穿越黄河浅滩基坑截渗灌浆在西霞院输水灌区工程的成功应用

穿越黄河浅滩基坑截渗灌浆在西霞院输水灌区工程的成功应用

王词重

中国水利水电第十一工程局有限公司 河南郑州 450001

摘要：水利工程是国民经济发展的基础设施，在社会发展中占据着重要地位，是关系着国计民生的大事。当前引调水和灌区工程在国内蓬勃发展，施工过程的降水作业是保证干地施工的重要因素之一，而如何最经济、最安全的在黄河浅滩砂卵石强透水层基础进行取水建筑物的顺利施工关键所在，本文以在西霞院水库坝后砂卵石强透水层截渗为目标进行研究，分析出对坝后渗流影响最小、施工最经济截渗效果满足施工要求的截渗方法，通过对建筑物基坑下部5m厚度范围的基础固结灌浆，使得与黄河连通的砂卵石基础由强透水层转变为弱透水层，大大减少了基坑的施工时的降水量，也确保了基坑施工期的安全，值得类似地质条件工程借鉴。

关键词：黄河浅滩 砂卵石层 固结灌浆 截渗

1、工程概况

河南省西霞院水利枢纽输水及灌区工程位于河南省黄河北岸，从洛阳市孟津区西霞院水库坝下北岸已建灌溉闸引水，通过新建一条自西向东长114.283km的输水总干渠，取水建筑物为渠首倒虹吸，全长1275m，倒虹吸管身横向为2孔，箱形钢筋混凝土结构，单孔尺寸3.5m×3.5m（宽×高）。主要建筑物由进口至出口依次为：进口渐变段、管身段、出口控制闸和出口渐变段组成。

2、水文地质

2.1气象水文

河南省西霞院水利枢纽输水及灌区工程段黄河流域为温带和副热带季风区，属半干旱气候，冬季受蒙古高压控制，盛行偏北风，气候干燥严寒，降雨稀少。夏季西太平洋副热带高压增强，暖湿的海洋气团进入流于境内，蒙古高压渐往北移，冷暖气团相遇，多集中降水，多为锋面雨和气旋雨。灌区多年平均降雨量597.72mm,多年平均蒸发量一般为950mm。灌区气候温和，冬冷夏炎，四季分明，多年平均气温14.1℃，一月最冷，平均气温0.6℃，平均最低气温-0.4℃，极端最低气温-21℃（1958年）；七月最热，平均26.7℃，极端最高气温43.1℃（1966年）。

2.2工程地质

建筑物位于南陈村南约 800m，在西霞院水库管理区外围的黄河湿地保护区内，场区地貌单元属黄河滩区，其中进口段300m穿过黄河浅滩，为西霞院水库坝下库区保护范围，场区地层为第四系全新统上段冲积物，岩性主要由砂壤土及卵石层构成，共分 2 个土体单元。由老至新叙述如下：

第②层卵石（）：灰白色为主，局部灰色、紫红色，中密状，主要成分为石英砂 岩、砂岩、灰岩，次圆状，粒径一般 5～20cm，渠首附近漂石粒径一般20～30cm，最大粒径1m以上，含量为60%～80%，充填砂砾，有架空现象，钻探时有漏浆、掉钻塌孔等现象。个别大于 10cm，含量 60%左右，砂质充填，胶结较差，具有强透水性。在勘探深度范围内，揭露最大厚度为31.5m。

第①层砂壤土（）:浅黄色，分布于地表，结构松散，土质不均，局部含砂量大，一般具弱~中等透水性。厚度约2～3m。

3、渠首倒虹吸进口段穿越黄河的可能存在的安全风险

渠首倒虹吸进口段约300m穿越黄河，且位于西霞院水库大坝坝后尾水回水区，在倒虹吸进口段施工时受西霞院水库尾水影响，基坑内地下水由黄河补给，且与黄河水贯通性好，在施工期间，两岸边坡砂卵石地层及上部砂壤土受地下渗流影响，边坡产生流砂流土可能引发边坡坍塌；在工程建成后，渠首倒虹吸工程基础也可能出现管涌，基础细颗粒流失将造成倒虹吸基础局部脱空，降低基础承载力并引起倒虹吸管段间基础不均匀沉降，引发倒虹吸管节间止水拉裂、失效从而造成工程质量事故。

4、截渗方案的比选

为此，组织项目参建各方及行业专家召开截渗方案的研讨和论证，由于水库管理方明确不允许采用地下连续墙方案，主要讨论了三种方案：1）在渠首倒虹吸基坑周边采取高喷灌浆方式形成帷幕封闭，阻止黄河水进入基坑；2)对渠首倒虹吸基坑范围采取高喷灌浆方式进行固结，而后进行基坑施工；3）仅对开挖断面以下一定范围进行灌浆固结。

4.1高喷灌浆帷幕方式的特点

1）帷幕灌浆可以有效的阻断周边水渗入，使基坑周边形成封闭区域；

2）帷幕灌浆深度大，存在不可预见性。目前设计勘探到砂卵石地层厚度达31.5m（未揭穿），加上砂壤土地层，其帷幕灌浆深度达40m以上，高喷管克服地层阻力旋转扭力加大，使高喷灌浆的深度受到限制，施工难度大，钻孔偏差、孔内事故将严重影响帷幕孔间咬合、镶嵌形成封闭；

3）1990年，与西霞院地层类似的小浪底枢纽工程在进行下游防渗帷幕设计时，由率先在国内首次推广高喷灌浆的山东省水利科学研究所牵头组织高喷灌浆试验工作，但最终否定灌浆帷幕，采用地下连续墙方案，这个经验教训值得在此借鉴；

4）如在勘探范围内采取高喷帷幕灌浆方式，该帷幕为悬挂式帷幕，渗水击穿渠首基础覆盖层的风险较大，同样存在基础淘空的风险。

5）帷幕灌浆造价较高。

4.2高喷固结灌浆存的特点

1）砂卵石地层采用高喷灌浆形成的柱状固结体直径一般在80cm以下，孔间距不宜大于60cm，因此，钻孔工程量大，施工成本高；

2）砂砾石地层采用高喷灌浆的适宜条件为地层中细颗粒含量需超过40%左右，且最大粒径不宜超过20cm,而地勘资料显示“卵石成分含量为60%-80%，渠首附近漂石粒径一般20～30cm，最大粒径1m以上”，因此，采取高喷固结方式难以达到预期目标。

3）砂卵石地层中渗流对浆液固化的影响，使得浆液随渗流方向流失，影响高喷固结灌浆效果。

因此，本工程选择对渠首倒虹吸基坑开挖面以下一定范围进行固结灌浆，作为基坑截渗的主要方案。

4.3开挖断面以下一定范围进行固结灌浆的特点

1）砂卵石基础固结灌浆自上世纪50年代以来，大量用于国内工程实践，具有成熟的工艺和设计技术参数可供借鉴；

2）砂卵石基础灌浆通过压力渗透，浆液通过压力将地层中的水挤出并置换而堵塞渗漏通道，因此，与高喷灌浆方式相比，它不存在渗水进入柱状固结范围对浆液的稀释和流失，容易达到固结效果；

3）砂卵石基础固结灌浆的可灌性和可控性能够得到保证，灌浆过程中地层吃浆量大或浆液流失时，可采取限量注浆、间歇灌浆、重复灌浆、掺加速凝剂等方式进行控制，其可灌性方面可通过浆液比级调整和变换、以及改变灌浆材料等来实现，因此，其灌浆方式更加方便和灵活；

4）砂卵石地层采用基础灌浆方式可采取较大的钻孔间距，目前可供参考的类似工程钻孔间距一般为3-6m，其钻孔工程量仅为高喷灌浆工程的10-20%，显著降低工程造价；

5）仅对基坑开挖断面以下进行固结灌浆，基坑开挖不受影响，且灌浆范围仅为基坑以下5m范围，不会影响西霞院水库大坝下游的地下渗流。

5、截渗固结灌浆的实施

4.1 截渗固结灌浆的技术参数

4.1.1基础灌浆固结深度

基础灌浆固结深度按压盖原理考虑，压盖厚度略大于外水渗透压力即可。相关资料显示渠首倒虹吸降水深达10m左右,砂卵石料固结容重按20KN/m3计算，即砂卵石基础表面考虑固结深度5.0m即可，考虑到部分河床占压段，在挡水围堰内侧回填砂卵石，以确保截渗的干地作业。

图1  渠首倒虹吸进口段基础截渗固结灌浆钻孔布置断面图

4.1.2基础固结范围

沿轴线方向考虑向下游延伸50m，即灌浆固结长度为350m,在临近黄河侧围堰形成后，垂直围堰向黄河河道方向延伸长度按3-5m考虑。

4.1.3基础固结钻孔间距和灌浆压力

砂卵石层中细颗粒含泥量小于8%以下时，砂卵石地层透水严重，局部含泥量较大时，透水情况在弱透水至强透水之间，钻孔间排距按3.0m考虑，灌浆压力选用0.3-0.5MPa。

4.1.4基础固结灌浆执行标准

基础固结灌浆执行现行水利工程灌浆规范，浆液灌浆比级结合现场砂卵石严重透水情况选用1:1、0.75:1、0.5:1三级，水玻璃掺量10%，开灌比级1:1。

本工程基础灌浆目的主要是解决地基的渗流稳定、并在此基础上以实现减少渗漏水进入基坑，降低排水难度，按照“堵排结合，以堵为主，以排为辅”的原则，基础固结灌浆检查孔压水试验检查孔压水检按4-10吕荣控制。

4.2.施工工艺流程及方法

以便砂卵石地层基础灌浆实现充填、包裹、劈裂、挤压的灌浆目的。同时，通过缩小钻孔间距，采用相对低的灌浆压力，防止灌浆串漏，减少发生串漏后需要采取降压、间歇待凝、嵌缝止漏延误工效，确保基础灌浆有序进行。

西霞院水利枢纽输水及灌区工程渠首倒虹吸基础灌浆防渗施工技术要求

4.2.1灌浆材料、制浆和灌浆设备

（1）灌浆材料

本工程基础固结灌浆采用P.O42.5级水泥，产品符合规范要求，并经进场检验合格，灌浆用水应符合拌制水工混凝土用水要求，并满足JGJ63-2006标准的规定。

在特殊条件下，根据需要可在水泥浆液中掺加掺合料和外加剂，其种类和掺量应通过室内浆液试验确定。其中掺入砂、水玻璃等掺合料时，砂应采用质地坚硬的天然砂或人工砂，粒径不宜大于1.5mm。水玻璃：模数宜为2.4~3.0，浓度宜为30~45波美度。

（2）制浆

制浆材料必须称量，称量误差应小于5%。水泥等固相材料宜采用重量称量法。纯水泥浆液的搅拌时间，使用普通搅拌机时，应不少于3min；使用高速搅拌机时，以不少于30s。浆液在使用前应过筛，自制备到用完时间宜小于4h。

（3）灌浆设备和机具

灌浆设备允许工作压力应大于最大灌浆压力的1.5倍，压力波动范围应小于灌浆压力的20％，根据灌浆需要应配置高速、低速浆液搅拌机及砂浆泵，灌浆管路应保证浆液流动畅通，并能承受1.5倍的最大灌浆压力，灌浆压力宜在压力表最大标准1/4~3/4之间，压力表与管路之间应设有隔浆装置。

4.2.2钻孔、冲洗与压水试验

（1）一般要求

所有钻孔编号、孔深、孔序的划分均应按施工图纸执行，钻孔应按灌浆分序、分段原则钻进，后序孔应在周围的前序孔灌浆完毕且封孔后方可开钻。

（2）钻孔

砂卵石钻孔采取跟管钻进，套管内采取冲击回旋钻掏取，本工程孔径为φ110mm。钻孔的终孔深度应符合设计规定。孔斜偏差应满足规范规定允许值。

钻孔时应对钻孔中揭示的各种情况如涌水、失水、外漏、塌孔、掉块、卡钻、架空、地层变化等作详细记录，作为分析固结灌浆质量的基本资料。

（3）钻孔冲洗和压水试验

钻孔结束后，应立即用大流量水流对套管内的残留岩粉等进行敞开冲洗，直至回水澄清后10min为止。冲洗后，孔内残留物的厚度不得超过20cm，并填好冲孔记录。

每个单元灌浆区域内应选择有代表性的孔段进行单点压水试验，其孔（段）数应不少于单元灌浆区域内总灌浆孔（段）数的5%，压力一般采用相应灌浆孔段80%的灌浆压力，如该压力超过1MPa时采用1MPa。

4.2.3灌浆

灌浆采用全孔段一次纯压式灌浆，在孔口0.6m处进行阻塞，为防止地面抬动，灌浆原则上一泵灌一孔，当相互串浆时，采用群孔并联灌注，但并联孔数不宜多于3个，并应控制灌浆压力0.3-0.5MPa。灌浆前应先进行生产性灌浆试验。

浆液水灰比按1：1、0.75：1、0.5:1（重量级）三个比级,浆液浓度由稀到浓逐级改变，未发现任何漏冒串浆时不得越级。某一浆比，灌300L时注入率与初始值之比，大于0.8时，则应加浓一级浆比；当注入率大于20L／min时，可越级变浓。

灌浆结束标准：在设计规定压力下，灌浆段的注入不大于0.4L/min，群孔不大于0.8L/min时，再继续灌30min即可结束。采用水灰比0.5:1的浓浆进行封孔。

4.2.4特殊情况处理

灌浆过程中遇到冒浆、串浆、吃浆量大时，按灌浆技术要求进行处理。

4.2.5质量检查

质量检查以压水试验为主，检查孔压力采用灌浆压力的80％，检查孔透水率q≤4Lu，单元灌区内压水检查的合格率应达70%以上，其余不合格孔段的基岩透水率最大值应不超过10Lu，且不集中方可认为合格。

6、截渗的效果

经过对开挖断面以下5m厚砂卵石层的固结灌浆，渠道倒虹吸进口段在施工过程中，未出现较大渗水情况，成功的强透水层转化为弱透水层，不仅保证了基坑土建工程施工，降低了排水量，减少了基坑坍塌的风险，而且确保了倒虹吸基础的运行期的安全，为今后黄河滩区砂卵石地基的基坑施工提供了经验。

参考文献

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