红河州水利水电勘察设计研究院 红河州蒙自市人民西路龙井巷136号