王利 WANG Li
（中国水利水电第十工程局有限公司，成都 610083）
摘要：作者讲述本人在四川嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程施工中，对水下深厚层无碾压土石围堰防渗体系施工技术的研究与成功应用，为类似土石围堰工程防渗施工提供借鉴和成功经验。
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关键词 ：深厚层；无碾压；土石围堰；防渗；技术
中图分类号：TV543 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0141-05
作者简介：王利（1976-），男，四川仁寿人，高级工程师，中国水利水电第十工程局有限公司嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程项目经理部副经理兼总工程师，长期从事水利水电工程施工技术与管理工作。
0 引言
高压喷射灌浆技术自20世界70年代引进至我国，后逐渐在各行业建筑工程领域推广，普遍应用于建筑物的地基加固，提高地基承载能力。高喷灌浆技术在水利水电行业中除了地基加固外，更为广泛地应用于水工建筑物的防渗工程中，与一般的地基加固相比，建造高喷防渗墙有不同的特点和要求，多年来经过我国水利水电工程行业广大工程技术人员的共同努力，在各种规模的水工建筑物中建造了大量的高喷灌浆防渗墙，积累了一些成功经验。
我国水利水电工程界技术人员通过大量工程实例证明，高喷防渗墙施工技术主要适用于软弱地层，在淤泥质土层、粉质黏土、粉土、砂土、黄土、级配较好的砂卵（碎）石层等松散透水地基或填筑体内的防渗工程中，效果较好。对含有较多漂石或块石的地层，需慎重使用，且在某些水电工程项目有失败的教训，如某公司在重庆乌江某水电站高喷防渗墙施工失败，造成发电工期滞后；某公司在四川岷江某水电站高喷防渗墙施工失败，给工程防洪度汛造成严重影响；某公司在四川青衣江某水电站高喷防渗墙施工失败，使工程工期延误了一个枯期等等。根据水利水电工程施工特点，工程基本处于深山峡谷区，河道中存在大量的漂石和大块石。嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程中的土石围堰是当地人多年反复采用船采砂石料后，河床形成了深槽区，深槽区内有采砂船抛投的大量废弃块石料，且围堰是在水下深厚层无法实施碾压的条件下填筑而成的，围堰存在大块石集中、围堰填筑体结构松散等复杂的地质条件，基本没有类似的工程成功经验可借鉴。因此，本工程围堰的防渗施工具有极大的挑战性和重要意义。
为了使本工程围堰防渗墙施工取得成果，本文做了大量的试验研究和技术工作，根据高喷防渗墙成墙机理和工艺特点，本文采取了高压旋喷、高压旋喷和高压摆喷相结合、高喷和传统的控制性灌浆堵漏技术相结合的方法进行围堰防渗体系施工。
1 工程介绍
1.1 工程概况
嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程属嘉陵江干流四川广元至苍溪河段梯级开发的第一级，工程坝址位于四川省广元市嘉陵江河段下游，枢纽工程开发任务为发电、航运、建设城市水环境和景观工程，并兼有提高城市防洪能力的作用，属河床式开发，水库正常蓄水位472.5m，总库容6860万m3，日调节库容412万m3。电站额定水头13.4m，引水流量253.4m3/s，电站装机容量30MW，为贯流式机组。船闸按Ⅳ级航道通行2×500t级船队，船闸单向年过闸货运量近期为62万t，远期为109万t。嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程建筑物垂直河流呈“一”字型排列，沿坝轴线自左至右依次为左岸连接坝段、船闸、泄洪冲砂闸及右岸厂房。坝轴线全长378.5m，泄洪冲砂闸闸室共13孔，单孔净宽14m，闸轴线总长为223m，闸坝最大高度39m。右岸厂房包括进水口建筑物、主厂房、副厂房、开关站、尾水渠及进厂交通公路等。船闸由上引航道、上闸首、闸室、下闸首和下引航道组成。
本工程合同工期为32个月，主要工程量有土石方开挖157万m3，混凝土浇筑36万m3，钢筋制安6500吨，金属结构制作安装3850t，围堰填筑33.7万m3，围堰高喷防渗墙35150m，合同金额为人民币32336.91万元。
1.2 地质条件
工程区内地下水类型主要有第四系松散堆积层中的孔隙潜水、基岩裂隙潜水、基岩裂隙空隙承压水三种类型。主要为赋存于河床、漫滩砂卵砾石层中，砂卵砾石渗透系数K=1.9×10-1～9.7×10-3cm/s，平均值K=3.5×10-2cm/s，属强透水层，含水丰富。地下水位与河水位关系密切，随河水涨落而变化。
围堰经过左右岸漫滩及河床，围堰地段漫滩覆盖层厚度一般7.1m～9.6m，河床覆盖层厚度一般11.8m～23.7m，纵向围堰及左岸下游围堰位于河谷基岩深槽区，上、下游围堰地基覆盖层厚度6m～21m，主要由砂卵砾石组成，局部夹中细砂透镜体。砂卵砾石层渗透系数K＝3.5×10－2cm/s，属强透水层，应进行防渗处理。由于受当地人多年反复船采砂石料的影响，纵向围堰河床段形成了深槽区，水下深度一般在10m～20m。
1.3 施工进度规划
根据嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程施工进度规划，工程分为两期施工。施工导流采用两期两段分期导流的方式，为土石围堰结构。第一期为全年围堰导流，导流时段为2013年11月1日~2014年9月30日。一期上游围堰堰顶高程为EL471.5m，土石围堰堰顶至基岩面高度约为40m，围堰长度为687m。第二期为枯期导流，导流时段为2014年10月1日~2015年4月30日，二期上游围堰堰顶高程为EL464m，土石围堰堰顶至基岩面高度约为24m，围堰长度为665m。
2 围堰填筑施工
本工程围堰采用土石围堰结构，分水上和水下两部分施工。当地人多年反复采用船采砂石料后，河床形成深槽区。纵向围堰深槽区水下填筑深度约25m左右，由于水下深厚层土石围堰填筑时无法实施碾压，围堰的防渗体系施工将是极大的挑战。因此，水下围堰填筑时尽量采用级配相对较好的土石料和砂卵石料进行填筑，避免用大块径抛填。水上部分的围堰填筑按照土石坝施工工艺分层填筑分层碾压。
3 一期围堰防渗体系施工
3.1 防渗方案的确定
根据本工程实际情况，并结合类似工程施工积累的成功经验，该土石围堰可采用混凝土防渗墙和高喷防渗墙两个方案。根据施工进度计划安排，一期需要完成土石方开挖55万m3，混凝土浇筑17.5万m3；二期需要完成土石方开挖51万m3，混凝土浇筑18.5万m3。由于工期紧，任务重，从工期、工程投资和施工条件综合分析论证，最终确定采用高喷防渗墙施工方案。
3.2 高喷防渗墙工艺介绍
高喷防渗墙是依靠高压喷射灌浆形成的连续防渗墙。高压喷射灌浆是一种采用钻孔，将有特制合金喷嘴的注浆管下到预定位置，然后用高压水泵和高压泥浆泵（30～40MPa）将水或浆液通过喷嘴高速喷射出来，通过高速射流束冲击、切割破坏地层，使水泥基质浆液在喷射范围内扩散、充填和置换，并与原地层掺混搅合后形成凝结体，从而改变原地层的结构和组成，提高地基和坝体防渗性能和承载力的新型防渗施工技术。高压喷射灌浆的施工方法有单管法、二管法、三管法和多管法。高喷灌浆喷射形式有高压旋喷、高压摆喷和高压定喷三种。喷嘴喷射时，一边提升，一边进行旋喷则形成柱状墙体；一边提升，一边进行摆喷则形成哑铃状墙体；一边提升，方向固定不变，进行定喷，则形成板状墙体。
高压旋喷灌浆施工示意及工艺流程见图1、图2。
3.3 一期全年围堰防渗施工
根据钻孔勘察资料和围井试验钻孔资料分析，本工程土石围堰主要由砂卵砾石层和回填砂卵石土层组成，并结合嘉陵江流域类似工程施工经验，一期围堰高喷灌浆采用旋喷形式。
3.3.1 高喷钻孔
钻孔采用中风压空气潜孔锤双偏心钻进方法，钻机型号为YXZ-90，钻孔直径Φ146mm，入岩1m。该施工工艺方法改变了传统的研磨与切削钻进机理，使岩石及砾石成体积破碎，大大提高了钻进速度和成孔质量，且在碎岩的同时导管同步跟进，避免了钻孔垮塌和重复破碎，提高了施工效率。在该工艺方法中，空气既为碎岩提供动力又作为排渣的介质使岩屑及时排出孔外，保证了钻孔的清洁和垂直度。钻进结束后，采用直径Φ110mm的pvc管将地质套管置换出孔外，再将孔口保护好。
3.3.2 高喷灌浆
本次施工采用XPB-90E高压注浆泵进行送浆或送水，采用GYP-50步履式和ZL-50B履带式两种高喷台车进行喷浆施工。
注浆材料：采用散装 P.O 42.5R硅酸盐水泥，保证高喷墙体强度。
水灰比：“双管法施工”采用水灰比为1∶1纯水泥浆，“三管法”采用水灰比为0.8:1的水泥浆。
高压喷射灌浆台车就位，并先在地面进行试喷，以检验喷浆机械的各种性能，然后将喷射管下放至孔底，自下而上进行旋喷。喷浆开始时先送入符合要求的水、气、浆，孔底静喷1~3min，待注入的浆液正常返出孔口后，按监理人批准的施工参数自下而上边喷射、边转动、边提升，直到设计高程。喷射灌浆结束后，继续往孔内送水泥浆液或将正在喷浆施工所返出的浆液汇入已喷浆结束的孔内，直至孔口浆液下降不明显为止。当喷射工作完毕后，及时对各管路冲洗干净。
根据高喷围井试验成果选定的高压旋喷灌浆施工参数如表1所示。
一期围堰高喷防渗墙工程量为18560m，计划工期为60天。由于一期工期非常紧张，业主要求将一期围堰高喷防渗墙施工工期压缩至45天完成。施工单位项目部于2013年12月8日开始进行一期围堰高喷钻孔施工，2014年1月15日完成。待凝7天后，进行一期基坑排水，至2月2日，投入90～160kW的离心式水泵共计12台，总功率971kW，额定排水量7850m3/h，尽管如此，仍无法将水抽排下去，未能达到预期的防渗效果。2014年2月10日，业主邀请设计单位、咨询公司、施工单位及资深的高喷防渗施工专家组织召开专题研讨会，研究论证一期围堰渗水处理方案。
各位专家一致认为，由于工程区域河道被当地人反复船采过砂石骨料形成了大量的深槽区，地质情况发生了极大变化，水下无碾压深厚层土石围堰填筑体相对不密实，给防渗体系施工带来极大难度。加之一期全年围堰汛期将承受35m及以上的水头压力，专家组认为，超过20m孔深的围堰段采用双排高喷防渗墙较有保障。
3.4 一期全年围堰防渗补强处理施工情况
3.4.1 补强处理方案确定
经现场勘查，主要集中涌水段位于下游围堰，0+465～0+599m段长134m，纵向围堰存在多处渗水段，上游围堰无明显渗水点。经分析论证，确定对下游围堰0+465～0+599m段集中涌水段采用控制性灌浆补强，0+60～0+465m段围堰增设双排高喷孔，第二排高喷防渗墙布置于第一排高喷墙轴线外侧60cm处，间距1m，分两序施工。其余部分为右岸岸坡段孔深15m以下的浅孔，视情况进行补强处理。
3.4.2 控制性灌浆防渗机理
控制性灌浆防渗机理和帷幕灌浆机理基本相同，主要利用水泥浆液的渗透和扩散机理起到防渗的作用。不同的是控制性灌浆从灌浆可控性出发，结合流体和固体的受力特征，应用水泥浆液加外加剂（如水玻璃、絮凝剂等）后迅速失去流动性而变成凝固体的特性，在灌浆浆液中增加外加剂和堵漏物质，及时堵塞流水通道，及时凝结，从而控制浆液扩散半径，达到控制浆液渗漏的目的。
3.4.3 控制性灌浆和普通灌浆的区别
选用控制性水泥灌浆防渗帷幕或常规水泥灌浆防渗帷幕，其施灌方法及技术参数的控制和选择都是有一定的区别，主要的区别为：
其一，灌浆方法不同。常规水泥灌浆一般为单液灌浆系统，而控制性水泥灌浆必须用双液灌浆。用双液灌浆方法灌注控制性浆液，以控制灌入的水泥浆液的凝胶时间。
其二，普通灌浆会出现串浆、冒浆，在动水条件下无法施工，而控制性灌浆可以在动水下施工，施工过程中不会出现串浆、冒浆现象。常规水泥灌浆浆液遇到动水水流的稀释后，会顺水流流向下游，无法达到灌浆防渗的效果。而控制性灌浆浆液中由于添加了水玻璃和絮凝剂等材质，浆液扩散到一定范围后立即凝固，不会出现串浆、冒浆的现象，也不会出现被水流稀释后被水流带走的现象。
其三，灌浆结束标准要求有区别。常规水泥灌浆帷幕的结束标准为达到设计要求最大灌浆压力后进浆量必须小于某一值（例0.4L/min）再稳定30min，即结束标准必须满足最大灌浆压力值、进浆量小于某值、稳定时间三个条件的标准。而控制性水泥灌浆在静压和有压注浆时，只需满足孔口返浆和达到最大压力值后方可结束，没有进浆率和稳定时间的要求。
其四，按水泥灌浆规范，常规水泥灌浆要求有一定的压重和混凝土盖板，灌浆最好在静水（即没有地下水流动）条件下进行。而控制性水泥灌浆只要有1.0m左右的孔口管，不需混凝土盖板，灌浆时对流动水也没有要求，因控制性浆液能及时堵塞流水通道。
3.4.4 控制性灌浆施工工艺及施工方法
钻孔采用中风压空气潜孔锤双偏心钻进方法，钻机型号：YXZ-90，开孔直径Φ146mm。灌浆采用灌浆泵或螺杆泵进行浆液输送，大漏失段采用静压分段灌注，渗漏较小孔段进行有压分段灌注，灌注压力0.3~0.5MPa。
围堰控制性灌浆防渗施工工艺流程为：孔位放样→钻机就位→钻孔→静压或有压灌注→起拔套管（孔口返浆）→灌注→起拔套管…→终孔灌浆→封孔。
灌浆结束条件：静压达到孔口返浆后即可起拔套管，起拔至孔口即可结束灌浆；有压灌注达到灌浆压力即可起拔套管，拔至孔口即可结束灌浆。
3.4.5 高喷补强施工
新增的第二排高喷孔采用“双管法”和“三管法”两种施工工艺进行施工，双管法进浆采用1∶1，三管法进浆采用0.8∶1。
主要施工技术参数：
提速：I序孔6～8cm/min，II序孔8～10cm/min，围堰回填层10～12cm/min；
浆压：“双管法”I序孔压力32～34MPa，II序孔压力34～36MPa；
“三管法”压力：0.2～1.0MPa；
浆量：“双管法”不低于60L/min，“三管法”不低于70L/min；
水压：“三管法”35～40MPa；水量：“三管法”70～80L/min；
风压：0.6～0.8MPa；风量：0.6～1m3/min；
返浆密度：“三管法”不低于1.2g/cm3， “双管法””不低于1.3g/cm3。
历时37天完成一期围堰轴线长度405m高喷补强，工程量11069m，平均单耗902.4kg/m。最后一序孔施工完成7天后，采用潜孔钻机钻孔进行质量检查，均布置在施工过程中存在异常孔段附近，取芯揭示围堰防渗墙芯样较完整。进行高喷补强施工后的一期围堰防渗效果较理想，后续基坑施工安装两台132kW的水泵就能解决基坑排水问题，两台132kW的水泵额定排水能力为1800m3/h，其中一台处于间歇性性工作状态，为一期干地施工和二期按期截流创造了有利条件。
4 二期围堰防渗体系施工
4.1 防渗方案确定
二期围堰防渗施工开始前，项目部在二期下游横向围堰深孔段选取两个区域进行围井试验。围井区域位于主河道水下无碾压深厚层填筑区，对围堰地质情况极有代表性。考虑到二期围堰是枯期围堰，防渗水头约23m，远小于一期全年围堰40m的水头。同时为了使高喷试验具有对比性，拟在同一试验区域选用两种围井试验方法，两个围井分别采用“三管旋喷”和“三管摆喷对接”施工工艺。方法一：采用孔距0.8m、“三管法”高压旋喷，高喷孔沿尺寸为3.2m*3.2m的正方形围井均匀布孔，分两序施工；方法二：采用孔距1.0m、“三管法”高压摆喷对接，高喷孔沿尺寸为3.0m*3.0m的正方形围井均匀布孔，分两序施工，摆喷角度45°。经过压水试验检查，摆喷区喷浆效果优于旋喷区喷浆效果，但考虑到旋喷试验区孔深较深，并结合一期补强施工经验，拟定二期高喷施工根据钻孔深浅，分别采取双排旋喷或单排摆喷的孔位布置方式，工艺采用“三管法摆喷对接”或“三管法旋喷”。二期围堰高喷喷浆工程量约18805m。
①纵向围堰为水下无碾压深厚层填筑段，采用三管旋喷对接工艺，按双排孔、孔距0.8m、排距0.6m布置。
②下游横向围堰孔深超过20m段，按双排孔、排距0.6m、孔距1.0m布置，施工工艺采用三管旋喷对接；若孔深小于20m，按单排孔、孔距0.8m布置，施工工艺采用“三管摆喷对接”、摆喷角度60°。
③上游横向围堰孔深低于20m，采用三管法摆喷施工、孔距0.8m、摆角60°；上游横向围堰孔深大于20m，采用三管法旋喷施工，孔位按双排、排距0.6m、孔距1.0m布置。
根据一期高喷施工经验、二期试验施工成果及《水电水利工程高压喷射灌浆施工技术规范》（DL/T5200-2004）中相关技术要求，二期围堰采用的施工技术参数见表2。
4.2 钻孔
采用HM-90A液压潜孔钻机偏心锤跟管钻进成孔，孔径?准146mm，孔深深入基岩1m。钻孔喷浆依次序进行施工，不同排施工时，先施工I序排，后施工II序排。同一排孔中，先施工I序孔，再施工II序孔。相邻孔间施工，间隔时间不得低于48h。终孔后，先取出钻杆，然后下入?准110mmPVC管置换孔内地质套管进行护壁。PVC管底部用塑料胶带或者专用密封件进行密封，采用“注水法”对PVC管进行下设，下设过程中接头处同样采用塑料胶带或者连接件连接，并涂抹强力胶水，确保不脱接和漏浆。
4.3 高喷灌浆
高喷灌浆施工采用“三管法”工艺，通过专用螺栓连接，连接处用尼龙垫密封。喷具组装完毕后进行试喷，水压力超过40MPa，5min无异常即可结束试喷，并保护好喷嘴。将喷具下入到PVC管护壁的孔内，并确保喷具下入到终孔深度，喷具嘴用胶带密封，以免下设时堵嘴。当喷具下入到终孔深度后，按先通浆、后通风、水的顺序施工，先进行原位喷射，待孔口返浆正常后，边旋转边提升。喷射作业采用自下而上连续施工。中途拆卸喷管时应进行复喷，复喷搭接长度不得小于0.2m，当喷射中途中断时间超过30min以上，复喷搭接长度不得小于0.5m。在喷浆过程中，要时刻注意检查风、水、浆的流量、旋转、提升速度等各项参数是否符合要求。高喷结束后，孔内注浆至孔口，或将下一孔段的孔口返浆引入已完成高喷的孔内，进行回填，直至孔口浆液不再下降为止。二期围堰高喷防渗墙高施工完成7天后，采用潜孔钻进行钻孔质量检查，检查孔均布置在上游围堰至下游围堰的深孔区，取芯揭示围堰防渗墙芯样较完整，防渗效果较理想，为二期基坑干地施工创造了有利条件。
5 结论
四川嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程中的土石围堰是当地人多年反复采用船采砂石料后，河床形成了深槽区，深槽区内有采砂船抛投的大量废弃块石料，且围堰是在水下深厚层无法实施碾压的条件下填筑而成的，围堰存在大块石集中、围堰填筑体结构松散等复杂的地质条件。一期围堰采用高压旋喷灌浆和在控制性灌浆中掺加水玻璃、絮凝剂等材质相结合的方式形成密闭的防渗墙，防渗效果较理想，面积约28500m2的大基坑仅需投入一台132kW、额定排水能力为960m3/h的离心式水泵就能解决基坑排水问题。二期围堰采用三管法高压旋喷和高压摆喷灌浆相结合的防渗施工技术，成功地应用于高水头、块石集中、水下深厚层无碾压土石围堰的防渗体系施工中，防渗效果极佳，面积约45800m2的大基坑仅投入了一台132kW、额定排水能力为960m3/h的离心式水泵就彻底解决基坑排水问题。四川嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程围堰防渗施工技术的成功应用，打破了诸多学者和水电工程技术界公认的“高压喷射灌浆防渗施工技术主要适用于砂土、黏性土、黄土和淤泥等软弱地层，砂卵石层和块石地层慎重使用”的观念，为类似工程防渗施工提供借鉴和成功经验。围堰防渗体系施工取得成果，为大坝二期截流、工程安全度汛、按期下闸蓄水等控制性节点工期创造了有利条件。
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